（机械制造及其自动化专业论文）废弃印刷电路板处理关键技术研究及其设备研制.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文通过国内外废弃印刷电路板的处理现状，初步探索了各处理处置方 法的发展前景，明确了物理机械法是种能实现废弃印刷电路板资源化回收 利用的方法，而废弃电路板上电子元器件的自动拆卸技术是该方法实现的关键 技术，在此基础上对我国现有废弃印刷电路板的处理工艺进行了优化。 在分析了废弃印刷电路板的机械特性和物理特性以及电子元件的连接方 式的基础上，提出了加热脱焊是拆卸电子元件的必要前提。并对各种加热方 式方法进行了分析比较，提出了新的拆卸方法。该方法是先用以空气或焊锡 为加热介质的间接加热方式对焊锡进行加热，然后通过冲击振动作用去除焊 锡，从而拆卸电子元件。 通过对废弃印刷电路板上不同电子元件的特点分析，提出了单独拆卸技 术和同步拆卸技术。针对不同类型的电子元件建立了相应的拆卸力模型并进 行了验证，为下一步的自动拆卸装置设计打下了基础。 基于以上理论研究，对自动拆卸设备的主体结构进行了创新性设计，设 计出了带有通过式连续加热炉的自动拆卸设备。 关键词：废弃印刷电路板物理机械法电子元件自动拆卸 西南科技大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t b a s e do nd o m e s t i ca n do v e r s e a s ( p c b ) s c r a p ，t h i sp a p e re l e m e n t a r i l y d i s p o s a la c t u a l i t yo fp r i n t e dc i r c u i tb o a r d e x p l o r e dt h ef o r e g r o u n do fe a c hd i s p o s a l m e n t h o d t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lm e t h o dw a sat e c h n o l o g yt h a tc o u l d d i s p o s e dt h ep c b ss c r a p ，w h o s ek e yt e c h n o l o g yi st h ea u t o m a t i cd i s a s s e m b l y t e c h n o l o g yo f p c b se l e c t r o n i cc o m p o n e n t s o nt h eb a s i so ft h ea b o v em e n t i o n e d ， t h i sp a p e ro p t i m i z e dt h ec u r r e n tp r o c e s so fp c b ss c r a pd i s p o s a l w i t ht h ea n a l y s i so ft h em e c h a n i c a ls p e c i a l t y , p h y s i c a lp r o p e r t ya n dt h e a d h e r i n gf o r mo fc o m p o n e n t so fp c b ss c r a p ，t h ep a p e rp u tf o r w a r dt h a t d i s a s s e m b l i n gt h ep c b ss o l d e r i n gt i nb yh e a t i n gi st h en e c e s s a r yp r e c o n d i t i o nt o d i s a s s e m b l et h ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t s t h e nc o m p a r i n gt h eh e a t i n gm e t h o dw i t h e a c ho t h e r , t h ep a p e rp r e s e n t e dan e wd i a s a s s e m b l yw a yo fp c b ss c r a p ，u s i n ga i r o rs o d e r i n gt i na sh e a t i n gm e d i u mt oh e a ts o d e r i n gt i n ，t h e nd i s a s s e m b l i n gi tb y i m p a c ta n dv i b r a t i o n ，c o n s e q u e n t l yd i s a s s e m b l i n gt h ep c b sc o m p o n e n t s t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tt y p e so fc o m p o n e n t s o np c bs c r a p ，t h i sp a p e rs h o w nt h es e p a r e a t ea n ds y n c h r o n i z a t i o nd i s a s s e m b l y t e c h n o l o g i e s ，a n de s t a b l i s h e dd i f f e r e n td i s a s s e m b l yf o r c em o d e l ，a n dw h i c hh a s b e e nv e r i f i e db ye x p e r i m e n t t h o s em a d eaf o u n d a t i o nf o rt h ed i s a s s e m b l y e q u i p m e n td e s i g n b a s e do nt h eu p o nr e s e a r c ha b o v e ，t h ep a p e rm a d eai n n o v a t i v ed e s i g nf o r t h em a i ns t r u c t u r eo ft h ed i s a s s e m b l ee q u i p m e n to fp c b sc o m p o n e n t s a n d d e s i g n e dan e wd i s a s s e m b l ye q u i p m e n tw i t ht h et h r o u g hc o n t i n u o u sf u r n a c e k e yw ords ：p r i n t e dc i r c u i tb o a r d m e t h o d ；c o m p o n e n t ； ( p c b ) s c r a p ；p h y s i c a la n dm e c h a n i c a l a u t o m a t i cd is a s s e m b l y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 一易 日期：w p 1 譬 i 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签 名：铆留 导师 日期：伽7 础 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1 课题研究的背景和意义 印刷电路板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，简称p c b ) 是电子工业应用的重 要组成部分，广泛地应用于计算机及元器件、通讯设备、测量和控制仪器仪 表、家用电子用具等领域，。随着技术的进步和信息产业的飞速发展，促使 电子产品的更新换代不断的加快，接踵而来的被淘汰和因使用寿命到期而报 废的印制电路板形成了巨大的电子电路板废弃物。据中国统计局数据测算， 我国城镇居民中，电冰箱的社会保有量达1 5 亿台，洗衣机1 9 亿台，电视 机更是高达3 7 亿台乜，随着这些大型家用电器使用年限的临近，今后几年 将进入更新期的电冰箱每年约4 0 0 万台，洗衣机5 0 0 万台，电视机5 0 0 万台 1 3 - 4 1 。而近年来我国电脑、手机、m p 3 等新型电子消费品消费需求的激增，更 新换代速度加快，也促成了电子废弃物和废弃电路板的急速增长。另外，从 国外走私进口的电子废弃物也将产生大量的废弃电路板。据不完全统计，每 年拆解和处理从全国各地购进和部分走私进来的废旧电子电器产品达5 5 万 吨( 1 9 9 7 年至1 9 9 9 年高峰期年拆解1 0 0 万吨) 以上，其中大型电话交换机、 电机、电脑、家用电器4 0 多万吨，电路板1 5 万多吨，并且这组数字每年 都在趋于增长。 在废弃电路板中含有大量的重金属和其他有毒有害成分，如多氯联苯、 汞、铅等，而且其所含有镉和溴化阻燃剂等是使人体致畸、致突变、致癌的 物质，在处理过程中稍有不慎，这些有害物质就将进入地下水或空气中，严 重污染环境，危害人类健康。虽然电路板中含有毒有害材料，但同时它也具 有相当高的经济价值。瑞典的r o n n s k a n 冶炼厂，分析个人计算机( p c ) 中使用 的电路板各种金属元素的组成，含有金、银等贵金属，金属的含量高达4 9 ，； 而废弃手机电路板中也含有铜( c u ) 、金( a u ) 、银( a g ) 、钯( p d ) 等有价金属， 其含量为：含金8 0 9 t 、银3 3 k g t 、铜2 6 8 k g t 、钯l o o g t ”。金矿的含 金量即品位低至3 9 t 也有开采价值，即使经选矿得到的精矿也只有7 0 9 t 左右。我国铂族金属的平均品位只有0 4 9 t ，世界铂族金属矿的品位 0 6 - 2 3 9 t ，铜矿、银矿也达不到上述含量。废弃电路板也含有硅和氧化铝， 以及碱土金属氧化物、云母和钛酸钡( 一种铁电材料) 等陶瓷，和主要由镓、 硅、硒、锗等半导体材料组分n ”。不同电子设备的电路板中元素的组成和含 量是有差别的，电视机中印刷电路板上的贵金属含量比计算机少，铁、铅和 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 镍含量多，但所有含元素的种类基本相同n ”。 印刷电路板中的金属品位相当于普通矿物中金属品位的几十至几百倍， 金属的含量高达4 0 以上，最多的是铜，此外还有金、锡、镍、铅、硅等金 属，其中不乏稀有金属n ”，而自然界中的富矿金属含量通常情况下也只不过 3 - 5 。另外，废旧印制电路板的非金属废渣可以作为建材原料利用。同时， 废旧印制电路板上的焊锡以及塑料等物质也是可以被回收利用的重要资源。 因此，如何有效地进行废弃电路板等电子废弃物的资源化回收处理，己 经成为当前关系到我国经济、社会和环境可持续发展及我国再生资源回收利 用要面临的一个新课题。实现废弃电路板的资源化，有利于防治污染，保护 环境；有利于资源的循环利用；节省了开采、冶炼、加工需要的大量能源， 促进资源的可持续发展。因此各国及地区纷纷颁布一系列的法令法规、制定 一系列的政策来规范电子废弃物的回收，如表i - i 所示。 这些法律法规的制定和实施反映了世界各国对于妥善处理电子废弃物的 重视。因此，如何实现电子废弃物无害化回收，实现其再资源化，对于减轻 环境压力，防止环境污染，提高资源的再利用率，确保电子工业的可持续性 发展有着十分重要的现实意义和理论意义。 1 2废弃印刷电路板的特性及废弃情况 1 2 1电路板的结构及组成 印刷电路板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，简称p c b ) 与通常所说的印制线 路板( p r i n t e dw i r i n gb o a r d ，简称p w b ) 有所区别。p c b 是指在绝缘基材上 按预定设计形成的印刷元件和印制线路以及二者结合的导电图形，主要由印 制线路板，电阻、电容、集成块等电子元件以及焊锡构成。p w b 是指在绝缘 基材上形成的导电图形，用于元器件之间的连接，不包括印制元件n “。 线路板是由基板( 也叫覆铜板) 光蚀刻或化学铜沉淀加工而成，基板由高 分子聚合物( 树脂) 、玻璃纤维或牛皮纸及高纯度铜箔粘结而成，将玻璃纤维 等强化材料通过上胶机和环氧树脂等粘结材料交联形成粘结片，然后再在层 压机中将粘结片和铜箔按照设计要求层叠起来，粘结片受热受压先软化、熔 融，高分子物变为粘流态，随着温度逐步升高和时问增加，固化剂和环氧树 脂起固化反应，固化反应完成后，粘结片与铜箔层牢固粘结而成基板n “。 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 表1 - 1各国或地区关于电子废弃物处理颁布的法令法规“耵 t a b 1 - 1t h ei a f ta n dr e g u i a t i o n so nw e e ei ns o m ec o u n t rj e sa n dr e g j o n s 欧盟制造商责任制1 9 9 3 对设计、制造、用料标识、有害物质禁用期限、处 理要求、回收率、再生材料的使用及其分类回收体 系的建立都提出了明确的要求 废弃电子电气2 0 0 3 要求欧盟市场上流通的电子电气设备的生产商必 产品指( w e e e须在法律意义上承担起支付自己报废产品回收费 指令)用的责任，该指令已于2 0 0 5 年8 月1 3 日开始正式 实施 电户电气设备 中禁止使用某 些有害物质指 令( r o h s 指令) 2 0 0 3 要求所有在欧盟市场上出售的电子电气设备必须 禁止使用铅、水银、六价铬等重金属，以及聚溴三 苯醚( p b d e ) 和聚溴联苯( p b b ) 等阻燃剂，r o h s 指令 也己于2 0 0 6 年7 月1 日正式开始实施 日本废旧家电回收1 9 9 8 规定家用电器制造商和进口商对电冰箱、电视机： 法洗衣机、空调这四种家用电器有回收和实施再商品 化的义务，即必须按一定的比例从废家电中回收有 用的资源并再次制造成产品出售 中国电子废弃物污 2 0 0 5 规定了产生电子废弃物的单位和个人，应当承担电 染环境防治管子废弃物污染防治的责任，并对电子废弃物的收 理办法( 征求意 集、储存、拆解、利用和处置提出了要求，禁止采 见稿)用落后的技术、工艺和设备拆解、利用和处置电子 废弃物 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 基板加工成线路板的方法主要有减除法和加成法两种n ”。前者是以铜箔 基板为基材，经印刷或压膜曝光、显像的方式在基材上形成了一个线路图案 的铜箔保护层，然后将基板面上线路部分以外的铜箔溶蚀除去，再剥除覆盖 在线路上的感光性干膜阻剂或油膜，以形成电子线路；后者则采用未压覆铜 箔的基板，以化学铜沉积的方法，在基板上进行铜沉积，以形成导体线路。 线路板仅仅是电子元件的载体，用来支持电子元件的连接，电子元件才 是实现电子电器各项功能的主体，对计算机主板研究发现，电子元件、线路 板和焊锡三者所占比重约为5 8 、3 7 和5 。一般情况下，元器件的安装有3 种方式：插入式安装、表面贴装、元器件直接安装。插入式安装是将元器件 插入到电路板的导孔中，然后在另一面进行焊接；表面贴装是将表面贴装的 元器件焊接在元器件的同一层面；元器件直接安装是将元器件直接粘在基板 上，然后采用线焊法、载带法、倒装法、梁式引线法等封装技术连接到电路 板上，其焊接面在元器件同一层面。目前元器件的安装多数采用插入式，而 插入式需要在连通导线交汇处钻上一个公共孔，这个孔一般称为过孔。过孔 包括三类：通孔、埋孔和盲孔。通孔是从项层到底层穿透式过孔；埋孔是内 层间的深埋过孔；盲孔是从顶层到内层或从内层到底层的过孔n ”。 印刷电路板的种类繁多，按绝缘材料分，有纸基板、玻璃布基板和合成纤 维板；按粘接剂树脂分，有酚醛、环氧和聚脂等；按结构分，有单面板、双面 板、多层板和软印刷板；按用途分，有通用型和特殊型。电路板主要由基板、 各类电阻( 碳膜电阻、金属膜电阻、氧化金属膜电阻、绕线电阻器和排列电阻) 、 电容和晶体管、集成电路、引线框架材料、封装材料和引线材料组成c 1 9 - 2 0 。 1 2 2 印刷电路板的生产及废弃概况 印刷电路板( p c b ) 是电子工业应用的基础部分，从计算机、手机、电视机 到电子玩具等，几乎所有的电子产品中都有电路板的存在。随着电子工业的 迅速发展，对其中的核心部件电子电路板的需求量也日益增加。据有关资料 介绍，世界印制电路板工业的平均年增长率为8 7 ，我国的增长率为2 0 左 右陋”。到目前为止，全球约2 7 以上的印制电路板都在中国生产，我国已成 为全球第一大印制电路板生产国k ”。在我国( 大陆地区) ，2 0 0 6 年电路板产 量达到1 3 万亿平方米，按照平均每万平方米重量3 0 吨估算，总重量达3 9 万吨。而覆铜箔板基材加工成电路板的材料利用率约9 0 ，即印制电路板生 产企业年消耗基材约1 4 4 4 0 万平方米，产生的边角废料约1 4 4 0 万平方米，按 照平均每万平方米重量2 5 吨估算，边角废料就有3 6 万吨；此外，基材生产 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 企业边废料约为其成品的7 ，可推算出c c l 产生的边角废料为2 5 万吨：成 品印制电路板在整机厂利用率约9 5 ，可推算出整机厂产生的边角废料为2 o 万吨。上述三项总和为8 1 万吨晗”。另外每年大量进口的废弃电器及中国大 陆报废电子产品拆解的废旧电路板，其总量达4 0 万吨以上。如被称为全世界 最大电子垃圾拆解基地的贵屿镇，每年回收的电子垃圾在百万吨级以上，而 电路板在电子垃圾中所占比重约为1 5 ，仅贵屿地，每年所产生的废旧电 路板就达1 5 万吨左右。由以上可知废弃电路板的主要来源于三个方面： ( 1 ) 来自废弃电子电器产品中的电路板。 ( 2 ) 国际走私渠道( 包括通过一般贸易或加工贸易形式以旧机电产品进 入国内的电子电器废物，其中含有相当数量的废弃电路板) 。 ( 3 ) 电路板生产加工过程产生的不良产品，以及电路板安装过程中产生 的瑕疵产品。 其中，来自于电子废弃物中的电路板又占据着主要地位，据估计，废弃 电路板在电子废弃物中所占的比重为3 左右。有关资料表明中国大陆每年需 要处理掉的废印制电路板在5 0 万吨以上n ”。 1 3 废弃印刷电路板的处理方法 废弃印刷电路板的回收处理是一个相当复杂的问题，由于材料组成和结 合方式复杂、单体解离粒度小，不容易实现分离。非金属成分则主要是含特 殊添加剂的热固性塑料，处置起来比较困难。目前，回收技术的基本发展方 向是实现包括铁磁体、有色金属、贵金属和有机物质的全部材料再利用。现 在最常用的回收技术主要有火法冶金、湿法冶金、生物处理方法、物理机械 处理方法或几种技术相结合的方法幢“。 ( 1 ) 火法冶金 从废弃印刷电路板中提取贵金属的火法冶金工艺是一种重要的废弃电子 电器处理方法，其基本原理是利用冶金炉高温加热剥离非金属物质，贵金属 焙融于其它金属熔炼物料或熔盐中，再加以分选心”。非金属物质主要是印刷 电路板基板材料等，一般呈浮渣物分选去除，而贵金属与其它金属呈合金态 流出，再精炼或电解处理。该工艺方法在8 0 年代应用较为普遍，具有简单、 方便和回收率高的特点。但也存在许多缺点，主要有：印刷电路版上粘结 剂和其他有机物等经焚烧会产生大量有害气体形成二次污染易造成有毒气体 逸出；大量浮渣的排放又增加了二次固体废弃物，同时浮渣中残存的一些 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 有用金属也被弃掉；其他有色金属回收率低；能耗大，处理设备昂贵， 经济上获益不高。 ( 2 ) 湿法冶金 湿法冶金提取贵金属技术于7 0 年代始于西方发达国家，该技术的基本原 理是利用贵金属能溶解在硝酸、王水或其他苛性酸中的特点，将其从电子废 料中脱除，并从液相中加以回收扭”。由于湿法冶金技术的废气排放少、提取 贵金属后的残留物易于处理、经济效益显著、工艺流程相对简单，所以它比 火法冶金提取贵金属技术的应用更加普及和广泛。尽管与火法冶金相比具有 一定的优越性，但也存在着许多弊端。例如：不能直接处理复杂的电路板； 部分金属的浸出效率低，作用有限；当金属被覆盖或敷有焊锡时回收率较 低，包裹在陶瓷中的贵金属更是无法通过湿法回收；浸出液及残渣具有腐 蚀性及毒性，若处理不当，易引起更为严重的二次污染；只能回收贵金属 及铜等金属，不能回收其他金属及非金属成分等。 ( 3 ) 生物技术处理 利用细菌浸取或富集贵金属是2 0 世纪8 0 年代开始研究的提取低含量物 料中贵金属的新技术，也称为微生物湿法冶金，包括微生物氧化浸出和微生 物积累和吸附乜”。生物技术提取金等贵金属，具有工艺简单，操作方便，环 境污染小，成本低等优势，在微生物治理废水、废气方面已有产业化的应用， 它可能代表着未来技术发展的方向，但此方法浸取时间较长，浸取率较低， 在电子废弃处理方面，目前尚无真正使用，而且生物方法只是对贵金属进行 提取，有一定的局限性。 ( 4 ) 物理机械处理方法 物理机械处理方法最早始于7 0 年代末美国矿产局。8 0 年代后，在欧洲、 亚洲形成工业规模应用。物理机械处理方法是根据物质的物理特性，包括密 度、导电性、磁性和韧性等存在的差异来回收废弃印刷线路板，包括拆卸、 破碎、分选等关键技术，因为不需考虑产品干燥和污水处置等问题，符合当 前的市场要求m ，。所以，物理机械法是一种能实现废弃印刷电路板资源化回 收利用的方法。因此，物理机械处理技术与其它处理技术相比具有一定的优 越性。因而各国相继对其进行了研究并应用。下面分别介绍一下物理机械处 理方法的各个关键技术： 拆卸 拆卸是指将电路板中的电子元件从基板上拆解的过程或方法。由于元器 件内部材料组成极为复杂，通过破碎、分选方法回收处理带元器件的电路板， 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 不仅工艺复杂、难度大、回收处理成本高，而且回收环境性影响大。所以通 常做法是在回收处理之前将电路板上的元器件取下。同时，因为元器件的工 作大多是依靠电子运动来完成，所以元器件几乎是没有寿命极限的。所以取 下的元器件通过检测后还可以使用，具有一定的经济价值。但随着电子工业 的不断发展，在元器件安装上采用了高集成度的封装技术及贴片工艺，这些 元器件趋向于小型化、高密度，要想高效同时又无损伤地将元器件从电路板 上拆卸下来非常困难。在回收处理的初期，通常采用手工拆卸的方法，但随 着废弃电路板数量的增加，高效的元器件拆卸方法与装备就显得非常必要。 破碎 用物理机械法对废p c b 进行高效分离回收的关键是要保证单体充分解 离。解离或破碎程度不仅影响到破碎设备的能源消耗，还影响后续的分选效 率。不同的分选方法对物料有不同的要求，破碎后颗粒的形状和大小均会影 响分选的效率和效果。由于废线路板组成复杂、破碎过程中会产生大量含玻 璃纤维和树脂的粉尘，散发毒气，连续破碎还会导致发热，这都给单体解离 带来了难题。因此必须根据p c b 的物理及机械特性设计出与其相适应的破碎 装置。相关的破碎机主要有：捣式粉碎机、旋转剪切冲击式粉碎机、滚压式 粉碎机和低温粉碎等设备。 分选 分离分选方法的选择主要是利用物料颗粒的粒度、形状、密度、磁性、 电性、机械强度等物理或化学性质的差异进行的。要保证所采用的技术或工 艺既能最大限度地回收有用成分，又要减少对环境的一次污染。在确定方案 前必须对技术的可行性及经济和环境效益进行全方位的分析比较。已有的实 践说明，采用粉碎、筛分、气流分级、磁选、电选等干法分离技术应该作为 日前及今后解决废弃线路板回收利用问题的主攻方向。 1 4废弃印刷电路板的处理现状 从上一节可知，目前废弃印刷电路板的处理方法主要有火法冶金、湿法 冶金、生物处理方法、物理机械处理方法或几种技术相结合的方法。物理机 械处理方法是根据物质的物理特性，包括密度、导电性、磁性和韧性等存在 的差异来回收废弃印刷线路板，包括拆卸、破碎、分选等关键技术，具有投 资少、环境污染小、综合利用率高、附加值大等优点。物理机械法是一种能 实现废弃印刷电路板资源化回收利用的方法，是国内外目前研究应用最为广 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 泛的一种方法，也是废弃印刷电路板处理的发展趋势。 1 4 1国外废弃印刷电路板的处理现状 在废弃电路板的物理机械法回收领域，就技术而言，国外处于领先地位， 特别是欧洲、美国、日本等地区和国家产生了许多专利，有些已经实现了工 业化，在一些发达国家，围绕着废弃电路板的合理处置与资源回收等方面的 研究和探索工作非常活跃，提出了许多新的处理技术和方法。图1 - 1 是国外 常用的废弃印刷电路板处理过程简图。 图1 - 1国外常用的废弃印刷电路板处理过程简图 ( 1 ) 拆卸 日本n e c 公司开发了一套自动拆卸废电路板中电子元器件的装置门”。这 种装置主要利用红外加热和两级去除的方式( 分别利用垂直和水平方向的冲 击力作用) 使穿孔元件和表面元件脱落，不会造成任何损伤。然后再结合加热、 冲击力和表面剥蚀技术，使电路板上9 6 的焊料脱焊，用作精炼铅和锡的原 料。 德国的f a p s 一直在研究废电路板的自动拆卸方法，采用与电路板自动装 配方式相反的原则进行拆卸，先将废电路板放入加热的液体中融化焊料，再用 一种s c a r a 机械装置根据构件的形状分检出可用的构件m 1 。另外德国的 k f e l d m a n n 和h s c h e l l e r 在1 9 9 4 年提出了自动拆卸单元模型，它是在自 动处理过程前把可重新利用的部分和有毒部分拆除，再通过三维识别系统鉴 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 别和获取元器件上的信息，通过预定力来拆卸已经选定的元器件，保留下来 的元器件被送往下一个拆卸工位n 。 澳大利亚r k n o t h 等人采用半自动拆卸技术，运用新的理念，通过柔性 拆卸单元( f 1 e x i b l ed i s a s s e m b l yc e l l ) 和拆卸组对印刷电路板进行拆卸。 其中拆卸单元包括：工业机械手、特殊拆卸工具、产品信息存储系统、元器 件识别系统、中央控制系统等协”。 奥地利维也纳工业大学的z e b e d i n 等人提出了一种柔性半自动拆除单元 口，。这个单元由四个计算机和若干p l c 控制模块组成，包括一个视觉系统， 一个传输系统，一个去除焊锡系统和一个机械人系统。视觉系统通过一个高 质量的图像探测系统将芯片分为贵重的、环境有害的和其它的三大类。前两 种芯片通过一个混合去焊锡机器人去除。去除焊锡系统用来去除s w d 、t h d 部件，其它复杂的连结由机器人系统去除。拆除完成之后，机器人系统也可 以收集元件并传送到后面的处理系统。国外还有采用颗粒碰撞操作法，通过 微小颗粒对元器件引脚进行撞击，引脚在微粒的连续撞击下折断，达到元器 件脱落的效果。这种方法对微粒的尺寸要求很高，而且元器件遭到撞击容易 损坏。 ( 2 ) 破碎与分选 拆除电子元件后的线路板主要由强化树脂层压板、塑料以及附着其上的 金属组成，硬度较高、韧性较强，采用具有剪、切作用的破碎设备可以达到 较好的解离效果。常用的破碎设备主要有切碎机、旋转破碎机、锤碎机、锤 磨机等。 圈1 - 2日本n e c 公司开发的废弃印刷电路板处理工艺 f i g 1 2 t h ep r o c e s sd i a g r a mo f fp c b ss c r a pd is p o s a io fn e c 日本n e c 公司开发了两段式破碎法以及铜粉回收工艺( 见图1 - 2 ) ，利用 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 具有选择破碎功能的破碎机将废旧电路板粉碎成小于l m m 的粉末，这时铜基 本解离，而且铜的粒径大于玻璃纤维和树脂，再经过两级分选即可获得品位 较高的铜。该工艺采用特制破碎设备将废线路板粉碎成小l m m 的粉末，使铜 很好地解离，再经过两段分选即可得到铜质量分数约为8 2 的铜粉，最终线 路板中9 4 的铜可得到回收”钉。 德国己建成了一个年处理能力达2 1 0 0 0 吨电子废弃物的综合处理厂，能 处理的电子废弃物的具体的工艺路线为们：将构件手工拆卸，分成电路板、 电缆、电子元件、机壳和显像管等几组，部分元件可以直接用于新产品中： 分别对各组分进行破碎，实现单体解离。常用的破碎机械是切碎机和锤碎 机；对破碎后的物料进行多级分选，第一级分选一般为重选，尽可能将各 种塑料和轻质垃圾排出，采用的设备是摇床和旋流器；第二级分选为磁选， 实现铁与其他金属的分离。该处理厂将最终获得的塑料、玻璃和不同的金属 富集，分别送到不同的部门进行提炼处理。经过处理，9 0 的物料可以得到回 收而成为原材料，剩余的1 0 残渣则被填埋或焚烧。另外德国d b u r c 公司开 发了四段式机械处理工艺( 见图1 - 3 ) ：预破碎、液氮冷冻后粉碎、筛分、静 电分选门”。其显著的特点是将电路板冷冻后破碎，这一做法提高了破碎效率， 减少了破碎成本。 图卜3德国d b u r c 公司开发的废弃印刷电路板处理工艺 瑞典的s c a n d i n a v i a n ，r e c y c l i n ga b ( s r ) 是世界上最大的回收公司之一， 一直致力于实施和开发电子废弃物的机械处理技术和设备。电子废弃物先经 手工或机械拆卸后，分成电路板、电缆电线、塑料机壳、显象管等部件，然 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 后根据各自特点分别处理回收，流程般相似，主要是破碎、磁分选和风力 分选b ”。另外瑞典的张顺利博士在废旧电路板的回收方面做了许多研究b “o 】： 以物料的浮沉实验为基础，研究了废旧电路板中物料的解离情况；利用空气 摇床从塑料与玻璃纤维中回收金属，并对空气摇床的分离理论与工艺进行重 点研究；使用涡流电选机回收铝；张顺利博士对影响分选的八种因素进行正 交实验研究。 1 4 2国内废弃印刷电路板的处理现状 ( 1 ) 拆卸 国内在自动拆卸废板电子元件方面的研究较少，相关的报道文献也不多， 应该说还处于一种摸索阶段，至今仍然没有较为成熟可行的技术方案，仅有几个 专利的报道，而真正的实用技术和国外还有很大的差别。 中国发明专利c n l 8 3 2 6 6 3 a 提出电路板液态导热介质中脱焊分离器件的 方法及装置。将焊接有电子元件的待处理线路板浸没在液态导热介质中，保 持液态介质温度在焊锡熔点以上，待焊锡熔化后分别收集焊锡、线路板和元 器件。 中国发明专利c n l 5 9 0 0 3 2 a 钉提出了一种将电路板上电子元件拆除下来的 电子元件载具，主要是一个夹持器固定在固定框上，将电路板夹持在该夹持 器上，当回流焊炉内温度高于预定温度时，用一个冲击器震落该电路板上电 子元件，承载器用于承载从该电路板上震落的电子元件。 中国发明专利c n l 6 0 0 4 5 8 a h 3 ，提出了一种从焊有电子元件的电路板上分 拆和回收电子元件和焊料的方法。由装置上方的吹风口对电路板上表面吹热 空气，保持电路板上的焊料合金处于熔融状态。紧贴着处理电路板下表面的 机械滚刷沿电路板运动反方向滚动，通过滚刷上刷毛的机械力把电路板电子 元件扫下，滚刷旁边的强力吸头吸入松动和散落的电子元件和焊料合金。 中国发明专利c n l o l 0 1 4 2 2 9 a n 钉提出了一种将电子元件从废旧电路板上整 体拆除的方法与设备。将电路板固定或是采用限位箱盛装电路板，对电路板 进行加热，通过活动冲击杆给电路板固定装置实施冲击，采用激振装置的弹 性钢带来分离、收集电子元件和焊锡，冷却后再对电路板基板和电子元件进 行分类分拣。 ( 2 ) 破碎与分选 当前，我国对于废弃电路板的回收处理研究主要集中在科研机构，已有 的回收处理设备又多以线路板的处理为主，对带有电子元件的线路板( 电路板) 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 处理技术研究较少。 北京航空航天大学的沈志刚、麻树林、连棋祥5 ，等采用二次机械破碎， 把片状线路板粉碎成已完全解离的金属材料和非金属材料混合粉，然后使用 空气分离技术，把混合粉中的金属粉与非金属粉完全分离且分别回收。该方 法回收的金属材料纯度为9 5 ，金属材料的回收率达到9 5 ；生产过程全封闭， 不产生二次污染，回收的金属材料和非金属材料均可以被重新利用。 中国矿业大学段晨龙h 耵等人采用脉动气流分选技术进行废弃电路板的资 源化研究。废弃电路板经过粗碎、细碎两级粉碎后，再进行筛分，得到不同 粒度的颗粒，最后根据颗粒大小分别进行气流分选。研究发现气流分选适合 废弃线路板的分选：而对于带有电子元件的电路板，由于金属和非金属组分 相当复杂，金属富集体的回收率和品味会明显降低。 浙江丰利粉碎设备有限公司研发的f x s 废旧电子线路板回收处理成套设 备4 7 ，采用强力破碎机、中碎机、精细粉碎机、超微分级机等机械粉碎将线 路板解离，运用高压静电分离工艺进行金属物与非金属物的分选。该设备能 对各类废旧线路板及生产厂家的加工废料进行机械粉碎回收处理，金属回收 率高，回收的金属纯度达9 7 。整个回收工艺如图卜4 所示。 图1 - 4f x s 废弃印刷电路板处理工艺路线 f i g 1 4 t h ep r o c e s sd i a g r a mo np c b ss c r a pd ls p o s a io ff x s 湖南万容科技有限公司开发了“废弃电路板综合利用 成套设备“。该 设备主要由以下几个系统构成：粗碎与物料输送系统、高速粉碎解离系统、 金属粉末提纯收集系统、非金属粉末分级与收集系统、粉尘及尾气收集与除 噪系统、自动控制系统等。设备采用高速涡流粉碎与微粉解离技术，利用高 速运转叶轮在特殊设计的金属腔体内形成高速涡流，将粗碎后带有金属镀层 的电路板粒料送入后，使之相互之间发生剧烈碰撞而发生解离，同时，利用 空气动力学原理，使发生解离后的金属粉末与非金属粉末完全分离。金属回 收率达9 6 以上，分离的非金属粉末可实现再利用。 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 1 4 3 国内外废弃印刷电路板处理技术比较 以上分析可知，我国的电路板回收处理技术还处于起步阶段，多数研究 仅限于电路板基板的回收，即线路板的处理，而电路板电子元件拆除技术等 精细的处理方法研究很少，对于废弃电路板的处理，通常采用的处理方式是 直接整体破碎回收原材料，资源浪费严重，对环境影响大。国外对电路板的 回收处理更加注重电子元件的再利用，尽量延长电子元件的使用寿命，以此 来降低生产新元件的材料需求量和生产过程中引起的废物排放量，实现资源 和能源的节约。对比国内外的处理流程可以看出，国外进行废弃电路板处理 时将电子元件的拆卸再利用作为独立的环节，使资源得到充分利用。电子元 件的拆卸而再利用对整个社会节能节材的效果非常明显，主要体现有： ( 1 ) 电子元件的再利用大大节约了能源和自然资源、填埋空间，还能通 过减少材料重熔，以此减少再循环过程中造成的空气污染。 ( 2 ) 电子元件的拆除有利于基板的破碎，简化了后续工艺，降低了处理 成本，对于有毒有害的电子元件，还可单独处理。 ( 3 ) 电子元件的再利用不仅是一种最环保的生产方式，而且也是最经济 的生产方式，合格的二手元件不仅能达到新品的质量，而且价格仅为新品的 4 0 一8 0 。 ( 4 ) 通过拆除，可再利用的电子元件能赋予新的生命，延长了电子元件 的循环周期，使其全部价值得到充分发挥。 ( 5 ) 增加废弃电路板电子元件的拆除工序，不仅能创造更多的工作岗位 而且企业通过出售二手元件可以得到额外的利润，上缴大量的利税。 随着科学技术的不断进步，各种电子产品的淘汰速度越来越快，组成电 子产品的各种元件往往还没有达到其生命周期也一并被废弃，不仅对环境造 成极大的压力，而且也造成资源的严重浪费。通过对各类电子元件的回收再 利用可以使元件的生命周期得以延续，并且处理厂商、消费者和环境都会有 显著的回报，达到三方共赢的目标。回收处理厂家通过对元件的再利用，避 免了元件拆解后的再处理成本，能够降低厂家的处理设备投资；消费者是直 接受益者，可以买到物美价廉的电子产品；电子元件的再利用，减少了新产 品制造业所需的材料、能源，更有效地保护了生存环境。 正因如此，工业发达国家对废弃电路板电子元件的拆除非常重视，国外 很多公司已经将电子元件拆卸再利用作为一项主营业务，在拆除技术上有很 大的突破，很多技术已经实现了工业化，而我国关于电子废物回收技术研究 起步晚，技术相对较落后，当前更多的注意力集中在线路板的回收处理，对 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 电路板电子元件的拆卸研究较少，基本处于空白状态，现有的几个专利也存 在不足。专利c n l 8 3 2 6 6 3 a 的不足是拆除下的电子元件、基板和焊锡会附带 液体介质，要再利用电子元件需对其进行清洗，增加了后续处理成本；专利 c n l 5 9 0 0 3 2 a 对较长的插装元件不能实现有效拆除：专利c n l 6 0 0 4 5 8 a 由于电 路板下表面不容易产生较大的负压，对于插装元件的拆除效果不佳；专利 c n i o i o l 4 2 2 9 a 由于每处理一块电路板都需要夹持，影响其处理效率，不利于 工业大规模生产。 虽然发达国家在电子元件拆卸方面已有较成熟的技术，但我们不能一味 照搬国外技术。电子元件再利用技术的研发和设备的制造，必须根据我国的 国情，使用符合本国实际情况的方法和技术。西方发达国家的技术特点是自 动化程度高，建立电子元件庞大数据库，通过各种人工智能模式来识别电子 元件，再借助机械手来完成拆除，所需投入大，设备成本高，这种拆卸技术 能在发达国家得以广泛应用是因为发达国家采用废 e l 电器回收废弃者付费制 度，废旧电器处理企业可以得到相应的经济补偿。因此，研制结构简单、成 本低廉、简单易行、适合大批量处理的适合我国国情电子元件拆卸设备势在必行。 1 5 废弃印刷电路板处理工艺路线 甲 电子元器件 自动拆卸 j + 上 电子元器件 基板破碎 自动分选 1 分选 l l lj r 1r i 按元器件材料不声 i 金属粉末 非金属粉末 j 分类单独回收处理 图卜5 废弃印刷电路板处理工艺路线 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 在利用机械处理技术处理废弃印刷电路板时，预先将废旧电路板上的电 子元器件拆卸下来单独处理，可以富集有价物质，有针对性地制定回收有价物 质的方案、有效地控制有害物质的污染、最大限度地减少处理成本、优化处 理程序。借鉴国内外废弃印刷电路板处理工艺路线的先进经验及教训，设计 出废弃印刷电路板处理最佳工艺路线如图i - 5 所示。 1 6 本课题的研究目的及内容 废弃印刷电路板处理是一个复杂的系统工程。废弃印刷电路板物理机械 处理方法的主要关键技术有：自动拆卸技术、破碎解离技术以及选分技术。 本课题主要针对废弃电路板机械处理的关键技术之一也是目前的重难点技术 一一自动拆卸技术进行重点研究，并初步设计出适合我国国情的自动拆卸装 置。本课题的主要研究内容有： ( 1 ) 废弃电路板的物理特性，机械特性研究。 ( 2 ) 废弃电路板处理工艺路线研究。 ( 3 ) 废弃电路板的电子元器件自动拆卸理论研究。 ( 4 ) 自动拆卸装置设计。 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 2废弃印刷电路板电子元件拆除分析 2 1电路板电子元件的类型及特征 从上一章可知，目前电子元件的安装方式有三种：插入式安装( 也称t h t 技术) 、表面贴装( 又称s m t 技术) 、元器件直接安装。t h t 技术，是在印制 电路板上“通孔”安装元件，然后焊接。表面安装技术，也称s m t 技术，是 伴随无引脚或引脚极短的片状元件的出现而发展并已得到广泛应用的安装焊 接技术。由于两者的焊接工艺存在着很大的差别，故根据安装技术的不同将 电子元件分为表面安装元件( s m d 元件) 和通孔插装元件( t h d 元件) 。 s m d 技术作为新兴的焊接技术比传统的t h d 技术具有更多优势：减少了 焊接工序，提高了生产效率；减少了印制电路板的体积；改善了电路的高频 特性；可以进行计算机控制，全自动安装。但传统的t h d 技术也具有自身的 特点，如连接强度高。因此t h d 技术常用于各类多引脚插槽的安装。t h d 元 件和s m d 元件的焊点形状有很大的差异，t h d 元件的焊点为锥形，而s m d 元 件的焊点为立方体形( 如图2 1 所示) 。 通孔插装元件 图2 - 1焊点的结构 f i g 2 1 t h es t r u e t u r eo fs o i d e rj o i n t s s m d 元件拆卸时所需拆卸力较小，主要是液态焊锡的粘滞力或表面张力， 而t h d 元件为了增加安装强度，安装过程中将其引脚折弯，并且使用过程也可 能造成引脚弯曲，因此拆卸时需克服元件引脚的弯曲力，大大增加了拆卸难 度。研究发现，不管是插装式还是贴片式元器件，要达到拆卸的目的，首先 得脱焊。既要使焊锡脱落干净，又不能损坏元器件，这是目前元器件拆卸难 点之一。由于焊料的强度在温度达到焊料熔点以后会迅速降低，所以通过加 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 热保证元器件所有引脚上的焊料在施加拆卸力之前熔化是有效拆卸元器件的 关键。 2 2 加热焊锡的方式与方法 电路板上的电子元器件是通过焊锡与基板连接的，由于焊锡在受热后会 熔化，从而降低电子元件与基板的连接强度，所以在拆卸电子元件时通过加 热方式使焊锡熔化是有效拆卸电子元件的必要选择。通常，熔化焊锡时，根 据电路板加热方式的不同分为直接加热和间接加热c ”。 2 2 1加热焊锡的方式 ( 1 ) 直接加热 直接加热是指将带有电子元件的电路板直接放到热源上加热，用热源直 接熔化焊锡。直接加热方式熔化焊锡的