元器件再利用的廢舊印制電路板拆解技術(shù)研究

，

(臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣信息學(xué)院，浙江 臺州318000)

元器件再利用的廢舊印制電路板拆解技術(shù)研究

潘海燕，蔣友明

(臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣信息學(xué)院，浙江 臺州318000)

將元器件從廢舊PCB上無損拆卸，既可以實(shí)現(xiàn)元器件的回收再利用，易于處理含有有毒有害物質(zhì)，又便于拆卸后的PCB實(shí)現(xiàn)貴重金屬回收和非金屬材料的再生利用。在總結(jié)國內(nèi)外對廢舊PCB處理方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)電子產(chǎn)品中元器件組裝與焊接特點(diǎn)，提出了能實(shí)現(xiàn)元器件重用的低成本無損拆解方案，分析討論了釬料加熱熔焊技術(shù)、風(fēng)力吹掃分離技術(shù)和拆除力施加技術(shù)。試驗表明，本方案實(shí)現(xiàn)了廢舊PCB資源化拆解。

廢舊印制電路板；拆解；電子元器件；再利用

0 引言

印制電路板(PCB)是電子產(chǎn)品的重要組成部分，電子廢棄物中的PCB雖然作為一個整體被淘汰或失去了其原有的功能，但其上很多元器件仍然具有較高的可用性和可靠性[1]，將元器件從PCB上無損拆卸，既可以實(shí)現(xiàn)元器件的回收再利用，易于處理含有有毒有害物質(zhì)，又便于拆卸后的PCB實(shí)現(xiàn)貴重金屬回收和非金屬材料的再生利用。因此，研究廢舊PCB元器件無損拆解技術(shù)在資源化過程中具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境意義。

1 國內(nèi)外廢舊PCB拆解技術(shù)現(xiàn)狀

早期對廢舊PCB處理是以破碎和分選相結(jié)合的機(jī)械物理方法為主，由于廢舊PCB強(qiáng)度高、硬度大、金屬與非金屬間結(jié)合緊密，機(jī)械粉碎不容易，粉碎過程中的高溫會使非金屬分解形成有害氣體和異味，形成嚴(yán)重粉塵污染，其發(fā)展面臨著難題；焚燒冶煉方法存在的問題是非金屬材料焚燒無法利用，部分金屬和非金屬材料在冶煉中形成有毒有害氣體，難以進(jìn)行無害化處理；酸浸的化學(xué)方法廢水處理困難，造成環(huán)境污染嚴(yán)重，廣東貴嶼鎮(zhèn)就是典型的例子。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的加強(qiáng)以及環(huán)境保護(hù)要求的嚴(yán)格，這些落后的處理工藝正逐步被淘汰。

采用加熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)廢舊PCB拆解是當(dāng)前高效無損拆卸元器件的主流技術(shù)，目前，國內(nèi)外有較多的研究主要集中在采用各種加熱的工藝流程和方法原理方面[2]。采用紅外線加熱技術(shù)的有日本NEC公司[3]、高瑞[4]和Yokoyama S[5]等，采用流體加熱的有FAPS公司[6]等，劉志峰[7]、尹鳳福[8]等采用不同的加熱介質(zhì)，Knoth[9]采用激光加熱方式，瓦拉依丁[10]則改進(jìn)傳統(tǒng)熱風(fēng)加熱方法，從提高加熱的均勻性和加熱效率著手。比較國內(nèi)外廢舊PCB元器件拆卸技術(shù)[3-14]，國外采用自動拆卸方案為主，工程上普遍采用機(jī)械化和自動化程度較高的流水線來處理，投入成本巨大。國內(nèi)的拆卸技術(shù)尚處于研究階段，采用國外的技術(shù)在本土化方面做了一定的工作，但工程上仍較少采用。

2 電子產(chǎn)品中元器件組裝、焊接技術(shù)

電子元器件按封裝形式可分為插裝元器件(THD)和表面貼裝器件/表面組裝元件(SMD/SMC)兩大類型，各電子元器件幾乎全部都是以PCB為絕緣基材，通過組裝技術(shù)進(jìn)行互連、安裝，實(shí)現(xiàn)各器件之間的布線和電氣連接，成為適用的電子產(chǎn)品。根據(jù)元器件與基板的粘貼形式，元器件可以分為獨(dú)立的通孔插裝技術(shù)(THT)、表面組裝技術(shù)(SMT)組裝和THT、SMT單面和雙面混裝等形式。當(dāng)前的電子產(chǎn)品大多數(shù)屬于雙面THT、SMT混裝組件。

對于安裝THD印制板組件的焊接，早時采用的是浸焊技術(shù)，讓插好元器件的PCB水平接觸熔融的鉛錫焊料，使整塊電路板上的全部元器件同時完成焊接。當(dāng)前，大多數(shù)THT采用波峰焊接技術(shù)，將熔化的鉛錫合金，經(jīng)電動泵或電磁泵噴流成設(shè)計要求的焊料波峰，或者向焊料池注入氮?dú)鈦硇纬刹ǚ?，使預(yù)先裝有元器件的印制板通過焊料波峰，實(shí)現(xiàn)元器件引腳與印制板焊盤之間機(jī)械與電氣連接的軟釬焊。

對于安裝SMD/SMC印制板組件的焊接，采用的是回流焊工藝技術(shù)，回流焊設(shè)備的內(nèi)部有一個加熱電路，將空氣或氮?dú)饧訜岬阶銐蚋叩臏囟群蟠迪蛞呀?jīng)貼好元件的PCB，讓元件引腳上的焊料融化后與主板粘結(jié)，工藝為預(yù)涂錫膏→貼片→回流焊，焊接流程緊隨貼片工藝之后。對于THD與SMD/SMC混裝的組件，則采用通孔回流焊接技術(shù)(THR)，THR工藝流程與SMT流程極其相似，THR和回流焊的焊料都是使用焊膏合金材料。

從微觀的角度分析，焊接過程是一個熔融焊料橫向流動和縱向擴(kuò)散過程。松香在焊料前面，用于清除金屬表面的氧化膜，焊錫緊跟其后，沿著金屬表面上的凹凸靠毛細(xì)作用潤濕擴(kuò)散開去，在金屬表面形成均勻、平滑、連續(xù)并附著牢固的焊料層。伴隨著熔融焊料在被焊面上的擴(kuò)散，還出現(xiàn)焊料向固體金屬內(nèi)部的擴(kuò)散。例如，用錫鉛焊料焊接銅件，錫鉛焊料中的鉛只參與橫向流動，而錫和銅原子相互擴(kuò)散，正是由于這種擴(kuò)散作用，在兩者界面形成合金層，從而使焊料和焊件牢固地結(jié)合。THD焊接點(diǎn)和SMD元件BGA封裝焊接點(diǎn)如圖1所示。

圖1 THD焊接點(diǎn)和SMD焊接點(diǎn)

早期，焊接的釬料主要組成元素為錫和鉛，特別是質(zhì)量百分比為63%Sn和37%Pb的Sn63Pb37錫鉛合金焊料，共晶熔點(diǎn)為183℃，被運(yùn)用在絕大多數(shù)的電子產(chǎn)品中。但鉛元素是一種毒害性較強(qiáng)的元素，隨著歐盟電子電氣設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)指令(RoHS指令)的頒布，電子工業(yè)界開始應(yīng)用替代錫鉛焊料的無毒性無鉛焊料合金。其中，在回流焊技術(shù)中采用三元的SnAgCu系合金較廣泛，在波峰焊工藝中多釆用SnAgCu和SnCu系列，THR所用的焊膏黏度較低，流動性好，便于流入通孔內(nèi)，焊膏中焊錫合金的成分采用熔點(diǎn)稍低的Sn46Pb46Bi8(178℃)。

3 元器件拆卸技術(shù)

拆卸元器件的關(guān)鍵技術(shù)是熔化釬料，消除或降低元器件與PCB之間的粘接力。提出的實(shí)現(xiàn)元器件重用的廢舊PCB拆解工藝流程如圖2所示，首先，按照組裝形式的不同，將PCB預(yù)處理，對于拆解困難的元器件，如大型功率元件、散熱片等，采用手工拆卸方式處理。然后，對PCB整體進(jìn)行預(yù)熱升溫，進(jìn)行預(yù)熱處理，一方面可以避免可能出現(xiàn)的局部加熱導(dǎo)致的元器件損壞，同時也可以縮短后續(xù)的焊料加熱時間，避免元器件長時間處于高溫區(qū)。達(dá)到熔釬溫度后，采用熱風(fēng)吹掃元器件引腳，分離出焊料。最后，通過施加沖擊力進(jìn)行元器件拆解，采用機(jī)械方式分離出元器件。

圖2 拆解技術(shù)路線

設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示，主要包括：采用單片機(jī)系統(tǒng)控制的加熱爐、熱風(fēng)吹掃機(jī)構(gòu)、移動翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和沖擊振動裝置，以及元件收集箱、焊料收集箱和廢氣處理裝置等。將需要拆卸的PCB焊接面朝下水平放置支架上，設(shè)定預(yù)熱溫度和熔焊溫度，啟動加熱爐開始預(yù)加熱。達(dá)到預(yù)熱溫度后，支架帶動PCB向右側(cè)緩慢移動，同時控制風(fēng)槍溫度快速上升至熔焊溫度，啟動熱風(fēng)吹掃，焊料由于重力和風(fēng)力的作用掉落至收集箱，待PCB全部移離加熱爐后，風(fēng)槍完成對整張PCB的吹掃，將支架翻轉(zhuǎn)180°，PCB元器件面朝下放置于振動平臺上，控制器釋放振動平臺之上的重力錘，沖擊PCB焊接面，在振動的作用下，元器件落入收集箱。加熱、吹掃以及沖擊過程所產(chǎn)生的煙塵由廢氣抽吸裝置進(jìn)行凈化處理，對一些有毒、有害氣體和塵埃進(jìn)行過濾和吸附，處理干凈后的氣體向室外排放。

圖3 設(shè)備結(jié)構(gòu)

3.1 加熱過程分析

解焊元件時,必須考慮過高溫度和過長加熱時間可能損壞元器件的不利影響，受熱時間應(yīng)不超過5 s。對于SnAg系列釬料，最高加熱溫度不宜超過250℃。為降低元器件的損壞率，無需追求100%的解焊效果而設(shè)定較高加熱溫度和較長加熱時間。采用如圖4所示的加熱溫度控制曲線。

圖4 加熱溫度控制曲線

第1段為預(yù)熱區(qū)，溫度由常溫升高至150℃左右，使電子元器件特別是IC元件緩慢升溫，為適應(yīng)后面的高溫區(qū)作準(zhǔn)備。這一階段也是元器件的吸熱階段，PCB表面的元器件大小不一，吸熱程度也不一樣，為避免溫度不均勻而產(chǎn)生PCB變形、陶瓷電容細(xì)微裂紋或IC芯片損壞，該階段升溫的速度通常控制在1.5～3 ℃/s，上升溫度控制較慢，讓不同大小、質(zhì)地不同的元器件溫度能保持均勻，溫度差Δt接近最小值。第2段為熔焊區(qū)，溫度由預(yù)熱區(qū)快速上升至熔焊點(diǎn)溫度，時間不超過5 s，這一階段的升溫速度較快，使元器件停留在高溫區(qū)的時間較短。

3.2 熱風(fēng)吹掃焊料

在加熱熔解釬料后，選擇采用熱風(fēng)吹掃的方式掃除引腳上的釬料。吹掃釬料如圖5所示。對于THD，大部分釬料從通孔下方受重力和風(fēng)力的雙重作用滴落至收集箱，其余部分沿水平方向離開焊盤；對于SMD/SMC，釬料沿水平方向離開焊盤，在焊接面的部分元器件會受重力作用掉入焊料收集箱。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的研究，熱風(fēng)吹掃角度α為75°時最佳[11]，速度宜為13.16～21.93 m/s[13]。試驗表明，在拆卸混裝元器件時，THD焊盤元件面的熱風(fēng)吹掃角度宜取α>75°，焊接面的熱風(fēng)吹掃角度宜取α<45°；對于SMD/SMC，熱風(fēng)吹掃角度宜取α<45°。

圖5 熱風(fēng)吹掃釬料

3.3 拆解力分析

THD最佳拆卸力方向應(yīng)與電路板垂直，對于SMD/SMC，垂直和水平的作用力對于分離貼裝的元器件具有同樣的效果[3]。因此，考慮各種類型混裝元器件的同時拆解，對廢舊PCB施加垂直方向的力能進(jìn)行整體拆卸分離，垂直作用力對PCB上的THD和SMD/SMC都有效。

SMD/SMC與PCB采用粘結(jié)安裝，受高溫風(fēng)力吹掃，焊錫或焊接膠已經(jīng)熔化并離開焊盤，力的大小只受到剩余焊料粘著力、元件質(zhì)量的影響。因此，可以采用較小拆卸力的豎直振動設(shè)備，調(diào)節(jié)設(shè)備振動頻率或拆卸加速度即可。如SMD中常見的IC芯片，最小拆解加速度一般為20～200m/s2，對于體積特別微小的片式元件或帶安裝面的SMD，其最小拆解加速度一般為140～530m/s2[1]。

THD與PCB之間的連接若元器件引腳不發(fā)生彎曲，直引腳THD的最小拆解力比較小，如直插芯片、電容、電感和連接器等THD，通常只在0～45 m/s2范圍內(nèi)[1]，在焊料熔化后理論上利用自重就可以脫落。實(shí)際中，線路板上的插裝元器件在組裝、儲存和搬運(yùn)等過程中易造成引腳彎曲，彎曲形式和引腳的受力情況如圖6所示。

圖6 THD引腳形態(tài)和受力分析

當(dāng)元器件受到牽引力F的作用時，元器件受到支撐點(diǎn)的彈力N、孔壁的彈力K、孔壁的摩擦力f，這4個力靜力平衡。N的水平分量與彈力K的合力形成的力矩使引腳克服彎曲，N的垂直分量與摩擦力f的合力則是拆卸的主要阻力。因此，根據(jù)靜力平衡得：

F=Nsinθ+μN(yùn)cosθ

(1)

M為使引腳產(chǎn)生彎曲的力矩；θ為元件引腳的彎曲角度；l為引腳到孔的另一邊的距離；μ為引腳與電路板之間的摩擦系數(shù)。由式(1)知，拆除元器件的牽引力大小與引腳彎曲角度、引腳到孔的另一邊的距離、引腳與電路板之間的摩擦系數(shù)的大小有關(guān)。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[4,12]，對于芯片質(zhì)量不超過100g的THD，引腳彎曲不超過30°時，拆卸力超過60N時就能保證元器件完全脫落。對于常見的THD如DIP16芯片、470μF/16V電容，質(zhì)量分別為10g、50g，實(shí)驗表明，在垂直沖擊力下，當(dāng)元器件引腳彎曲數(shù)/總引腳數(shù)≤5%、引腳彎曲角度小于30°時，施加頻率為6 Hz、時長為8 s的沖擊力，可以實(shí)現(xiàn)85%以上拆除率的拆卸效果[14]。對于引腳彎曲度較大的THD，從電路板基板上自動拆解的難度大，可以首先對電路板的焊接面直接加熱，然后采用手工方式對電路板上的元器件施加外力實(shí)現(xiàn)分離。

4 實(shí)驗結(jié)果

某一廢舊PCB上不計跳線數(shù)量共有THT和SMT封裝元器件96個，采用本方案進(jìn)行元器件拆卸實(shí)驗。對拆卸結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，部分電阻、二極管和插座由于引腳彎曲角度過大或與焊盤過分緊密接觸，沒有成功拆除，共計9個；損壞并部分殘留在PCB上的元器件2個；跳線安裝點(diǎn)由于是180°彎曲焊接，拆解力對其影響很少，全部保留在PCB上；在成功拆下的85個元器件中，外觀或引腳損壞的占6個。結(jié)果表明，使用本方案的脫焊拆卸設(shè)備，PCB上元器件的拆卸率可以達(dá)90%，脫焊效率高，元件損壞率不超過10%。

5 結(jié)束語

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度增大，廢舊PCB的數(shù)量急劇增加，造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)和對環(huán)境的極大威脅，如何進(jìn)行廢舊PCB有效拆解和元器件回收再利用成為社會關(guān)注的焦點(diǎn)。在總結(jié)國內(nèi)外對廢舊PCB處理方法的基礎(chǔ)上，針對電子產(chǎn)品生產(chǎn)過程中元器件組裝和焊接的技術(shù)工藝，提出了能實(shí)現(xiàn)元器件重用的拆解技術(shù)方案，分析討論加熱熔焊、釬料分離和拆除力施加等技術(shù)工藝要求。樣品試驗表明，本方案能有效拆解元器件，使廢舊PCB得以資源化利用。

[1] 向東,張永凱,李冬,等.面向元器件重用的廢棄線路板拆解關(guān)鍵技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報,2013(13):164[J].173.

[2] 楊繼平,向東,高鵬,等.印制電路板拆解技術(shù)與拆解工藝綜述[J].機(jī)械工程學(xué)報,2009(9):126-135.

[3] Li Jianzhi,Shrivastava Puneet,Gao Zao et al.Printed circuit board recycling:A state -of -the-Art Survey[J].IEEE Transactions On Electronics Packaging Manufacturing,2004(27):33-42.

[4] 高瑞.廢舊電路板元器件拆卸技術(shù)研究[D].北京:機(jī)械科學(xué)研究總院,2007.

[5] Yokoyama S,IJI M.Recycling of printed wiring boards with mounted electronic parts[C]//Proceedings of the 1997 IEEE International Symposium on Electronics and the Environment,San Francisco,California.IEEE,1997:109-114.

[6] Feldmann K,Scheller H.Disassembly of electronic products[J].Proceedings of the 1994 IEEE international symposium on electronics and environment,IEEE,1994(10):81-86.

[7] 劉志峰,李輝,胡張喜,等.廢舊家電中印刷電路板元器件脫焊技術(shù)研究[J].家電科技,2007(1):32-34.

[8] 海爾集團(tuán)公司.一種線路板元器件熱拆解設(shè)備以及方法[P].中國專利:CN1935398A.

[9] Knoth R,Brandstotter M,Kopacek B,et al.Automated disassembly of electronic equipment[J].Electronics and the Environment, 2002 IEEE International Symposium on[J].2002(1):290-294..

[10] 瓦拉依丁.帶元器件電路板拆卸工藝研究[D].北京:清華大學(xué),2005.

[11] 潘曉勇,龍旦風(fēng),楊繼平,等.廢舊電路板釬料吹掃去除試驗研究[J].機(jī)械工程學(xué)報,2010(19):192-198.

[12] 侯坤,段華波,賈偉峰,等.帶元器件廢電路板高效無損拆卸特性研究[J].中國資源綜合利用,2008,(12):15-18.

[13] 聞?wù)\.電路板元器件拆除加熱工藝優(yōu)化及其熱分析研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2009.

[14] 劉偉國.電路板元器件拆卸方法及拆卸力研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2009.

Research on Disassembly Technology of Waste Printed Circuit Board for Components Reuse

PANHaiyan,JIANGYouming

(Electric and Information School of Taizhou Vocational and Technical College,Taizhou 318000,China)

In order to guarantee the reusability of the disassembled components,a non-destructive technology to disassemble waste printed circuit board (PCB) is proposed.According to the characteristics of waste PCB assembly and welding,a dismantling process including the technologies of solder heating welding,wind blowing separation and removal force is discussed.Sample experiments show that the proposed method improves components recycling and waste PCB dismantling.

waste printed circuit board;disassembly;electronic components;reuse

2014-08-25

浙江省科協(xié)軟科學(xué)研究課題(ZJKX14C-19)

X705

A

1001-2257(2014)11-0034-04

潘海燕(1972-)，男，浙江溫嶺人，副教授，研究方向為電子電路設(shè)計和應(yīng)用。