廢舊電路板元器件解錫技術(shù)研究

鐘真宜，張興紅，葉平，何春倩

廢舊電路板元器件解錫技術(shù)研究

鐘真宜，張興紅，葉平，何春倩

（廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學(xué)院,廣東佛山528216）

廢舊電路板上元器件與線路板的解錫脫離是電路板資源化的關(guān)鍵。分析了國內(nèi)外手工、機械、加熱和化學(xué)4種解錫技術(shù)的發(fā)展，對可行的加熱解錫和機械拆卸組合的工藝技術(shù)進行研究分析，提出了廢舊電路板元器件解錫技術(shù)的研究方向和重點。

廢舊電路板；電子元器件；解錫；技術(shù)

廢舊電路板的拆解和利用一直是廢舊電器電子產(chǎn)品再生利用的難點。廢舊電路板上IC芯片、電阻、電容等電子元器件因含有金銀等高價值的貴金屬以及有毒有害物質(zhì)，其重復(fù)利用或再生利用更是成為業(yè)界關(guān)注和研究的焦點。而電子元器件與線路板的解錫脫離成為電路板資源化的關(guān)鍵，目前面臨的最重要問題是如何經(jīng)濟環(huán)保地把電路板上的電子元器件脫離。

通過各種解焊技術(shù)將電子元器件從線路板上脫離，主要目的：一是分離后的線路板經(jīng)破碎分選后實現(xiàn)銅、酚醛樹脂等材料的回收利用，避免因含有元器件等造成后續(xù)處理工藝復(fù)雜，難以實現(xiàn)材料的高效利用；二是拆下的無損電子元器件可以重新再利用，如一些舊芯片用于產(chǎn)品維修或者對產(chǎn)品性能要求不高的產(chǎn)品上；三是不可重復(fù)使用的元器件進行識別分類后提取貴重金屬；四是對含有有毒有害物質(zhì)的元器件進行無害化處理。目前，拆卸下的無損電子元器件重新再利用，因其節(jié)約資源、減少污染，具有較好的社會、環(huán)境、經(jīng)濟效益，成為眾多研究者關(guān)注的重點[1-2]。

1 電子元器件裝配及錫焊技術(shù)

電路板主要由線路板、電子元器件和焊錫組成，即是在線路板上焊接上電子元器件就成為電路板。電路板上電子元器件按裝配方式一般分為插裝元器件和表面貼裝元器件。研究發(fā)現(xiàn)，不管是哪種裝配方式，要達到線路板與元器件的脫離，首先必須解焊。既要使焊錫脫落干凈，又不能損壞元器件，這是目前元器件拆卸的難點之一[3]。

電路板上的電子元器件是以焊錫的形式與線路板連接的，目前運用最廣的錫焊技術(shù)包括手工烙鐵焊接、浸焊、波峰焊、再流焊等。波峰焊目前主要運用于通孔插裝元器件的焊接，而再流焊主要應(yīng)用于各類表面貼裝元器件的焊接。隨著表面貼裝技術(shù)的發(fā)展，再流焊技術(shù)在電子產(chǎn)品裝配中逐漸占主導(dǎo)地位。焊料在歐盟ROHs指令之前以錫鉛為主，成分主要是錫鉛共晶合金或與共晶成分接近，熔點為183℃，而之后以無鉛錫料為主，熔點基本上在210℃以上。焊錫在廢電路板中所占比重約為4%，具有寶貴的回收利用價值。錫焊的優(yōu)點：（1）易于焊接，焊料熔點低，只需簡單的加熱工具和材料即可焊接；（2）易于拆焊，焊料通過加熱達到熔點而被熔化，施加一定的外力后即可分離線路板和元器件[4]。

2 電路板電子元器件拆卸基本技術(shù)路線

電路板電子元器件的拆卸主要是實現(xiàn)元器件、焊錫和基板的分離，然后分類分別進行資源化利用?；镜募夹g(shù)路線如圖1所示。電路板通過清洗、識別、分類等預(yù)處理后，采用手工、機械、加熱、化學(xué)等解錫技術(shù)或者組合解錫技術(shù)使焊錫熔化或溶解，并施加外力，如振動、沖擊、刮刀、掃刷等實現(xiàn)元器件與基板的分離。將元器件與焊錫分離主要有刮擦、熱流體噴射、真空抽吸、表面張力分離等方法，同時實現(xiàn)對焊錫的回收處理。分離后的元器件按照價值、毒性等進行識別和分類，對無損高價值的元器件進行重復(fù)利用或再制造修復(fù)后使用；對低價值的元器件回收重金屬或材料；對有毒有害的元器件進行無害化處理。分離后的基板經(jīng)破碎分選后實現(xiàn)銅、酚醛樹脂等材料的回收利用[5]。

圖1 電路板電子元器件拆卸基本技術(shù)路線

3 電路板電子元器件解錫技術(shù)

解錫是電路板電子元器件拆卸的關(guān)鍵。國內(nèi)外學(xué)者對廢電路板電子元器件解錫拆卸技術(shù)進行了大量的研究，主要集中在手工解錫、機械解錫、加熱解錫和化學(xué)解錫四方面。

3.1 手工解錫技術(shù)

手工解錫拆解電子元器件在一些家庭作坊運用得比較多，其主要目的就是回收高價值的電子元器件。一般用電烙鐵直接拆卸元器件、手動吸錫器拆除元器件、電動吸錫槍拆除直插式元器件、熱風(fēng)槍拆除表面貼裝器件等。這種方法拆解效率低，不符合安全生產(chǎn)的要求，難以實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

3.2 機械拆解技術(shù)

國內(nèi)外對機械拆解技術(shù)的研究主要是研制開發(fā)更符合機械化發(fā)展要求的自動化或半自動化拆卸技術(shù)。如日本NEC公司開發(fā)了一套利用紅外加熱和兩級去除的方式自動拆卸電子元器件的裝置，德國的FAPS采用與電路自動裝配方式相反的原則進行拆卸。國內(nèi)海爾集團、合肥工業(yè)大學(xué)、機械科學(xué)研究總院、湖南萬容科技有限公司、北京航空航天大學(xué)等都研究開發(fā)了先加熱后機械（包括振動、沖擊、刮刀、掃刷等）的拆卸電子元器件的技術(shù)或裝置。這些裝置在過程中都有加熱這一環(huán)節(jié)，不屬于純機械的拆卸方式。西南科技大學(xué)制造學(xué)院的易榮華、陳曉勇等提出了全新的純物理的螺旋拆卸裝置，主要由振動入料機構(gòu)、箱體、基板定位軸、帶螺旋刀的螺旋軸以及基板與電子元件的出料口等機構(gòu)組成。帶螺旋刀的螺旋軸由螺旋葉片、螺旋刀具、軸組成，螺旋刀具固接在螺旋葉片的外徑圓周處。螺旋刀具的主要作用是通過剪切、擠壓以及鋸的共同作用將電路板上的電子元器件拆卸下來，使電子元器件與基板脫離。螺旋葉片的主要作用是將拆卸下來的電子元器件定向輸送到電子元件的專用出料口。機械拆解只能對廢電路板進行逐塊處理，但面對規(guī)格不一、安裝方式不一的種類繁多的電路板，難以滿足大規(guī)模的回收處理，自動拆卸技術(shù)并未廣泛利用[6-7]。

3.3 加熱解錫技術(shù)

加熱解錫技術(shù)常用的方法有：空氣加熱、紅外線加熱、激光加熱和液體加熱等。空氣加熱時利用熱空氣與電路板之間的溫度差引起的熱量傳遞來熔化焊錫，設(shè)備簡單；紅外線加熱時指紅外射線被焊錫吸收后引起分子結(jié)構(gòu)發(fā)生激烈的振蕩而產(chǎn)生熱能，當(dāng)溫度達到焊錫熔點時發(fā)生熔化，效率高，溫度可控，但功率高，不利于均勻加熱；激光加熱是利用高能量的激光束對焊腳集中加熱，熱量向內(nèi)部擴散使焊料熔化，能量聚集高，溫度可控，但成本高；液體加熱是將電路板浸入高溫的焊錫、油或石蠟等液體中，焊錫與高溫液體接觸使焊錫熔化，熱能利用高，加熱均勻，但會產(chǎn)生有害氣體，并易受加熱介質(zhì)污染難清洗。不同的加熱方式，對元器件的拆除效果具有很大差異。合肥工業(yè)大學(xué)的宋守許、劉偉國等人利用TOPSIS法選取了拆卸效率、設(shè)備成本、環(huán)境危害、元件損壞率等8個指標對這4種加熱方法的綜合拆卸效果進行評價，得到優(yōu)先排列順序：液體加熱>紅外線加熱>激光加熱>空氣加熱[8]。目前國內(nèi)對空氣加熱和液體加熱研究得比較多。如西南科技大學(xué)的陳俊冬、張明星最近研究利用工業(yè)余熱作為加熱熱源和脈沖噴吹動力源對電路板上的元器件進行解錫，實現(xiàn)低成本和高效率的拆卸，同時為工業(yè)余熱的資源化利用提供了新思路[9]。清華大學(xué)的Zeng Xianlai等首次研究了離子溶液加熱解錫技術(shù)，發(fā)現(xiàn)在45 r/min攪拌、250℃加熱12 min后，電路板上約90%的電子元器件可拆除，且不會造成二次污染，這個重大發(fā)現(xiàn)為加熱解錫技術(shù)開拓了新思路[10]。

3.4 化學(xué)解錫技術(shù)

化學(xué)解錫技術(shù)也是一種濕法冶金技術(shù)，利用金屬在鹽酸、硝酸、王水等強酸或強氧化性溶液中溶解的性質(zhì)，使金屬以離子態(tài)形式進入溶液，然后利用電化學(xué)的方法從溶液中回收金屬。國外在化學(xué)解錫技術(shù)方面作了大量的研究。如STENNETT等采用硝酸和過氧化氫兩種蝕刻劑來去除錫鉛焊料，在超聲攪拌作用下，4～8 min可以將元器件去除，且不損壞電路板和其他元器件。2009年，Gibson等采用含有Ti（Ⅳ）的酸液處理廢棄電路板使錫或含錫和含鉛的合金溶解為Sn（Ⅱ）和Pb（Ⅱ），通過電積的方法把錫離子和鉛離子還原為金屬錫和鉛而回收[11]。

中國環(huán)科院的劉景洋等研究了以稀硝酸為浸提液溶解焊錫的方法。研究表明：在硝酸濃度為2 mol/L左右，該條件下210 min內(nèi)電路板上的焊錫完全溶解，元器件能夠全部拆除。同時，稀硝酸作為浸提液，可重復(fù)利用4次以上，各次循環(huán)對焊錫均具有較好的溶解效果[12]。化學(xué)解錫會產(chǎn)生大量廢酸需要處理，因而限制了發(fā)展。

4 電路板電子元器件解錫工藝

對廢電路板元器件解錫最可行的方法是先對電路板加熱解錫，待焊錫全部熔化后施加一定外力實現(xiàn)元器件與基板的分離，基本工藝見圖2。焊錫加熱熔化方法和施加的外力有不同的結(jié)合方式，存在有“紅外線加熱+沖擊力”、“液體加熱+沖擊力”、“液體加熱+離心力”、“紅外線加熱+沖擊力+紅外線加熱+剪切力”等多種工藝流程。

有學(xué)者針對電路板元器件不同的裝配方式研究不同的解錫工藝。合肥工業(yè)大學(xué)綠色設(shè)計與綠色制造工程研究所提出用熱風(fēng)拆除貼片，焊錫加熱加垂直沖擊力拆除插裝元器件的“熱風(fēng)+牽引力+焊錫加熱+沖擊力”的工藝[4]。清華大學(xué)向東、張永凱等研究對于電視機、空調(diào)等以插裝元器件為主的電路板，先采用紅外輻射加熱直接對焊錫加熱，然后采用風(fēng)刀形成壓縮熱空氣對引腳進行吹掃，從而實現(xiàn)焊錫的去除和收集，解錫率達到90%以上；而對于計算機、通信類的以表面貼裝元器件為主的電路板,主要采用熱風(fēng)對流方式進行預(yù)加熱、高溫加熱和保溫三級加熱工藝，再采用振動/沖擊和水平掃刮拆解相結(jié)合的方式實現(xiàn)元器件、焊錫和基板的分離，解錫率達到98.5%以上[5]。

比較國內(nèi)外電路板電子元器件解錫技術(shù)，國外采用自動拆卸方案為主，采用自動化較高的流水線來處理。而國內(nèi)對電路板電子元器件解錫工藝有諸多的研究，特別是集中在各種加熱的工藝流程和方法原理上，但離真正的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化、自動化元器件拆卸有較大的距離。目前，國內(nèi)電子廢棄物拆解企業(yè)把電路板從廢舊電器電子產(chǎn)品中拆解出來后整板就直接賣給下游企業(yè)，電路板元器件解錫拆卸成為拆解企業(yè)一大難題。

圖2 電路板電子元器件解錫基本工藝

5 結(jié)論

對廢電路板元器件解錫技術(shù)的研究處于初步探索階段，僅止于理論層面，工程化和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用較少，這就造成了大量的資源浪費，特別是電子元器件無法再利用。實際上，利用解錫技術(shù)拆卸電路板上的元器件，是延長了電子元器件的生命周期，降低新元器件制造的材料和成本，減少了廢物量，真正實現(xiàn)了再制造，因此研發(fā)適合我國國情的廢電路板解錫技術(shù)及設(shè)備有著非常重大的意義。

（1）立足于元器件能重用的角度研發(fā)解錫技術(shù)及設(shè)備，改變電路板整塊破碎再材料回收利用的現(xiàn)狀；

（2）針對元器件插裝和貼裝方式，重點對加熱解錫技術(shù)和元器件無損拆解關(guān)鍵技術(shù)進行研究，深入分析拆解力、拆解能、解錫率、元器件重用率、環(huán)境危害等進行研究，優(yōu)化拆解工藝；

（3）加快電子元器件識別和自動化拆卸技術(shù)的研究，研發(fā)適合我國企業(yè)的方法、技術(shù)和設(shè)備，加快產(chǎn)業(yè)化的進程；

（4）重點考慮電路板元器件解錫過程中出現(xiàn)的二次污染問題，最終實現(xiàn)經(jīng)濟環(huán)保地處理廢電路板。

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Research on the anti-soldering technique for electronic components from waste printed circuit boards

ZHONG Zhenyi,ZHANG Xinghong,YE Ping,HE Chunqian
（Guangdong Vocational College of Environmental Protection Engineering,Foshan 528216,China）

Anti-soldering electronic components from waste printed circuit boards(PCBs)is the key step of recycling.This study summarized the evolution of manual,mechanical,heating and chemical anti-soldering technology at home and abroad.Besides,we analyzed the combined process of heating anti-soldering technology and mechanical disassembly.Finally,the research direction and future research emphasis of anti-soldering electronic components from PCBs were predicted.

waste printed circuit boards;Electronic components;anti-solder;Technique

X76

A

1674-0912（2015）06-0032-04

2015－03－24）

廣東省科技廳高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項目——工業(yè)攻關(guān)資助項目（2012B010500022）

鐘真宜（1977-），女，碩士，高級工程師，主要從事固體廢物處理處置與資源化教學(xué)與研究工作。