廢棄電路板電子元件和焊錫的分離回收技術(shù)

□文/周益輝曾毅夫龍桂花湛志華

1.湖南凱天環(huán)保科技股份有限公司 2.湖南科技學(xué)院 3.桂林師范高等專科學(xué)校

廢棄電路板電子元件和焊錫的分離回收技術(shù)

Separating and Recycling of Electronic Components and Solder From Waste Printed Circuit Boards

□文/周益輝1曾毅夫1龍桂花2湛志華3

1.湖南凱天環(huán)保科技股份有限公司 2.湖南科技學(xué)院 3.桂林師范高等專科學(xué)校

本文綜述了目前廢棄電路板電子元件和焊錫的分離回收技術(shù)，即濕法和機械法，并對現(xiàn)有技術(shù)技術(shù)的特點進行了分析。

廢棄電路板上含有大量的焊錫，具有寶貴的回收利用價值，焊錫的分離回收還能為廢棄電路板其他資源的回收創(chuàng)造良好條件，已成為廢棄電路板回收中的一個重要課題。值得注意的是，電子元件的分離往往伴隨著焊錫的分離回收，因此，本文綜合現(xiàn)有廢棄電路板焊錫回收技術(shù)與電子元件分離技術(shù)展開概述。

一、廢棄電路板電子元件和焊錫分離回收的意義

廢棄電路板成分復(fù)雜，種類多樣，它的回收被公認(rèn)為一個相當(dāng)復(fù)雜的難題。從印刷電路板的構(gòu)造上不難看出，它由焊錫，基板和電子元件組成。基板由高分子聚合物(樹脂)、玻璃纖維或牛皮紙及高純度銅箔粘結(jié)而成。電子元件主要以表面安裝或通孔插裝的形式通過焊錫安裝在基板上，如圖1所示。

電子元件和焊錫的分離回收對廢棄電路板的回收是非常有利的，主要體現(xiàn)在兩個方面：一是焊錫的提前分離消除了其給廢棄電路板其他金屬尤其是貴金屬回收帶來的不便；二是電子元件分離后，基板和電子元件可分別處理，從而簡化了后續(xù)回收工藝、降低了處理成本，使回收效率大大提高。

據(jù)研究表明，焊錫在廢棄電路板中所占比重約為4%。電子元件是造成廢棄電路板成分復(fù)雜的“元兇”，可想而知，分離電子元件后廢棄電路板的得到了有效分類富集，極利于后續(xù)處理，具有很高的資源回收價值和經(jīng)濟效益。廢棄電路板焊錫的回收可使大量的焊錫得到循環(huán)利用，更重要的是，它消除了其中的鉛給環(huán)境帶來的潛在危害，對改善人類的生存環(huán)境、資源的重新利用和可持續(xù)發(fā)展都具有重要的意義。

二、廢棄電路板電子元件和焊錫的分離回收技術(shù)

目前, 回收廢棄電路板的報道很多，但關(guān)于廢棄電路板焊錫回收的研究較少。綜合所有廢棄電路板回收技術(shù)而言，涉及到焊錫回收處理技術(shù)主要有濕法和機械分離法等。

1. 濕法

濕法冶金處理廢棄電路板的基本原理是利用金屬能在鹽酸、硝酸、王水等強酸或強氧化性溶液中溶解的性質(zhì)，使之以離子態(tài)形式進入溶液，再用電化學(xué)的方法從溶液中回收金屬。目前，國內(nèi)外對濕法處理廢棄電路板回收焊錫做了一定的研究。

1990年，英國Lmasa Limited研究了一種去除沉積在銅基體如電路板上錫、鉛或錫鉛合金的組合物。該組合物包含硝酸、硝酸鐵，還含有氨基苯甲酸以限制對銅基體的侵蝕程度，利用這種組合物將廢棄電路板焊錫浸出，然后再從浸出液中回收焊錫。

1999年，美國Morton公司提出了一種從印刷電路板上去除焊料和錫的組合物及其方法。該方法配制了以硝酸、硝酸鐵和鹵離子源作為主要組分的組合溶液，將廢棄電路板浸沒在這種溶液中，從而從電路板的銅基片上去除錫或焊料以及在其下的錫-銅合金。

2000年，我國的李德良等對印刷電路板焊錫的浸出進行了研究，開發(fā)了一種以烯丙基磺酸、硝酸、硝酸鐵和咪唑為組分的新型退焊錫劑，用來快速、大量消去廢棄電路板上的焊錫，以便拆卸電子元件。

圖1 印刷電路板結(jié)構(gòu)示意圖

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。

濕法實現(xiàn)焊錫從廢棄電路板上分離，從工藝過程來看，焊錫被消除后電子元件易于從基板上脫除，此法也較容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。濕法還具有金屬回收率高、金屬純度高等優(yōu)點。然而采用該處理方法回收焊錫和其它金屬具有工藝流程復(fù)雜、化學(xué)試劑耗量大等缺點，而且在處理過程中會有大量的廢水、廢渣、廢氣產(chǎn)生，對環(huán)境造成不利影響。

2. 機械分離法

目前，廢棄電路板焊錫回收的研究集中于機械分離法，即加熱焊錫至熔化后采用機械外力分離回收焊錫。由于廢棄電路板電子元件的機械拆卸過程必定會有大量焊錫脫離基板而得到回收，本文將機械分離焊錫的方法與機械拆卸電子元件的方法加以區(qū)別，分別介紹它們各自的技術(shù)現(xiàn)狀。

（1）機械分離焊錫的方法

焊錫達(dá)到熔化溫度時，廢棄電路板的其他物質(zhì)不會發(fā)生變化，并且保持為固體。基于這一特點，研究工作者通常采用對廢棄電路板加熱至焊錫熔化后，利用機械外力將熔化的焊錫從電路板上分離的方法回收焊錫。

日本是研究廢棄電路板焊錫回收技術(shù)最早也是最多的國家。早在1995年，日本千住金屬工業(yè)株式會社發(fā)明了廢棄電路板焊錫回收的方法：通過傳送帶將廢棄電路板送入熱油中浸泡以熔化焊錫，然后使用油中特別設(shè)計的裝置向電路板噴射熱油，從而使焊錫脫離電路板得到分離回收。

1999年，日本NEC公司開發(fā)了一種元器件自動拆卸裝置，該裝置包括兩級加熱和兩級分離單元。首先，廢棄電路板被安裝在拆卸裝置上，紅外加熱至焊錫熔化后，大部分元件和焊錫在推進器和機械臂的沖擊力作用下脫落；然后將電路板再次加熱到焊錫熔化，采用剪切推進器將剩余的焊錫去除。

2000年，日本的Yasuyuki Yamagiwa等提出了一種從廢棄電路板分離回收電路板的方法。該方法所用設(shè)備設(shè)置有電路板裝配架、自動傳送帶、面板加熱器、熱風(fēng)加熱器、機械滾刷、焊料收集裝置。廢棄電路板首先被固定在裝配架上，經(jīng)過輻射加熱后被傳送至具有熱空氣加熱器的滾刷裝置中，熔化的焊錫在滾刷力的作用下得到分離回收。

2001年，日本佳能株式會社研究了一種焊料回收方法。廢棄電路板首先被固定在裝置中，然后向印刷電路板噴射由金屬微粒和液體熱介質(zhì)組成且溫度保持在焊料合金熔點以上的混合流體，將焊料合金和電子元件從印刷電路板上刮離，進入混合流體中。由于各種物質(zhì)比重不同，刮下的電子元件浮在液體熱介質(zhì)上，焊料合金及金屬微粒一起沉淀到金屬微粒層，由于比重不同而分離。

在國內(nèi)，目前還沒有專門研究廢棄電路板焊錫回收的報道。近幾年來，國內(nèi)一些研究者對廢棄電路板電子元件的拆卸產(chǎn)生了濃厚的興趣，由于拆卸電子元件的過程伴隨有焊錫分離，他們將電子元件和焊錫的回收一起進行了研究。

2005年，張杰研發(fā)了一種廢棄電路板的電子元件、焊料的分拆與回收方法及裝置。該方法通過熱風(fēng)加熱廢棄電路板所有焊點上的焊錫至熔融狀態(tài)后，通過緊貼著待處理電路板下表面的機械滾刷沿電路板運動反方向滾動，借助滾刷上的刷毛的機械力把電路板上的電子元件掃下，并被滾刷旁邊的強力吸頭吸入松動和散落的電子元件和焊料合金。

2006年，臺灣的巫協(xié)森提出了一種回收廢棄電路板電子元件和焊錫的方法。對所有焊點加熱拆除所有電子元件后，再加熱脫除電子元件的廢棄電路板至200℃以上，使焊錫熔化，用真空吸焊裝置回收焊錫。考慮到該真空吸焊裝置回收焊錫不完全，隨后又用硝酸浸泡，將剩余的焊錫濕法浸出，以達(dá)到所有焊錫回收的目的。

2007年，清華大學(xué)的三項專利中，提出了對焊料熔融的電路板施加接觸式或非接觸式?jīng)_擊來拆卸電路板上的元器件和分離焊料的方法。四川長虹電器股份有限公司發(fā)明了一種電路板元器件和焊料分離回收的方法。整個裝置為一個保溫體系，內(nèi)部包括預(yù)熱裝置，熔融焊料加熱裝置，噴射高溫高壓氣體的特殊噴嘴和翻轉(zhuǎn)振動機構(gòu)等。

2010年，中南大學(xué)發(fā)明了一種采用離心油浴的方法實現(xiàn)焊錫和電子元件的分離回收。廢棄電路板批量置入一個離心機械中，經(jīng)過油浴加熱至焊錫熔化后，開動離心機械可實現(xiàn)焊錫和電子元件的分離回收。

總體來講，國內(nèi)外采用機械分離的方法回收廢棄電路板焊錫的效率普遍較低，原因是幾乎所有的方法都只能對廢棄電路板進行逐塊處理。廢棄電路板數(shù)量和種類繁多，而且大小不一，安裝方式也不同，因此，現(xiàn)有的大多數(shù)機械分離法很難滿足大規(guī)模回收處理的要求。

（2）機械拆卸電子元件的方法

印刷電路板作為整體廢棄時，其中一部分電子元件的性能仍然完好，經(jīng)拆卸后仍可繼續(xù)使用。在研究廢棄電路板電子元件拆卸方面，就技術(shù)而言，國外處于領(lǐng)先地位，一些研究者正在研制開發(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)。

1994年，德國FAPS公司提出了一種廢棄電路板的自動拆卸方法，即采用與電路板自動裝配相反的原則進行拆卸。在自動拆除步驟之前，首先手工拆除可重新使用以及包含有毒成份的電子元件，然后用3-D圖像識別技術(shù)獲取相關(guān)信息，確定特定元件，用自動機械設(shè)備將所選擇的元件拆除。接著用紅外輻射加熱廢棄電路板，當(dāng)焊錫熔化后將所有元件脫除。最后，依據(jù)識別系統(tǒng)對分離下來的元件進行識別并自動分類。

2001年，奧地利維也納工業(yè)大學(xué)研制出一套廢棄電路板半自動化的拆卸系統(tǒng)。這個單元由四個計算機和若干個可編程邏輯控制器組成，其中包括一個視覺系統(tǒng)，一個傳輸系統(tǒng)，一個去除焊錫系統(tǒng)和一個機械人系統(tǒng)。視覺系統(tǒng)通過一個高質(zhì)量的圖像探測系統(tǒng)將芯片分為貴重的、環(huán)境有害的、和其他三大類。前兩種芯片通過一個混合去焊錫-機器人工藝去除。去除焊錫系統(tǒng)用來去除表面貼裝部件，其他復(fù)雜的連接則由機器人系統(tǒng)去除。拆卸完后，機器人系統(tǒng)可以收集元部件并傳送至后續(xù)處理系統(tǒng)。

在國內(nèi)，電路板元器件的拆卸技術(shù)尚處于研發(fā)階段。由于國內(nèi)人工成本較低，目前主要以手工拆卸為主，即通過用電烙鐵或熱風(fēng)槍加熱熔化焊料，并用鑷子拆除元器件。這種方法不符合安全生產(chǎn)的要求，拆卸效率也相當(dāng)?shù)汀?/p>

近年來，一些科研院所和企業(yè)開軍后勤工程學(xué)院研究了一種先加熱電路板再通過滾刷和振動沖擊拆卸電子元件的裝置；北京航空航天大學(xué)也研究了一種對廢棄電路板先加熱后振動實現(xiàn)電子元件拆卸的處理設(shè)備。

綜觀上述電子元件拆卸技術(shù)，幾乎所有的拆卸裝置都只能對廢棄電路板進行逐一處理，目的是為了最大限度分離和循環(huán)再利用廢棄電路板上的電子元器件，對焊錫的分離回收并未做考慮，這是所有拆卸技術(shù)共同存在的問題。此外，大多數(shù)廢棄電路板卻沒有拆卸的價值，拆卸前需要對廢棄電路板進行人工挑選和測試，這可能是目前拆卸電子元件技術(shù)沒有得到廣泛使用的根本原因。

三、結(jié)語

始進行廢棄電路板電子元件的拆卸研究。2005年，海爾集團研發(fā)了一種先對廢棄電路板加熱，然后通過擊打的方式實現(xiàn)電子元件拆卸的方法與裝置；2006年，合肥工業(yè)大學(xué)研究了在液態(tài)加熱介質(zhì)中加熱廢棄電路板至焊錫熔化后，再通過超聲波和機械振動拆卸電子元件的方法與裝置；2007年，機械科學(xué)研究總院研究了電子元件拆卸力學(xué)模型，并設(shè)計了一種紅外加熱箱加熱廢棄電路板，通過對其實施沖擊將電子元件拆卸；2008年，湖南萬容科技有限公司研究了一種先對電路板進行加熱再采用高頻率振動的方式實現(xiàn)電子元件脫落的設(shè)備；解放

濕法冶金技術(shù)回收廢棄電路板焊錫具有工藝流程復(fù)雜、回收成本高等缺點，且會對環(huán)境造成威脅。目前對廢棄電路板焊錫回收研究較多的是機械分離法，但大部分技術(shù)只能逐塊處理廢棄電路板，在處理規(guī)模和回收效率等方面存在很大的局限性，且處理成本也很高。機械拆卸電子元件的方法雖然在拆卸過程中有部分焊錫脫離廢棄電路板，但其目的是為了分離和循環(huán)再利用電子元器件，對焊錫的分離回收并未做考慮，而且也具有處理效率低、成本高等缺點。因此，現(xiàn)有的廢棄電路板焊錫回收技術(shù)還不能滿足工業(yè)化的要求，需要我們進一步研究和開發(fā)新的處理工藝與設(shè)備，改變現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，以滿足處理形式產(chǎn)業(yè)化、資源回收最大化、處理技術(shù)科學(xué)化的要求。

略