從專利技術(shù)角度分析廢舊電路板脫焊技術(shù)發(fā)展

曲 霞

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215010）

廢舊電路板上電子元器件主要以表面安裝形式（SMD）或通孔插裝的形式(THD)通過(guò)焊錫安裝在基板上，電路板中錫鉛金屬占金屬總量的15.38%，且主要存在于電路板表面的焊錫中，焊錫中的錫熔點(diǎn)231.89℃、鉛熔點(diǎn)327.50℃，具有相對(duì)其他金屬“低熔點(diǎn)”的特點(diǎn)，能夠在一定溫度、時(shí)間條件下率先熔出，實(shí)現(xiàn)提前分離，同時(shí)，電路板上的IC芯片、電阻、電容等電子元器件因含有金銀等高價(jià)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(diǎn)，因此電子元器件與線路板的解錫脫離為后續(xù)金屬銅等物質(zhì)提取回收提供較大便利，有利于工業(yè)化生產(chǎn)處理，具有較大的潛在利用價(jià)值，而成為電路板資源化的關(guān)鍵[1]。目前面臨的最重要問(wèn)題是如何經(jīng)濟(jì)環(huán)保地把電路板上的電子元器件脫離。通過(guò)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(shí)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(shí)現(xiàn)材料的高效利用；二是拆下的無(wú)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(duì)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(jìn)行識(shí)別分類后提取貴重金屬；四是對(duì)含有有毒有害物質(zhì)的元器件進(jìn)行無(wú)害化處理。

1 全球?qū)＠暾?qǐng)整體趨勢(shì)分析

圖1（a）示出了廢舊電路板脫焊技術(shù)全球?qū)＠暾?qǐng)量趨勢(shì)，由圖中曲線可知，廢舊電路板脫焊技術(shù)起源于二十世紀(jì)五十年代，隨著時(shí)間的推移，全球有關(guān)廢舊電路板脫焊技術(shù)全球?qū)＠暾?qǐng)量不斷增多；而該曲線呈現(xiàn)出的趨勢(shì)，與時(shí)代不斷變遷發(fā)展相吻合，隨著智能化的到來(lái)，全球?qū)﹄娐钒宓男枨罅坎粩嘣龃?，繼而便產(chǎn)生了大量的廢舊電路板，因此，廢舊電路板脫焊技術(shù)需要不斷的發(fā)展，以滿足時(shí)代需求。圖（b）示出了廢舊電路板脫焊技術(shù)國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)趨勢(shì)對(duì)比，從圖中可以看出，早在20世紀(jì)五十年代，廢舊電路板脫焊技術(shù)在國(guó)外就已經(jīng)出現(xiàn)，到20世紀(jì)九十年代初期，該技術(shù)在國(guó)外開始較快增長(zhǎng)，在20世紀(jì)九十年代末期出現(xiàn)了最高峰，進(jìn)入21世紀(jì)之后，該技術(shù)在國(guó)外的申請(qǐng)量有所減少，但依然保持平穩(wěn)的申請(qǐng)量；由于中國(guó)的專利法實(shí)施時(shí)間較晚，直到專利法實(shí)施之后，國(guó)內(nèi)在1990年才出現(xiàn)了廢舊電路板脫焊技術(shù)的專利申請(qǐng)，進(jìn)入21世紀(jì)之后，中國(guó)的相關(guān)專利申請(qǐng)達(dá)到了與國(guó)外同等水平，之后該項(xiàng)技術(shù)在中國(guó)飛速發(fā)展，申請(qǐng)量遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)外。

圖1 （a）全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)；（b）國(guó)內(nèi)為申請(qǐng)趨勢(shì)對(duì)比曲線

2 廢舊電路板脫焊專利技術(shù)發(fā)展分析

本節(jié)主要通過(guò)電子元件單獨(dú)脫焊技術(shù)、電子元件同步脫焊技術(shù)二個(gè)分支，對(duì)廢舊電路板脫焊技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析。

（1）電子元件單獨(dú)脫焊技術(shù)。電路板的電子元件單獨(dú)脫焊技術(shù)最早起源于對(duì)電路板單個(gè)電子元件的更換脫焊；電路板主是由線路板、電子元器件和焊料合金組成，在出現(xiàn)廢舊電路板的初期，為了實(shí)現(xiàn)更換廢舊電路板中已損壞的電子元件或者回收利用焊料合金及電子元器件，必須首先實(shí)現(xiàn)焊料合金的熔化，來(lái)達(dá)到電路板與元器件的分離，實(shí)現(xiàn)脫焊；其實(shí)質(zhì)上為焊料合金的反過(guò)程，因此，在廢舊電路板量少且自動(dòng)化還未發(fā)展起來(lái)的年代，人們首先就可以想到采用烙鐵類脫焊工具進(jìn)行電子元件單獨(dú)逐一脫焊。

圖2示出了電子元件單獨(dú)脫焊技術(shù)脈絡(luò)圖，最早出現(xiàn)的脫焊專利申請(qǐng)是1959年的德國(guó)申請(qǐng)，該脫焊工具為電烙鐵結(jié)合吹氣裝置，電烙鐵將焊點(diǎn)的焊料合金熔化，吹氣裝置將熔融的焊料合金吹離焊點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電子元件的單獨(dú)脫焊；在這一階段中，人們只是單純的實(shí)現(xiàn)脫焊，并未想到對(duì)焊料合金的回收利用，在1962年德國(guó)申請(qǐng)中，出現(xiàn)了帶有部分導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的電烙鐵，該導(dǎo)管結(jié)構(gòu)可以將熔化的焊料合金進(jìn)行暫時(shí)存放，但其也不是真正意義的回收利用，只是一個(gè)過(guò)渡階段，1971年的美國(guó)申請(qǐng)中出現(xiàn)了真正意義的回收焊料合金；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及人們對(duì)自然界的不斷開發(fā)研究，漸漸出現(xiàn)了利用其它能量或者利用電能結(jié)合其他能量來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻元件的單獨(dú)脫焊，比如德國(guó)ZELE-1公司在1975年申請(qǐng)的專利中記載了利用脫焊工具的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦熱來(lái)實(shí)現(xiàn)冷脫焊；再比如結(jié)合磁能，1976年的日本HITACHI LTD公司的申請(qǐng)中，出現(xiàn)了當(dāng)接線端子為鐵磁性材料時(shí)，利用電能將焊點(diǎn)熔化后，依靠磁力作用將單個(gè)元件移出，節(jié)省了勞動(dòng)力；再比如1976年的美國(guó)BASS-1公司提出了利用輻射能實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)的加熱；1979年出現(xiàn)了利用熱風(fēng)加熱；之后的改進(jìn)主要是針對(duì)烙鐵的形狀，比如，將烙鐵頭設(shè)置為與接線端子更匹配的形狀，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其上的焊料合金更好的熔化。

圖2 電子元件單獨(dú)脫焊技術(shù)脈絡(luò)圖

隨著電路板電子元件的不斷更新，電子元件的接線端子復(fù)雜化，為了節(jié)省勞動(dòng)力，提高脫焊效率，在八十年代初期出現(xiàn)了針對(duì)具有多個(gè)接線端子電子元件的單獨(dú)脫焊工具，例如，1983年BURS公司的申請(qǐng)保護(hù)的一種脫焊工具；1987年出現(xiàn)了SMD（表面安裝元件）電子元件和SMT(表面貼裝技術(shù))，該電子元件和貼裝技術(shù)不需要通孔，接線端子直接貼裝在電路基板上，因此，需要的拆卸力較小，日本FUIT公司提出了利用真空吸附電子元件，并向焊點(diǎn)輸入熱風(fēng)實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)的熔化。九十年代后期，日本MURA公司和日本SONY公司分別提供了具有濾波器和震動(dòng)功能的脫焊工具，來(lái)解決在吸熔融焊料合金時(shí)錫管堵塞問(wèn)題。

二十世紀(jì)開啟了世界的新篇章，同時(shí)也是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的新篇章；二十世紀(jì)隨著電腦的不斷普及，電子元件單獨(dú)脫焊技術(shù)中也大量引入了電腦進(jìn)行智能化操作，進(jìn)一步快速對(duì)準(zhǔn)和精確定位；同時(shí)伴隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)及健康意識(shí)的不斷加強(qiáng)，在電子元件單獨(dú)脫焊技術(shù)中不斷引入環(huán)保元素，如引入了新能源——光能對(duì)焊料合金進(jìn)行加熱。之后，電子元件單獨(dú)脫焊技術(shù)，陷入了發(fā)展的瓶頸，所有的改進(jìn)基本都是基于原始技術(shù)的實(shí)用性提升，沒(méi)有大的技術(shù)突破。

（2）電子元件同步脫焊技術(shù)。隨著人們生活水平的提高，電腦、電視、電冰箱、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等不斷更新?lián)Q代，廢棄家電或者智能電子設(shè)備不斷增多，如果直接廢棄將不僅造成資源的極大浪費(fèi)，同時(shí)對(duì)環(huán)境也會(huì)造成很大破壞，因此，隨之產(chǎn)生了電子元件同步脫焊技術(shù)，以高效回收電路板的電阻元件、焊料合金等。

圖3 電子元件同步脫焊技術(shù)發(fā)展線路

1989年KIMH-I公開了電子元件同步脫焊的雛形，采用熔融焊錫將電子元件的接線端子上的焊錫除去；SENJ在1994年申請(qǐng)的專利中提供了一種利用類似回流焊設(shè)備的脫焊裝置進(jìn)行電子元件的同步脫焊；SIEMENS AG公司1995年提出了采用一個(gè)封閉的腔體，利用加熱器進(jìn)行加熱，對(duì)于焊料軟化后的電子元件吹一定壓力的風(fēng)，利用風(fēng)力使電子元件脫離；后期IBMC提供了利用毛刷力使電子元件脫離；ISHI公司在1995年和MATU公司在1998年公開了一種利用機(jī)械刮刀使電子元件脫離，上述幾種脫離方式，均對(duì)元器件與線路板基板結(jié)合的引腳根部進(jìn)行鏟切、擠、刮等操作，使其引腳受擠切脫開基板，從而實(shí)現(xiàn)元器件的整體性拆卸，但這樣會(huì)使元器件引腳受嚴(yán)重變形或損傷而失去再使用功能；SONY公司在1998年申請(qǐng)的專利中提供了一種利用液體和離心力進(jìn)行電子元件的同步脫離，而實(shí)質(zhì)上離心力也會(huì)損傷電子元件。佳能公司對(duì)利用液體加熱的液體熱介質(zhì)進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，其在1999年申請(qǐng)的專利中提供一種電路板電子元件同步脫焊技術(shù)的焊料回收方法和裝置，為解決以往（如SENJ公司于1994年提出的專利申請(qǐng)）僅利用噴射加熱液體，致使焊料和電子元件從印刷電路板上除下的效率很低、回收焊料的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以及機(jī)械刮擦造成電子元件損壞的問(wèn)題，而提供一種通過(guò)向電路板上噴射一種混合流體而從電路板上分離和回收焊料合金和電子元件。

2003年專利申請(qǐng)中設(shè)置了預(yù)熱裝置，并利用風(fēng)力實(shí)現(xiàn)電子元件與線路板的脫離；之后清華大學(xué)和長(zhǎng)虹電器股份有限公司均申請(qǐng)了利用高壓氣體實(shí)現(xiàn)電子元件分離的申請(qǐng)。

FUIT公司和中國(guó)格林美高新技術(shù)有限公司，在2005年的專利申請(qǐng)中均提供了一種利用加熱爐和震動(dòng)方式進(jìn)行電子元件的同步脫離，將僅焊接有貼片元器件的組件子板的裝有元器件的一面朝下，或?qū)⒔M件子板懸掛，在加熱環(huán)境中焊錫熔化后，采用振動(dòng)的方式將貼片元器件震落，元器件盛接器距離組件子板很近，使脫落的元器件不致彈起翻轉(zhuǎn)。

以往采用熔融焊錫或者液體熱介質(zhì)進(jìn)行加熱；采用熔融焊錫加熱會(huì)造成熔融焊錫的浪費(fèi)，而采用液體熱介質(zhì)加熱可能對(duì)電子元器件造成損害，且不方便后續(xù)處理；因此，2010年FUIT公司提出了利用紅外線作為熱源實(shí)現(xiàn)電路板的加熱；清華大學(xué)提出了利用逐級(jí)加熱的熱風(fēng)加震動(dòng)實(shí)現(xiàn)電子元件的脫離；即保證了加熱熱源的均勻性及強(qiáng)度，又減少了焊錫浪費(fèi)，同時(shí)便于后續(xù)處理。之后發(fā)展了直接配置退錫液，將電路板浸泡在退錫液中進(jìn)行脫焊。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上分析，電子元件單獨(dú)脫焊技術(shù)只針對(duì)電路板上某個(gè)特定的電子元件實(shí)施脫焊，其常用于單個(gè)電子元件的脫焊，在電子電器維修領(lǐng)域應(yīng)用較多；電子元件同步脫焊技術(shù)是對(duì)電路板上所有電子元件同時(shí)實(shí)施脫焊，主要目的是對(duì)電路板上的電子元件和焊料合金進(jìn)行回收利用；在維修需求大于回收利用需求的年代，電子元件單獨(dú)脫焊技術(shù)的迅速發(fā)展，當(dāng)單獨(dú)脫焊技術(shù)脫焊效率低不能滿足回收利用的目的時(shí)，而電子元件整體脫焊技術(shù)得到了較快的發(fā)展；目前的焊料加熱的手段主要有紅外線、激光、液體介質(zhì)、空氣介質(zhì)、焊錫加熱等；采用紅外線來(lái)加熱焊錫，不同材質(zhì)的物料對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線的吸收程度不同，難以保證同一電路上所有元件同步升溫；激光加熱是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式較難進(jìn)行同步脫焊；液體加熱的液體介質(zhì)也要求較高的穩(wěn)定性，該類液體粘上后，一般清洗比較困難，造成成本增加；空氣加熱熱損失較多；焊錫加熱浪費(fèi)較多焊錫；目前脫離手段主要有：機(jī)械刮擦、震動(dòng)、離心力、借助風(fēng)力；機(jī)械刮擦、震動(dòng)、離心力易對(duì)電子元件造成損害、而風(fēng)力效率較低；因此，未來(lái)專利針對(duì)二者進(jìn)行改進(jìn)，可進(jìn)一步提高廢舊電路板的利用率；利用液體介質(zhì)（如退錫液）時(shí)，如何進(jìn)一步利用退錫廢液，進(jìn)一步減少環(huán)境污染，進(jìn)一步提高資源利用率也將成為重點(diǎn)；同時(shí)，通過(guò)分析可知，目前同步脫焊技術(shù)的專利申請(qǐng)?jiān)谥悄芑?、自?dòng)化方面研究較少，未來(lái)可進(jìn)一步提高同步脫焊技術(shù)的自動(dòng)化.世界各國(guó)在廢舊電路板脫焊技術(shù)方面的研究結(jié)果表明,廢舊電路板脫焊技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展對(duì)環(huán)境保護(hù)、資源節(jié)約有著非常深遠(yuǎn)的影響和現(xiàn)實(shí)意義。