（机械制造及其自动化专业论文）废弃电路板dip封装ic芯片的回收方法研究.pdf

废弃电路板d i p 封装i c 芯片的回收方法研究 摘要 随着科技的飞速发展，电子产品的报废数量已经达到高峰阶段。作为电子 工业的基础，印刷电路板( p c b ) 是电子电器产品中重要的组成部分，随着废 弃电路板废弃数量的增加，废弃电路板d i p 封装i c 芯片的数量也呈现急剧上 升的趋势。 废弃电路板上拆卸的元器件中含有大量可再利用的高价值d i p 封装元器 件，而且这些元器件中含有大量的有害物质，如果将这些可再次利用的d i p 封 装元器件与线路板一起进行处理，不仅会造成大量可再生资源的浪费，而且会 对环境产生很多不利的影响。因此开展废弃电路板d i p 封装i c 芯片的回收方 法研究已迫不及待。 本文提出了基于回收策略的回收工艺，建立了定量评估回收成本一收益模 型，并结合两种回收的电子芯片对经济性模型加以说明，并对提高回收经济性 提出了一些建议。提出了废弃电路板d i p 封装芯片的拆除工艺，并通过自主设 计研发的脱焊设备进行了系列拆卸实验，得到了最佳拆卸参数。分析了d i p 封 装i c 芯片引脚变形的原因，比较了国内外现有的引脚整形方法和设备，提出 了一种新型的引脚整形装置。该装置可实现对引脚变形的废弃或新的d i p 芯片 进行粗、精两次整形，完成了整形装置的三维造型设计和详细的部件图设计。 制定了一种典型废弃电路板d i p 封装芯片的测试方案，设计了测试系统，包括 硬件电路的设计、测试程序的编制等。 关键字：d i p 封装；电子元件；回收；整形；引脚 r e s e a r c ho nt h er e c y c l i n gm e t h o df o ri cc h i pp a c k a g e d w i t hd i pf r o md i s c a r d e dp r i n t e dc i r c u i tb o a r d s a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h eq u a n t i t yo f e l e c t r o n i ca p p l i a n c e sw h i c ha r ea b a n d o n e di n c r e a s e sc o n t i n u o u s l y a st h eb a s eo f e l e c t r o n i ci n d u s t r y ，p c b sa r ei m p o r t a n tc o m p o n e n ti ne l e c t r i ca n de l e c t r o n i c e q u i p m e n t w i t ht h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fd i s c a r d e dp r i n t e dc i r c u i tb o a r d s ，t h e n u m b e ro f i cc h i pp a c k a g e db yd i pa l s os h o w ss h a r pu p w a r dt r e n d al a r g en u m b e ro fv a l u a b l ea n dr e c y c l ei cc h i p sp a c k a g e db yd i pc a nb e p r o d u c e dd u r i n gt h ee l e c t r o n i cp r o d u c t s r e c y c l i n ga n dd e m o l i t i o np r o c e s s t h o s e c h i p sc o n t a i nal o to fh a r m f u ls u b s t a n c e s ，i fd e a l i n gt h e mw i t hi m p r o p e rw a y sw i l l d a m a g e se n v i r o n m e n ta n dp e o p l e sh e a l t hs e r i o u s l y s o ，i ti su r g e n tt os t u d yo nt h e r e c y c l em e t h o d sf o ri cc h i pp a c k a g e db yd i pf r o md i s c a r d e d p r i n t e dc i r c u i t b o a r d s t h i st h e s i sp r e s e n t sh i e r a r c h yd i s a s s e m b l ym o d e lb a s e dr e c l a i ms t r a t e g y ，t h e n e s t a b l i s h e sr e c y c l ee c o n o m ym o d e lo fe n d - o f - l i f ei cc h i p sp a c k a g e db yd i pt o e v a l u a t er e c l a i mp r o f i tq u a n t m c a t i o n a l l y ，c o m b i n i n gt w os p e c i f i cd i s a s s e m b l y i n s t a n c e s t h i st h e s i s e x p l a i n st h er e c y c l ee c o n o m ym o d e l a n dg i v e ss o m e s u g g e s t i o n st or a i s et h er e c l a i me c o n o m y t h ed i s m a n t l i n gt e c h n o l o g yi sc o n f i r m e d a n dt h ec r a f ti sc o n s t r u c t e d t h em o s ts u p e r i o re x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n d i s a s s e m b l i n gp a r a m e t e r sa r ef o u n db yas e r i e so fe x p e r i m e n t si nt h ed i s m a n t l i n g e q u i p m e n to fs e l f - d e s i g n e d t h e n ，i ta n a l y z e st h er e a s o nf o rd e f o r m a t i o no ft h e l e a df o o tw i t h i c c h i p sp a c k a g e db yd i pa n dp u t s f o r w a r dan e wt y p eo f p i n s h a p i n gd e v i c e ，a f t e rc o m p a r i n gw i t ht h e c u r r e n tp i n s h a p i n gm e t h o da n d d e v i c ea th o m ea n da b r o a d t h i sd e v i c ec a na c h i e v et h ea i mi n l i n ew i t ht h e s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tb yr o u g ha n df a m o u ss h a p i n go nt h ea b a n d o n e do rn e wi c c h i pp a c k a g e db yd i p a f t e r w a r d ，i td e s i g n st h er e s h a p i n ge q u i p m e n to f e l e c t r o n i c c o m p o n e n t s ，a l s od r a w st h et h r e e - d i m e n s i o n a ld e s i g na n dk e yc o m p o n e n t so f t h e m a p ，w h i c hd e s i g n sat y p i c a li cc h i pt e s tp l a n ，a n dat e s ts y s t e m ，i n c l u d i n gt h ep l a n o fh a r d w a r ec i r c u i ta n dc o m p i l a t i o no ft e s tp r o g r a m k e y w o r d s ：d i pp a c k a g e ；e l e c t r o n i cc h i p s ；r e c y c l e ；d e f o r m a t i o n ；l e a df o o t 插图清单 图1 1全球电子芯片的应用领域1 图1 2日本n e c 公司开发的废弃电路板( 含芯片) 处理工艺4 图1 3美国废弃电子废弃物处理流程5 图1 4电子废弃物处理的基本流程( s ra b ，瑞典) 一5 图1 5废弃电路板元件自动化拆除技术( f a p s ，德国) 6 图1 6浙江温岭地区回收电子废弃物过程7 图1 7含有电子芯片的废弃电路板破碎气流分离系统( 中国矿业大学) 8 图1 8中国熊猫电子有限公司所用的芯片引脚整形装置8 图1 9台湾英业达股份有限公司所用的电子元件引脚整形装置9 图2 1失效率函数曲线1 6 图2 2半导体二极管、三极管伏安特性曲线1 6 图2 3电子芯片的数值分布1 7 图2 4电子工业系统内近几年元器件的生产总量2 0 图2 5废弃d i p 封装芯片循环再利用工艺流程2 1 图2 - 6废旧d i p 封装i c 芯片回收收益成本模型o 一2 5 图3 1电路板上d i p 封装芯片2 8 图3 2加热方式的分类2 9 图3 3废弃电路板上待拆卸的d i p 封装芯片示意图3 l 图3 - 4废弃电路板d i p 封装芯片的拆除工艺3 2 图3 5d i p 元器件拆除装置实物图3 3 图3 - 6d i p 封装元件拆卸装置示意图3 3 图3 7气动敲击手臂示意图一3 4 图3 8d i p 封装芯片拆除率曲线图3 8 图3 - 9某型号电视机主板d i p 封装芯片拆卸效果图3 8 图3 1 0 加热炉图片3 9 图3 1 1d i p 封装芯片后续处理结果3 9 图4 1整形装置结构示意图4 2 图4 2废弃电路板d i p 封装芯片整形装置三维造型图4 4 图4 3压块总成工程图一4 4 图4 4压块总成3 d 图：4 5 图4 5压块总成爆炸图4 5 图4 - 6梳式整形块3 d 图4 5 图4 7底座总成工程图4 6 图4 8底座总成3 d 图4 6 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 13 图4 1 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 底座总成爆炸图4 6 滑块总成工程图4 7 滑块总成3 d 图4 7 刀片3 d 图4 8 连杆机构的的3 d 图4 8 连杆机构运动轨迹示意图4 9 出厂前需检测电子芯片功能故障类别5 0 时延测试硬件类型5 1 系统组成框图5 3 a t 8 9 s 5 1 与w 2 7 c 5 1 2 的连接原理图5 4 8 2 7 9 管理的键盘矩阵5 5 显示部分连接原理图5 6 主程序示意流程图5 7 中断程序流程示意图6 3 表格清单 表1 1废弃电路板主要元器件中包含的化学元素及对环境的危害性一2 表2 1电路板上常见电子芯片的分类及封装形式一1 3 表2 2r j 型金属膜电阻器的额定功率和最大工作电压关系1 8 表2 3常用截面的正应力强度的计算公式1 8 表2 - 42 0 0 7 2 0 0 9 电子元件贸易进出口金额增幅比较1 9 表2 5中国几种家用电器的社会保有量和年淘汰量2 1 表2 6主要材料的回收价格_ 2 6 表2 7回收可重用d i p 封装典型芯片成本分析表2 6 表2 8回收不可重用d i p 封装典型芯片成本分析表2 6 表2 - 9回收d i p 封装典型芯片收益分析表2 6 表2 1 0 废弃d i p 封装典型芯片直接破碎成本收益表2 7 表3 1四种加热方法各项评价指标对比表3 1 表3 2几种无铅焊锡化学成分及熔点范围3 5 表4 1回收的i c 芯片引脚歪斜示意图4 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论丈是本人在导师指导下进行的研究：作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以柄；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 佥8 巴王、业态堂 或其他教育机构的学位或 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 明确的说明并表示谢意。 学位论- 文作者始朱一 签字隰铂怍饵月砧目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目墨王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权佥8 巴王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：粜， 签字日期：z 啪年牛月2 9 自 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：趴，o 年午月：占自 电话： 邮编： 致谢 非常感谢我的导师刘志峰教授，硕士论文的顺利完成离不开他的悉心关怀 和教导，在学术上刘老师具有广阔的视野、前瞻性的眼光、渊博的知识以及清 晰的思路，以高屋建瓴的角度为我的论文指引了研究方向。同时帮助我解决了 论文研究所遇到的难题，高效的办事效率给我留下了极其深刻的印象。 深深感谢王玉琳副教授，宋守许副教授给予的支持和建议。研究期间，他 们的指导和培养，丰富了我的知识，拓宽了我的视野。他们一丝不苟、严谨周 密的治学精神以及乐观向上、宽容豁达的人生态度都将使我终身受益。在此向 王玉琳副教授、宋守许副教授表示深深的谢意和崇高的致意! 感谢刘光复教授、朱家诚老师、张雷老师、黄海鸿老师、张萍老师、何平 老师、吴仲伟老师、周丹老师等绿色所老师们的精心指导和帮助。 感谢陈鹏博士、刘涛博士和钟海兵、刘伟国、闻诚、钟俊、黄娇红、赵子 文、席寅虎等项目组成员在我硕士期间给予的支持和帮助。 感谢李新宇博士、高洋博士、胡迪博士、柯庆镝博士和阳斌、胡祝田、章 王生、魏俊杰、黄宇、杨明、郭卫、孙博、杨德军、许露露、毕道坤、袁小鹤、 魏培、席寅虎、赵流现、王运、王进京、赵健等研究所成员，杨峰、林子均等 同窗好友在生活和学业上给予我的支持与帮助。 感谢我的家人多年来在经济和精神上给予我无私的支持，在此由衷感谢我 的父亲和母亲，没有他们的支持，我不可能完成我的学业。浓浓的亲情无以回 报，谨以此论文献给我挚爱的亲人们。 感谢所有关心和帮助我的老师、同学和亲友，向本文引用过的文献作者表 示感谢。 最后，衷心感谢在百忙之中抽出时间来参加我论文评阅和答辩的各位专 家。 作者：朱一 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 l _ l 课题研究的背景及意义 电子信息技术产业已经成为全球发展最快的产业之。，由此产生的电子垃 圾也快速增长，未来1 0 2 0 年足电子垃圾增长的新高峰，这预示着不断产生且 数量巨大的电子垃圾已经成为全球不可回避的问题。 电路板作为最活跃的电子元件i 。”，几乎包含在大部分电子产品中，在电脑 、大型通讯设备，军工产品中，它所占的比例很高。由于电路板中含有大量的 电子芯片，随着废弃电路板数量的增多。废弃电子芯片的数量也急剧增加。冈 此废弃电子芯片的数量是与f l 益增多的电子废弃物数量成正比的。对废弃电 路板电子芯片进行综合处理，不仅会保护自然环境，而且能够对某些资源进行 回收再利用，达成降低元器件制造成本目的。 我国台湾省每年需要处霄的废弃印刷线路板就达到l o 万吨【4 j 。同时任何 电子产品也有其使用寿命，当产品更新换代时相应的一些淘汰的印刷线路板也 随之就废弃，相应的电子元器件也就废弃了，此外电路板在生产过程中也有一 定比例的不良率。百年的电路板发展史短暂的电子产品更新换代周期加上生 产，加工过程产生的不良电路板必然导致大量的废弃电子元器件产生。圈l - 1 给出了全球电子芯片的应用领域。 圈1 1 全球电子芯片的应用领域 从废弃电路板p c b 上拆卸的元器件中含有大量的可再利用元器件，而且这 些元器件中含有大量的有害物质，如果将这些呵再次利用的元器件与线路扳一 起进行处理，不仅会造成大量可再生资源的浪费，而且会对环境产生很多不利 的影响。因此废弃电子元器件回收利用对节约资源、保护环境和旧货流通产业 发展具有重要意义。 废弃电子芯片是量大面广、易污染环境的电子垃圾，但是其有很高的回收 再利用价值和极其重要的社会意义与经济价值。分析和研究表明，废弃电路板 虽然作为一个整体或失去了原有的功能，但其上很多元器件还未达到使用寿 命，仍具有较高的可用性和可靠性。例如，手机电子模块的价值是3 0 0 元【5 】。 而且电路板在生产装配过程中会产生很多不合格的产品。为了降低生产成本和 维修成本，也需要将尚未使用过的元器件拆解下来重新利用。另外，很多元器 件中含有各种有毒有害的物质及贵重金属，在废弃电路板破碎之前有必要对这 些元器件进行拆解分离，以利于物质富集，降低后续处理中物质分离的难度【6 j 。 此外一些发达国家还将电子废弃物以资源回收利用的名义“出口 到我国等发 展中国家。因此，废弃电子芯片处理问题已经成为各国共同关注的重要问题。 废弃电子芯片等电子垃圾如果直接丢弃会很不利于人体的健康成长。在废 弃电子芯片中所包含的有毒物质主要是重金属( 如p b 、c d 、h g 、c r 等) 和持 久稳定的有机物( 如多环芳烃、多溴联苯醚等) 。金属铅的毒性主要表现在损 害神经系统、血液系统、内脏器官和内分泌系统。如果金属铅进入了孕妇的血 液中，不但会影响胎儿发育，造成畸形，而且在胎儿诞生后会影响儿童智力的 发育，极有可能导致儿童智力低下【_ 。铬的毒性与其价态有关，六价铬容易透 过细胞膜而被吸收并在体内蓄积，其毒性比三价铬高1 0 0 倍【8 】。镉化合物是很 稳定的化合物，由于具有较长的半衰期，所以很容易在人体内富集到导致中毒 的量【9 j 。金属铬可引起各种毒性作用，如导致人体严重的过敏反应和d n a 损 伤。多溴联苯醚、多氯联苯、多氯联苯p 二氧杂芑或呋喃和多环芳烃等持久稳 定的有机化合物已成为各国普遍的污染物，并且可通过呼吸、饮用水和食物链 在动物体内富集【l 叭。如果处理不当，废弃电子芯片中的重金属和稳定的有机物 在回收处理过程中会进入人们的生活环境中，造成严重的环境污染，使居民暴 露于这些污染物中，其健康受到严重影响。废弃电路板上主要元器件中包含的 化学元素及对环境的危害性如表1 1 所示。 表1 1 废弃电路板主要元器件中包含的化学元素及对环境的危害性】 主要元器件包含的化学元素 危害性 电阻 含有c u 、a g 、a 1 、n i 、c r 等 电容 包含a i 、a g 、c u 、n i 、p d 、t a 、s n 等 对人体健 晶体管含有g a 、s i 、s e 、g e 等 康会产生 电池 包含z n 、m n 、c u 、p b 、c d 、h g 、n i 等 很大威胁 变压器主要含有c u 芯片 使用了a g 、g a 、i n 、t i 、s i 、g e 、a s 、s b 、s e 、t e 等 二手电子元器件的最大受益者就是消费者，因为二手电子元器件不仅是一 种最环保的生产方式，也是一种最经济的生产方式。可再次利用的电子元器件 一般都能达到新品的质量水平，而且经过先期的使用磨合期，其使用寿命往往 2 比新品长，而价格仅为新品的4 0 8 0 ，因此消费者可以在自己能够支付得起 的价格内获得性能更好的产品。所以，二手元器件的再利用对提高人们的生活 水平也具有重要的意义。 1 2 废弃电路板电子芯片的处理现状 电子设备是指主要使用电流、电磁场工作的设备。废弃的电子设备都属于 电子废弃物。电子废弃物主要包括电冰箱、空调、洗衣机、电视机等家用电器 和计算机等通讯电子产品等的淘汰品。电子废弃物俗称“电子垃圾”。 电子废弃物是最难以处理、增长最快的固体废弃物种类之一，其中蕴含着 巨大的社会财富【l2 1 。电子废弃物根据其来源主要分为两类：第一类是指电子产 品( 包括电子元器件) 生产过程中产生的不合格产品及其产生的边角余料，维 修过程中产生的报废品及部件；第二类是指生命周期结束后报废或淘汰的各类 家电及其电子产品，包括废弃电子元器件，废电池、废家电、废通讯器材等 【1 3 - 1 6 】 o 由于上述存在的大量废弃物不但会对环境产生污染，对人体产生很严重 的危害，而且其中也含有大量的可再利用的物质。因此，如何加强对这些电子 废物的处理并回收有用物质，已成为国内外共同关注的热点问题。目前国内外 还没有专门的文献报道应该如何处理废弃电路板电子芯片的方法，大多只是将 废弃电子芯片归类为电子废弃物进行整体处理，国内有少量专利提出了在出厂 前对芯片进行预处理的一些装置，这些设备适用性差，只适用于电子芯片出厂 前的预处理。 1 2 1 国外废弃电子芯片的处理现状 目前，国外发达国家在电子芯片等废弃物的处理方式上主要有填埋法、机 械处理法，化学法等。另外包括以捐赠的方式送给发展中或落后国家及转移生 产基地等方法变相转移电子芯片等电子废弃物。 机械处理法是发展历史最久，应用最广泛的电子废弃物回收方法。目前在 德国、日本、加拿大，瑞典和美国等国家都建有专门处理回收电子废弃物的 工厂，采用各种机械处理法从电子废弃物中回收各种可再次利用的资源。 在电子废弃物处理方面，日本的研究一直处于世界领先地位。1 9 9 8 年，日 本颁布了电子再生法，并于2 0 0 1 年4 月开始对洗衣机，电视机、空调和 彩电等四大家电实施电子再生法。目前，日本知名企业如松下、东芝、富 士和日本电器株社会社( n e c ) 等都建有自己的家电回收再生产工场【l7 1 。对废 家电产品的处理工艺，因地方及专门处理设施的不同而有所不同。若有大型粉 碎设施，则直接进行一次性粉碎处理。若有小型粉碎设施，则要先除去电机、 压缩机等，经切割后再进行粉碎处理。粉碎后的物质，经电磁筛选和风力筛选 等，将铁屑、铜屑和铝屑等选出，作为再生资源回收利用，而塑料、玻璃和木 块等碎沫，则进行焚烧或填埋处理。其中以日本电器株社会社的技术最为成熟 【1 8 】。日本n e c 公司开发的处理工艺如图1 2 所示。其热点是采用两段式破碎 法，利用专有设备将废弃电路板破碎成直径小于l m m 的粉末，然后再分解其 中的铜粉。由于玻璃纤维的尺寸远远小于铜粉的尺寸，所以铜粉可以很容易的 与玻璃纤维进行分离。经过两级分选可以将铜粉和玻璃纤维等其它物质分离， 通过这种方法分解，铜的回收率可以达到9 4 【l 引，树脂和玻璃纤维的混合粉末 主要在1 0 0 一- 3 0 0 r a m ，可以用作油漆和建筑材料添加剂。 图1 2 日本n e c 公司开发的废弃电路板( 含芯片) 处理工艺【l 引 美国国际电子废弃物回收商协会把电子废弃物定义为废弃的电子和电气 设备及其元器件，该定义把电子废弃物分为废弃电子设备和机电设备两大类 【1 7 】。图1 3 是美国电子废弃物资源化原则流程，收集工作采用定期采集和定点 采集两种采集方式。定期收集是指在规定的日期由公司委派车辆和人员到居民 区收集。定点收集是指利用现有的城市垃圾收集系统。其中拆卸采用人工拆卸 的方式，这是由于电子废弃物资源化产业属于劳动密集型产业。物理分离采用 磁选、电选、风选、光选等一系列方法从粉碎后的电子废弃物中分离出塑料 、玻璃，金属等，这些废弃物分选后的物质可以作为玻璃加工、塑料加工等行 业的原料。图1 3 为美国电子废弃物资源化原则流程1 2 。 4 可再利用部件 鬲 消费者ff 原产商ff 团体用户 定点或定期收集卜_ 叫出口 拆卸 不可再利用部件li 危险废弃物 焉 专业化再生处理 ；篱 玻璃il 金属ll 塑料il 废弃物h 城市废弃物填埋场 图1 3 美国废弃电子废弃物处理流程【2 l 】 瑞典处理电子芯片等废弃物有四个层次，首先考虑回收再利用；回收再利 用有困难的，尝试生物技术处理；生物技术难以处理的，再考虑焚烧处理；如 果确实不适合焚烧的，最后进行掩埋。由于在废弃物回收、生物处理、垃圾焚 烧领域都有先进的技术，最后填埋处理的比例不高，而且呈逐年下降趋势，2 0 0 4 年的时候瑞典还有9 1 的垃圾需要填埋，到2 0 0 8 年，这一数据下降至3 o 。 瑞典的法律规定处理费用由制造商和政府承担。在瑞典，电子废弃物自动收集 系统随处可见，这是一套密闭式的系统，由地面的收集箱和一系列隐蔽在地下 的竖井和管道组成。收集箱直接连接地下运输管道，管道中根据垃圾收集的频 度预设了“刮风”的时间，每隔一段时间，各个管道就像大型的吸尘器一样被 定时开启，各种废弃物就被吸入中央收集站。瑞典的s c a n d i n a v i a nr e c y c l i n ga b ( s ra b ) 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，该公司 电子废弃物处理的基本流程如图1 4 所示。 图1 4 电子废弃物处理的基本流程( s ra b ，瑞典) 2 2 】 德国学者提出了一种废弃电路板电子芯片自动化拆除技术。在废弃的电路 板进行破碎操作之前，首先手工拆除一些可以重新使用的高价值电子元器件。 然后，利用3 一d 图像识别技术获取相关芯片信息，通过仪器确定某些特定元件， 利用自动机械设备将所选择的元器件拆除。最后用红外线加热废弃电路板，当 焊剂熔化后将所有元件脱除。最后，依据识别系统对分离下来的元件进行识别， 并自动分类，将不同元件分别处理【l5 1 。德国处理废弃电路板电子芯片的过程如 图1 5 所示。 拆解与分类 图1 5 废弃电路板元件自动化拆除技术( f a p s ，德国) 2 2 1 加拿大魁北克省诺兰达矿产公司，在早期其是一家专门处理精矿石冶炼的 工厂，1 9 7 2 年该公司建造了诺兰达反应器，开始进行电子废弃物的回收，并把 再循环作为一个重要的业务板块。诺兰达公司回收的电子芯片等废弃物往往要 检查两次：第一次检查地点在该公司的接收站，第二次检查地点在该公司的炼 制厂。公司将回收的废弃电子废弃物进行初检，剔除那些可能含有多氯联苯 ( p c b s ) 、汞或放射性的部件。经过检查，这些可再利用部件与铜精矿混合，然 后加进诺兰达法反应器进行精炼【2 3 1 。 i 2 2 国内废弃电子芯片的处理现状 国内处理废旧电子芯片的企业一般在上海、广东深圳等这类沿海城市。其 中在台湾有专门进行废旧电子芯片回收处理的企业。这类企业一般是将电子废 弃物如各种废旧电脑、打印机，数控设备等进行拆解分类，将贵重电子芯片进 行翻新操作，塑料等高分子材料卖给相关再生塑料企业，进行改性或造粒。将 拆解下来分类过的金属件送到相关冶炼企业进行冶炼，作为冶炼企业的原料补 充。这类企业一般不进行金属或塑料的深加工，拆解方式正在逐渐从人工和简 单机械方式转变到流水线方式。 目前，我国处理电子芯片等废弃物的资源循环技术分为以下几类： 一是以人工处理方法为主的回收技术。在中国一些偏远落后地区，有很多 以家庭作坊式的形式来回收电子元器件等电子废弃物，主要拆除回收高价值元 件，其它低价值元件直接扔弃，通孔元件和贴装元件分别采取不同的拆除方式。 二是以物理方法为主的处理技术。将含有芯片的废弃电路板、废弃电缆、 6 导线通过机械粉碎分离出部分有机物粉尘，然后进入水浸分离，得到较粗颗 粒的盒属粉。然后将金属粉熔炼、电解分离各种金属。 三是内地沿海及台湾地区一些专门的回收电子元件企业进行芯片的翻新。 这类企业在网上发布大量回收启事，但是其具体回收方法难咀查询到，属于商 业机密。 在郑州的南阳路等废弃电器集中地区，随时町以看到小贩收柬旧电器把能 用的稍加整理改装后再卖到农村或城市低收人家庭，这样的旧屯器存在着很大 的安全隐患。在我国广东省贵屿镇口”浙江省台州市、江西乡桐山村等地，电 子废弃物处理行业十分蠼吒，很多家庭式作坊直接将回收柬的电冰箱、电视机 进行拆卸，将其中的玻璃，塑料，金属等卖钱，用简单的工具将线路板从这些 电子废弃物中拆除，将线路板的焊锡面直接置于煤球炉l 进行烧烤，用类似于 尖嘴钳的工具夹持住元件的一端，施以作用力将元器件拔出，将高价值的元器 件直接卖给回收电子元器件的回收商，低价值的元器件则直接扔弃。浙江温岭 地区回收电子j 发弃物过程如图1 6 所示。 圉j 一6 浙江搞蛉地犀回收电子废弃物过程 中国矿业大学的段晨龙【2 5 1 等人采用脉动气流分选技术进行带有电子芯片 的废弃电路板的再资源化研究。废旧芯片及线路板经过粗碎、细碎两级粉碎后， 再进行筛分，得到不同粒度的颗粒，最后根据颗粒太小分别进行气流分选。经 过研究发现气流分选适合废弃电路板的分选。对带有电子元件的电路板物料， 由于金属和非余属成分复杂，金属富集体的回收率和品位会明显降低。整个处 理过程如图1 7 所示。 了一一一一。 圈 图1 7 含有电子芯片的废弃电路板破碎气流分离系统( 中国矿业大学) 中国熊猫电子有限公司申请的发明专利【2 6 】( 公开号c n l 0 1 1 0 2 6 6 3 a ) 提出 了一种d i p 封装电子芯片引脚整形的方法和装置，该装置的操作步骤为：将集 成块置于支架上，使集成块两列引脚架在支架两侧，支架形状和集成块两列引 脚以及集成块围成的空间形状对应，使转动的圆柱体滚压轴承沿支架的引脚所 在两边滚动，对集成块引脚进行夹压。这种装置包括底座、支架、圆柱体滚压 轴承。滚压轴承有两只，分别安装在支架两侧，间隙宽度至少等于集成块引脚 厚度。但是此类装置只适用于全新d i p 封装芯片在出厂后由于引脚向芯片外侧 偏斜的情况，无法整形废旧电路板d i p 封装芯片的弯曲引脚。其适用性较差。 其装置示意图如图1 8 所示。 l - 支架2 - 圆柱体滚压轴承3 一底座 图1 8 中国熊猫电子有限公司所用的芯片引脚整形装置【2 6 1 台湾英业达股份有限公司申请的专利【2 7 】( 专利号z l2 0 0 6 2 0 11 4 9 9 0 2 ) 提 出了一种整形电子元件引脚的装置，该调整电子元件引脚的装置包括：装置本 体及整压单元。其中装置本体包括承导部及第一结合部两部分，承导部用于引 导电子元件从该装置本体一侧向另侧移动，整压单元安装在第二结合部对应 的承导部，该装置通过整压部整压该电子元件的引脚。该装置只适用于整形引 脚向外偏斜的元器件，对引脚之间有偏斜的元器件无法整形，该装置的使用范 围有一定的局限性。整形装置示意图如图1 9 所示。 l 1 整压部2 止挡部3 底座4 引脚5 电子元件6 - 第二整压面 7 承导部8 第一整压面9 操作部 l o - 连接部 图1 - 9 台湾英业达股份有限公司所用的电子元件引脚整形装置【2 7 1 1 2 3 废弃电子芯片处理领域的发展趋势 虽然发达国家在电子芯片等废弃物处理方面已有较成熟的技术，但是不能 一味照搬国外技术。电子芯片等废弃物再利用技术的研发和设备的制造，必须 根据本国的国情，使用符合本国实际情况的方法和技术。 废弃电子芯片处置领域的发展趋势是： ( 1 ) 解决电子芯片高效率拆解和分类技术问题；研究自动化程度更高的拆 解分类新技术和新设备。 ( 2 ) 解决拆除后d i p 封装芯片的整形问题；目前市面上公开的这类处理设 备很少，不能处理所有引脚弯曲类型的整形，设备处理自动化程度有待提高。 ( 3 ) 解决整形后电子芯片的检测问题。目前废弃电子芯片的种类繁多，如 何大规模检测各种不同型号的电子芯片显得尤为关键。 ( 4 ) 解决电子芯片回收过程中二次污染问题；研究处置用水的减量化技术 和处置废水的零排放技术；研究处置后二次废弃芯片的综合利用新技术和零排 放技术；研究二次废气的处置技术和达标排放技术；开发高效环保设备。 ( 5 ) 研究无害化前提下电子芯片处置的资源化工程建设方案，建设若干个 示范工程生产线和企业。 1 3 论文的主要工作及结构安排 综上所述，废弃电路板电子芯片的回收关系到循环经济的发展、环境污染 的治理等，这些问题是亟待解决的问题。但国内对废弃电路板电子芯片中d i p 封装类( 双列直插式) 电子元件回收研究很少，急待新的技术和方法来解决这 9 一问题。本文在借鉴国内外拆卸方法的基础上，提出了适合我国国情的d i p 封 装电子元件回收工艺。并对回收工艺进行了具体的分析。 1 3 1 论文的选题和研究目标 本论文和选题来源于“十一五”国家科技支撑计划项目“家电产品绿色回 收处理关键技术研究及示范 ( 2 0 0 6 b a f 0 2 a 1 7 ) 。 本文在总结了国内外废弃电路板电子芯片回收的基础上，在自主研发的电 路板脱焊设备上进行实验，对比各加热方法，提出了适合我国的电子元件脱焊 加热方法，并结合实验得出拆除的效率数据，选择了加热最优参数。 本研究针对我国废弃电路板电子芯片的回收现状，以节约资源、减少环境 危害为目标，分析了废弃电路板d i p 封装电子芯片拆除弯曲特性，并结合材料 组成设计一种d i p 封装芯片引脚整形装置，并设计一种典型芯片的检测方法。 研究成果的实施可以有效降低目前废弃电路板d i p 封装芯片处理资源浪费严重 的现状，实现资源的高利用率。对实现我国制造业和国民经济的可持续发展具 有重要影响。 1 3 2 论文的研究内容 本文研究的主要内容包括以下几个方面： 1 、提出了基于回收策略的d i p 封装芯片的回收工艺，建立了定量评估回 收成本一收益模型，并结合两种回收的电子芯片对经济性模型进行了分析，实 现了对循环再利用过程的经济性作定量的评价。 2 、提出了废弃电路板d i p 封装芯片的拆除工艺，并通过自主设计研发的 脱焊设备进行了系列拆卸实验，得到了最佳拆解参数。 3 、根据d i p 封装电子元件引脚的特性，设计了一种针对d i p 封装电子元 件的整形方案，完成了整形装置的三维造型设计和详细的部件图设计。 4 、制定了一种典型废弃电路板d i p 封装芯片的测试方案，设计了测试系 统，包括硬件电路的设计、测试程序的编制等。 1 3 3 论文的结构安排 根据论文的研究内容，本文的安排如下： 第一章概述废弃电路板电子芯片回收研究的现状，介绍了论文的选题背 景，提出论文的研究内容和结构。 第二章提出基于回收策略的回收d i p 封装芯片工艺，建立了定量评估回收 成本一收益模型，以两种d i p 封装芯片的回收为例对循环再利用过程的经济性 进行定量评价。 第三章对废弃电路板d i p 封装芯片拆除方法进行了研究。对几种加热介质 进行比较分析，确定脱焊拆卸的加热方法及最优条件。 1 0 第四章根据d i p 封装电子元件引脚特性，提出了一种针对d i p 封装电子元 件的整形方案，并进行三维造型的建立，进行干涉分析，完成整形装置的设计 和装配图的绘制。 第五章介绍了芯片测试的基本概念及电子芯片的四种测试方法。并以一种 典型废弃电路板d i p 封装芯片为例制定了其测试方案及其测试方法，包括系统 方案的确定、硬件电路的设计、软件电路的设计的检测程序的编写等。 第六章对全文进行总结和展望。 第二章废弃电路板d i p 封装芯片回收的经济性分析 为了充分了解废弃电路板电子元件回收成本与回收收益之间的关系，本章 根据d i p 封装芯片的特性，提出了废弃d i p 封装芯片的循环再利用工艺，建立 了经济性评价模型，以废弃的d i p 封装b i o s 芯片p 2 8 f 0 0 1 b x t 1 2 0 和c m o s 芯片n 3 4 1 2 5 6 s j 1 2 为实例进行了经济性评估，为后续电子元件拆除实验提供 理论支持。 2 1 电路板电子芯片的封装 2 1 1 封装的概念 封装是指把芯片内部硅片上的电路管脚用导线接引到芯片外部的接头处， 以便使其与其它器件进行连接。封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外 壳。我国在2 0 世纪6 0 年代自行研制了第一台计算机，其占地面积大约为1 0 0 胛，现在的便携式计算机只有一个书包大小，有的甚至只有一本书的大小，而 将来的计算机可能会和橡皮擦一般大小，这种计算机体积的演变归结于半导体 科技的发展一电子芯片封装形式的改变。 2 1 2 封装的作用 封装对电子芯片来说是极其重要的，它不仅起着保护芯片和增强导热性等 作用，还是沟通芯片内部世界和外部电路的桥梁。封装的主要作用如下： ( 1 ) 电气连接。封装的尺寸调整功能可由芯片的极细引线间距，调整到 实装基板的尺寸间距，此举是为了安装。封装在这里起着由复杂到简单、由难 到易、由小到大的变换作用，从而可使装配过程及材料费用降低，而且能提高 工作效率和可靠性。 ( 2 ) 标准规格化。封装的规格化是指封装的尺寸、形状、引脚数量、间 距和长度等标准规格。统一规格封装之后，既便于加工，又便于与印刷电路板 相配合，使得相关的生产线及生产设备都具有通用性。这对于封装用户、电路 板厂家、半导体厂家都便于实现标准化。 ( 3 ) 物理保护。封装可以使芯片内部与外界隔离，防止空气中的杂质对 芯片电路造成腐蚀而导致电气性能下降，同时通过封装也可使芯片的热膨胀系 数与框架或基板的热膨胀系数相匹配，从而缓解由于热等外部环境的变化而产 生的应力以及由于芯片发热而产生的应力，以防芯片损坏失效。 2 1 3 电路板电子芯片封装的分类 电路板上的元器件可以分为两类：插装类元器件和贴片类元器件。对于普 通的计算机主板，不同品牌的板子装有不同的元器件，元器件的数量也不一样， 但是，元器件的种类大体相同，如表2 1 所示。 表2 1 电路板上常见电子芯片的分类及封装形式 贴片型元器件 j 型引脚小 塑封j 引线 薄塑封四 外型封装芯片封装 角扁平封 ( s o j ) ( p l c c ) 鞋( t q f p ) 塑封四角 薄型小尺 球栅阵列 叠 扁平封鼗寸封装封装 ( p q f p ) ( t s o p ) ( b g a ) 插装类元器件 础州直插 嗣 单列直插 湔 单列直插 赫茹 式封装 式封装式封裟 ( d i p ) ( s i p )( z i p ) 1 电路板上常见的贴片式元器件 常见的贴片类元器件，按照封装类型的不同可以分为以下六种 2 8 1 ( 1 ) s o j 型封装。s o j 是英文s m a l l o u t 1 i n ej - l e a d e dp a c k a g e 的缩写即 j 型引脚小外型封装。引脚从封装两侧引出向下呈j 字型，通常为塑料制品， 多数用于d r a m 和s r a m 等存储器，引脚中心距是l2 7 m m ，引脚数从2 0 一4 0 。 ( 2 ) p l c c 型封装。p l c c 是英文p l a s t i cl e a d e dc h i pc a r r i e r 的缩写，即 塑封j 引线芯片封装。p l c c 封装方式，外形呈讵方形，3 2 脚封装，四周都有 管脚。p l c c