2024年2月9日发(作者:闾元柳)
• 112 •有色金属(冶炼部分)(ysyl. bgrimm. cn)2021年第5期doi
:10. 3969/j. issn. 1007-7545. 2021. 05. 018废旧手机线路板上芯片无损拆解过程研究段琪昱U2,张承龙U2,王瑞雪U2,马恩K2,黄庆U2,王景伟U2,符永高3,邓梅玲3(1.上海第二工业大学电子废弃物研究中心,上海201209;2•上海电子废弃物资源化协同创新中心,上海201209;3.中国电器科学研究院股份有限公司,广州510663)摘要:为了更高效地回收手机芯片,对手机线路板拆解过程进行优化试验。拆解线路板选择空气热对流
和热传导两种加热方式。通过试验分析了升温速率、保温时间和预热阶段温度对拆解过程和拆解芯片
完整性的影响,确定3 X:/s的升温速率、预热170 t保温90s的拆解效果更好。不同封装方式的芯片在
拆解时的温度条件也有细微差异。关键词:线路板;无损拆解;芯片中图分类号:X76
文献标志码:A
文章编号:1007-7545(2021)05-0112-09Research on Nondestructive Disassembly Process of Chips on
Printed Circuit Boards of Waste Mobile PhonesDUANQi yu1'2, ZHAGN Cheng-long12, WANG Rui-xue1'2, MAEn1'2,
HUANG Qing1'2, WANG Jing-wei1'2, FU Yong-gao3, DENG Mei-ling3Cl. WEEK Research Centre of Shanghai Polytechnic University» Shanghai 201209, China;2. Shanghai Collaborative Innovation Centre for WEEK Recycling. Shanghai 201209,China;3. China National Electric Apparatus Research Institute. Guangzhou 510663, China)Abstract: In order to recycle mobile phone chips more efficiently, optimization experiments were carried
out on disassembly process of mobile phone printed circuit boards. Two heating methods of air heat
convection and heat conduction were chosen to disassemble printed circuit board. Effects of heating rate,
holding time and preheating temperature on disassembly process and integrity of disassembled chip were
analyzed through experiments. It is determined that heating rate of 3 °C/s and preheating at 170 °C for 90 s
have better dismantling effects. There are also slight differences in temperature conditions when
disassembling chips with different packaging words:
printed circuit board; nondestructive disassembly; chip目前,手机更新换代的速度与日俱增,废弃手机
电子废弃物总重量的3%,却是废旧手机弃中最难
数量也是十分庞大,印刷线路板(Printed Circuit
处理的部分,且含有Pb、Cr6+等多种有毒有害物质,
Board,PCB)是废旧手机的核心组件之一,虽然只占属于危险废物,处理不当将造成严重的环境污染[1收稿日期:2020-12-09基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFC1902303);上海市高原学科一环境科学与工程(资源循环科学与工程)资助项目;
上海第二工业大学研究生项目(EGD19YJ0057);上海第二工业大学校重点学科建设项目(XXKZD1602)作者简介:段琪昱(1996-),女,黑龙江伊春人.硕士研究生:通信作者:张承龙(1975-),男,江苏昆山人,博士,教授
2021年第5期有色金属(冶炼部分)(ysyl. bgrimm. cn)• 113 •目前已有的废旧PCB资源化技术主要为酸洗法、冶
炼法、热解法、微生物法、机械法等。通过这些方法
可以回收PCB中的铜、金、银等含量较高的金属[2],
但易造成二次污染问题。PCB上的芯片由于量大、
寿命长、重用价值高等原因,其资源化技术一直都是
研究的热点[13],其寿命可长达20 a,更有一些芯片
几乎没有寿命极限,规范回收的芯片合格率(98%)
甚至高于生产的新芯片(95%)w,对PCB中芯片进
行拆解、分类回收和再利用,可以实现经济效益最大
化。回收芯片的再利用和再制造是循环经济的重要
组成部分,废弃手机PCB上的芯片经过拆解、清理,
再通过可靠检测后重新使用[5]。而拆解作为第一环
节,直接影响芯片回收再利用的加工效率和旧件利
用率,因此在芯片回收再利用过程中高效的无损拆
解工艺是保证回收芯片合格率、降低再制造成本、提
高再制造环保效益的重要环节[6 7]。芯片按功能分类有CPU、ROM、电源芯片等,
按封装方式可分为球栅阵列封装芯片(Ball Grid
Array Package,BGA)和栅格阵列封装芯片(Land
Grid Array, LGA)等。智能手机中的CPU、储存
器、DSP电路、音频电路都是BGA封装的集成电
路[89],射频芯片和基带芯片即是LGA封装。BGA
连接的引脚以圆形或者柱状焊点按阵列形式分布在
封装体下[9]。与BGA不同的是,LGA封装器件在
封装体的底部只有金属端子或焊盘[1°],没有焊球,
主要是金属触点式封装。芯片与基板是通过焊料连接起来的,拆卸芯片
的关键技术就是熔化焊料,消除或降低芯片与PCB
之间的黏接力[11]。为了便于芯片的再利用,拆解过
程一般应注意:1)PCB和芯片的温度和升温速率尽
量保持一致或相近,避免升温时温度差使芯片在拆解过程中变形;2)去除PCB的湿气,避免在加热过
程中因存在湿气导致芯片内部结构的损伤。本文考
察了不同加热方式、升温速率、保温时间、预热温度
等对芯片无损拆解的影响,并比较了 BGA和LGA
两种封装方式芯片的拆解条件,以期为进一步完善
芯片的无损拆解工艺提供借鉴。1 试验设备本研究通过两种加热方法进行拆解试验。一种
方法是空气热对流加热,优点是成本低廉,加热速度
较快,利于均匀加热,易于实现拆解自动化,可用于
单个元器件或PCB整体加热;另一种方法是热传导
加热,其优点是加热速度快,解焊时间短,适合于
PCB整体加热[12]。拆解过程中首先要将PCB上的
屏蔽罩拆除,确保在拆解过程中芯片的外部不被破
坏.同时保障芯片升温效率。1.1空气热对流加热设备及操作加热所用仪器是BGM返修台(图1),可以分阶
段调节温度。首先将待拆解的手机PCB固定在仪
器受热区域。并将测温探头固定在待拆的目标芯片
表面,把上下出风口位置对准芯片的表面和对应反
面位置,使芯片和其基板位置同时升温加热,提高焊
料的升温速度,避免加热拆解过程中芯片内部产生
温度差而造成破坏。对PCB上下同时吹热风,可以对目标芯片进行
有针对性的加热,并且设置分阶段升温以确保在加
热拆解过程中芯片性能尽量不受到高温冲击的影响。持续加热一段时间后,用小慑子轻轻平推芯片,
若焊点完全熔融则可以将芯片取下;若无法推动芯
片则继续加热,随时注意芯片状态。图1空气热对流加热设备图
Fig. 1 Air convection heating equipment diagram
• 114 •有色金属(冶炼部分)(ysyl. bgrimm. cn)2021年第5期1.2热传导加热设备及操作存在一定影响。此外,根据芯片对湿气敏感和与PCB热匹配性
好的特征,设置拆解过程的预热阶段和提温阶段。
PCB上芯片大小和材质不同,且焊点数量和大小都
略有差异,所以设置初步拆解阶段和针对性拆解阶
段,分别适于小尺寸和大尺寸芯片的拆解。因此,本
试验设置4个升温阶段拆解PCB,不同升温阶段和
各阶段的保温时间见表1。表1拆解温度及保温时间设定表
holding time setting table上部加热
阶段上部保温时间/s90606060下部加热
温度/°c17下部保温时间/s90306060温度/°c17使用熔锡炉作为加热源,将焊锡融化在熔锡炉
内(图2),用导热布作为PCB与熔融焊锡的阻隔,避
免拆解下的芯片被焊锡污染而无法回收。通过熔锡
炉隔着导热布对整块PCB进行整体加热。加热后将
PCB上的屏蔽罩清除,根据实际情况,对拆除屏蔽罩
的PCB进行再次加热以使焊点熔融后拆除芯片。导热布 压板 手机线路板熔锡炉
Sn(63A)Table 1 Dismantling temperature and
芯片预热阶段图2无铅焊锡炉加热示意图
提温阶段初步拆解阶段针对性拆解阶段Fig. 2 Heating diagram of
lead-free soldering furnace2 试验结果与讨论鉴于芯片特性,对手机PCB进行分阶段升温,
首先是预热阶段,使PCB整体升温预热,去除湿气
避免芯片内部出现较大温差。再进行提温阶段升
温,使PCB整体温度提升并拆除屏蔽罩,拆除后不
仅方便后续芯片的拆解,且利于PCB上不同材料的
分类回收。后续的升温阶段可以按照不同芯片的拆
解温度设定初拆解阶段和针对性拆解阶段。2. 12.1.1升温速率的影响进行不同升温速率(1、2、3 °C/s)的升温拆解试
验。不同升温速率拆解过程的芯片温度如图3所
示,拆解下的芯片见图4。由图3可知,PCB上芯片
升温速率随出风口升温速率增大而提升。其中,
1 °C/s时芯片升温稳定但缓慢,从20 °C升温到233 °C
需要405 s,此时芯片可被拆解,但是芯片上焊点大
部分完整且残留铜箔(见图4),拆解的芯片完整但
拆解过程较为费力。2 °C/s时芯片从25 °C升温到
235 °C需要310 s,此时可被拆解,拆解下的芯片残
留一半的完整焊点且芯片平整完好。3 °C/s时芯片
升温快速.拆解时间大大缩短,芯片从26 °C升温到
233 °C需要294 s,此时拆解下的芯片完好且仅残留
焊点少。空气热对流法温度设定熔化芯片上焊球是拆解芯片的关键。试验通过
对PCB加热进而使焊球熔化来拆除芯片。根据实
际拆解试验和调研发现,拆解过程中升温速率、预热
温度、保温时间等因素对智能手机PCB的无损拆解
52011
3b»0〇
O>0〇
2505
鐘0 50 100 150 200 250 300 350 400 45050 100 150 200 250 300 350 40050 100 150 200 250 300 350时间/s时间/s时间/s图3不同升温速率下出风口及芯片实测的温度变化图
Fig. 3 Temperature change of air outlet and chip measured under different heating rate
2021年第5期有色金属(冶炼部分)(ysyl. bgrimm. cn)• 115 •(b)2
X./s (c)3 t/s图4Fig. 4不同升温速率下拆解的芯片
Chips disassembled at different heating rate综上所述,在不同升温速率条件下芯片均可完
成拆解,当升温速率选用3 °C/s时,不仅缩短芯片的
升温及拆解时间,而且拆解下的芯片最为完整,无损
拆解效率较好。2. 1.2预热阶段保温时间的影响将上下出风口的升温速率均设置为3 °C/S。进
行预热阶段不同保温时间(30、60、90 s)的升温拆解
试验。不同保温时间温度设置如表2所示,拆解试
验的升温过程和拆解下的芯片如图5〜6所示。由图5可看出,当预热阶段的保温时间越长,
芯片表面温度越接近设定温度,芯片表面温度整表2体提升后,达到拆解温度所需时间缩短。此外,
PCB的受热温度越高则挥发的有毒有害物质种类
越多、浓度越高[13],所以为避免或者减少拆解过程
中产生的有毒有害物质,拆解时应尽量选择缩短
PCB在高温区域的保温时间,提高拆解过程的安
全性。由图6可以看出,预热阶段保温时间为30 s时
整体拆解时间短,但是芯片已经有轻微损伤,不利于
再利用,随着预热阶段保温时间延长,拆解效果更
好,所以在预热阶段保温时间选择90 S,以利于实现
芯片的无损拆解。不同保温时间温度设置表
下部升温速率/(°C • s-1)Table 2 Temperature setting table for different holding time阶段温度/•〇水平1预热阶段 水平2水平3提温阶段初步拆解阶段针对性拆解阶段23上部加热上部保温时间/s3170上部升温速率/CC • s-')下部加热温度下部保温时间/s306090/V2303图5不同保温时间条件下出风口及芯片表面的温度变化图
Fig. 5 Temperature change diagram of air outlet and surface of chip under different heat preservation
• 116 •有色金属(冶炼部分)(ysyl. bgrimm. cn)2021年第5期(a)30 s (b)60 s (c)90 s图6不同保温时间条件下拆解的芯片
Fig. 6 Chips disassembled under different heat preservation2. 1.3预热温度的影响损残留少量焊点;170 °C时,芯片达到232.8 °C可拆
将上下出风口的升温速率均设置为3 °C/s。进
解,拆解总时间为294 s,拆解芯片平整完好仅残留
行预热阶段不同温度(150、170和190 °C)的升温拆
极少焊点;190 °C时,芯片达到233. 7 °C可以拆解
解试验,预热阶段不同温度设置如表3所示,拆解试
下来,拆解总时间为315 s,拆解芯片基本无焊点
验的升温过程和拆解下的芯片如图7〜8所示。可
残留。在190 °C时,芯片状态最佳,但是在170 °C
以看出,预热阶段温度为150 °C时,芯片达到234. 8 °C
时,拆解时间和拆解温度最低,所以预热阶段温度
可拆解,拆解总时间为309 s,拆解下的芯片完好无选择170 °C。表3预热阶段不同温度设置表Table 3 Table of different temperature settings during warm-up stage上部加热上部保温上部升温速率/下部加热下部保温下部升温速率/温度/°c时间/s(°C • s'1)温度l°c时间/s(V • s-1)水平1150150预热阶段 水平21709017090水平3190190提温阶段2306023060初步拆解阶段2406024060针对性拆解阶段2456024560图7不同预热温度条件下出风口及芯片表面的温度变化图
Fig. 7 Temperature change diagram of air outlet and chip surface
under different preheating temperature
2021年第5期有色金属(冶炼部分)(ysyl. bgrimm. cn)• 117 •(a) 150
°C(b)170
X(c)190
X.图8不同预热温度条件下拆解的芯片
Fig. 8 Chips disassembled under different preheating temperature2. 1.4芯片的升温速率对加热拆解时芯片的温度进行记录,可以看到,
芯片不同的升温阶段其升温速率有所差异(表4)。
由表4可以看出芯片实际升温趋势,在预热和提温
阶段的升温过程中,芯片在升温段升温速率较高,可
以较快提升芯片温度。在保温段芯片虽然升温速率
慢但也在保持稳定升温。在初步拆解和针对性拆解
阶段的升温过程中,芯片的升温速率明显变慢,且在
保温段升温也较为缓慢。根据试验结果,可以继续优化拆解温度曲线,增
加在预热和提温阶段的升温时间和保温时间,保证
芯片的高效升温,精确初步拆解和针对性拆解阶段
的峰值温度,以达到芯片焊点的熔融温度,便于芯片
的完整拆解。表4不同升温阶段芯片的实际升温速率
in different heating stages阶段预热阶段升温段保温段升温段保温段升温段保温段升温段保温段芯片实际升温速率/rc • s一1)1. 89〜2. 65
0• 12 〜0. 841. 06 〜2. 13
0• 13 〜0• 340• 21 〜1. 06
0.02〜0.070. 18〜0. 57
0. 05 〜0. 21芯片的拆解温度。图9展示了部分拆解下的手机^匕、斤* 〇LL表5不同芯片的拆解温度及停留时间
timetable of different chips拆解时芯片Table 5 Disassembly temperature and residence
芯片种类连接方式
芯片尺寸范围/mm13X13 〜15X1511X134X6〜5. 5X5. 5实测温度范围/停留时间/Sr223〜235215〜222200〜21520 〜9050 〜6030 〜50CPUROM基带芯片射频芯片BGABGALGA根据表5可知,智能手机PCB上BGA芯片的
面积和拆解温度一般大于LGA芯片。根据图9得
知BGA芯片的厚度和焊点数量明显大于LGA-H- LL斤"〇Table 4 Actual heating rate of chips
芯片厚度越大,热量传导到焊点的过程越慢。
且芯片面积越大,焊点越多,加热至焊点熔融状态所
需热量也越高。则在拆解BGA封装芯片时,需要
加热比LGA芯片更高的温度才能使焊点达到熔融
状态,进而拆下芯片。根据焊点熔融状态时的流体
力学分析[14],可知,拆解时水平力与芯片的焊点数
量、高度、面积等呈正相关,即拆解BGA芯片的拆
解力和需要的能量均大于LGA芯片。表5中所有拆解芯片均是安卓手机PCB上仅
以焊料连接的芯片,不含黏结胶。在拆解流程中可
以优先拆解小型基带芯片和射频芯片.再对ROM
进行拆解,最后拆解CPU。当选定好目标芯片时,也可以对照不同芯片的
拆解温度及停留时间要求进行温度曲线的设定,对
目标芯片进行针对性拆解回收。提温阶段初步拆解阶段针对性拆解阶段2.2
对比BGA和LGA芯片的拆解温度和保温
时间根据选取的升温条件对手机PCB进行拆解试
验,并记录拆解时的拆解温度、保温时间以及芯片
的大小和型号,总结出手机主要芯片的拆解温度
和保温时间范围。表5列出了不同尺寸范围手机
• 118 •有色金属(冶炼部分)(ysyl. bgrimm. cn)2021年第5期■画國画國国W4 SkyE|£Sr22^H£ I■
A匾■__ ■w基带、射频芯片_(a)CPU_部分拆解的手机芯片 图9Fig. 9Partially disassembled mobile phone chip2.3无铅焊锡炉温度设定及试验结果时,PCB升温到稳定温度后很难继续升温,进而难
以达到可拆解的温度范围,拆解难度较大,不利于
实现高效拆解。设定温度在250〜260 °C时,持续
加热几分钟,就可以将PCB上的屏蔽罩、小芯片、
元器件和大芯片逐步拆解下来。使用焊锡炉对
PCB进行拆解的拆解温度较高,PCB超过250 °C
持续加热2〜10 min后会产生苯、甲苯、乙苯、对,
间二甲苯、苯乙烯、邻二甲苯、萘等有害物质[13],因
此焊锡炉加热方法不利于实现高效绿色的芯片无
损拆解工艺。在拆解过程中,PCB与导热布和压板的接触面
存在差异也会对拆解情况有所影响。在拆解过程
中,把压板拿开对PCB进行拆解时,PCB的温度迅
速下降,也会对拆解产生影响。使用此方法进行升
温拆解的优点是拆下的芯片较为完整且数量较多,
缺点是无法稳定控制温度、拆解芯片没有针对性不
便回收、拆解过程中混人其他元器件等。设置两组无铅焊锡炉拆解试验,一组将手机
PCB直接在无铅焊锡炉的导热布上进行加热,另一
组是增加压板进行保温加热。对PCB持续加热后,
再对手机芯片进行同步拆解。第一组试验设置了 250和260 °C两个温度,将
PCB放置炉内,在峰值温度的不同停留时间对照PCB
的拆解情况,结果如表6所示。对照结果显示,将
PCB放置无铅焊锡炉内加热时,PCB升温情况不佳,
很难升温到设定温度,且PCB无法保温,不能达到将
焊点加热融化的目的,芯片和屏蔽罩均难以拆解。第二组试验设置了 245、250和260 °C三个温
度,对照不同停留时间PCB拆解情况,结果如表7
所示,焊锡炉加热拆解的PCB如图10所示。根据表7可知,加了压板后的加热过程有明显
的保温效果,可以使PCB保持稳定的升温速度,并
使焊点熔融进而拆解芯片。在温度设置在245 °C表6无压板无铅焊锡炉加热拆解线路板拆解情况对照表
and dismantling of lead-free soldering furnaceTable 6 Comparison table of circuit board dismantling by heating设定温度/°c250线路板实际温度/°c222试验序号12345678停留时间/min24623拆解情况无法拆除芯片无法拆除芯片无法拆除芯片无法拆除芯片无法拆除芯片无法拆除芯片仅可拆除屏蔽罩,且拆解效果不佳仅可拆除屏蔽罩260456
2021年第5期表7Table 7
有色金属(冶炼部分)(ysyl. bgrimm. cn)有压板无铅焊锡炉加热拆解线路板拆解情况对照表
• 119 •Comparison table of dismantling situation of circuit board dismantling by heatingand dismantling of lead-free soldering furnace with pressure plate试验序号12设定温度/*€停留时间/min46线路板实际温度/X:2225235245250拆解情况不易拆除屏蔽罩可快速拆除屏蔽罩可快速拆除屏蔽罩可快速拆除屏蔽罩可以取下取下屏蔽罩可快速拆除屏蔽罩,同时拆除部分小芯片可以完整拆下大部分芯片全部芯片均可快速拆除可快速拆除屏蔽罩,同时拆除部分小芯片可以拆除大部分芯片可以完整拆除大部分芯片全部芯片均可快速拆除24534567891⑷未拆解完全的PCB㈨完全拆解的PCB图10焊锡炉加热拆解的PCB
Fig. 10
2.4不同加热方式拆解过程PCB disassembled by soldering furnace under heating2) 空气热对流加热拆解过程中升温速率、预热
对照拆解PCB时的两种加热方式,可以清楚地
得出其不同及优缺点。空气热对流法加热过程稳定
可控,加热速度快,PCB升温速率稳定且几乎不受
其他条件影响.设定温度与PCB实际温度的温差不
大,且能保证在整个拆解过程中PCB温度稳定。热传导加热法可以保证拆解芯片和元器件的完
整性,但是保温条件受限,拆解过程可能会造成
PCB和芯片产生较大温度浮动,此方法适用于拆解
对温度浮动没有严格要求的元器件或芯片。大量元
器件同时拆解也可以应用此加热方法。阶段温度和保温时间都会影响芯片的实际温度和升
温速率,芯片在预热阶段和提温阶段升温效率更高,
预热阶段温度对拆解效率影响不大但是拆解下的芯
片完整性略有差异。预热阶段保温时间越长拆解芯
片越完整。3) 智能手机PCB上两种封装方式(BGA和
LGA)的芯片拆解温度和时间有所不同。BGA芯
片的面积一般大于LGA芯片面积,且拆解BGA芯
片时的实测温度(215〜235 °C)比LGA芯片的实测
温度(200〜215 °C)略高。4) 热传导法更适用于PCB整体拆解或者元器
件的同步拆解,但是拆解过程的保温效果不稳定,易
造成芯片温度的大幅下降.容易在升温过程中造成
芯片内部损伤。不利于保障回收芯片的合格率及再
利用。参考文献[1]向东.张永凯,李冬,等.面向元器件重用的废弃线路板3 结论1)在采用空气热对流的加热方式对PCB进行
加热拆解时,设置4个升温阶段,有利于去除芯片中
的湿气,同时还可以保证PCB整体升温,避免了后
续加热对芯片内部造成损伤。并且针对不同芯片设
置的升温阶段也有利于芯片的针对性拆解和无损拆
解,提高回收芯片的可再利用性能。
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制[D].合肥:合肥工业大学, H B. Research on the removal technology andequipment development of the electronic components ofwaste circuit boards [D]. Hefei: Hefei University ofTechnology,2008.技
程
2024年2月9日发(作者:闾元柳)
• 112 •有色金属(冶炼部分)(ysyl. bgrimm. cn)2021年第5期doi
:10. 3969/j. issn. 1007-7545. 2021. 05. 018废旧手机线路板上芯片无损拆解过程研究段琪昱U2,张承龙U2,王瑞雪U2,马恩K2,黄庆U2,王景伟U2,符永高3,邓梅玲3(1.上海第二工业大学电子废弃物研究中心,上海201209;2•上海电子废弃物资源化协同创新中心,上海201209;3.中国电器科学研究院股份有限公司,广州510663)摘要:为了更高效地回收手机芯片,对手机线路板拆解过程进行优化试验。拆解线路板选择空气热对流
和热传导两种加热方式。通过试验分析了升温速率、保温时间和预热阶段温度对拆解过程和拆解芯片
完整性的影响,确定3 X:/s的升温速率、预热170 t保温90s的拆解效果更好。不同封装方式的芯片在
拆解时的温度条件也有细微差异。关键词:线路板;无损拆解;芯片中图分类号:X76
文献标志码:A
文章编号:1007-7545(2021)05-0112-09Research on Nondestructive Disassembly Process of Chips on
Printed Circuit Boards of Waste Mobile PhonesDUANQi yu1'2, ZHAGN Cheng-long12, WANG Rui-xue1'2, MAEn1'2,
HUANG Qing1'2, WANG Jing-wei1'2, FU Yong-gao3, DENG Mei-ling3Cl. WEEK Research Centre of Shanghai Polytechnic University» Shanghai 201209, China;2. Shanghai Collaborative Innovation Centre for WEEK Recycling. Shanghai 201209,China;3. China National Electric Apparatus Research Institute. Guangzhou 510663, China)Abstract: In order to recycle mobile phone chips more efficiently, optimization experiments were carried
out on disassembly process of mobile phone printed circuit boards. Two heating methods of air heat
convection and heat conduction were chosen to disassemble printed circuit board. Effects of heating rate,
holding time and preheating temperature on disassembly process and integrity of disassembled chip were
analyzed through experiments. It is determined that heating rate of 3 °C/s and preheating at 170 °C for 90 s
have better dismantling effects. There are also slight differences in temperature conditions when
disassembling chips with different packaging words:
printed circuit board; nondestructive disassembly; chip目前,手机更新换代的速度与日俱增,废弃手机
电子废弃物总重量的3%,却是废旧手机弃中最难
数量也是十分庞大,印刷线路板(Printed Circuit
处理的部分,且含有Pb、Cr6+等多种有毒有害物质,
Board,PCB)是废旧手机的核心组件之一,虽然只占属于危险废物,处理不当将造成严重的环境污染[1收稿日期:2020-12-09基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFC1902303);上海市高原学科一环境科学与工程(资源循环科学与工程)资助项目;
上海第二工业大学研究生项目(EGD19YJ0057);上海第二工业大学校重点学科建设项目(XXKZD1602)作者简介:段琪昱(1996-),女,黑龙江伊春人.硕士研究生:通信作者:张承龙(1975-),男,江苏昆山人,博士,教授
2021年第5期有色金属(冶炼部分)(ysyl. bgrimm. cn)• 113 •目前已有的废旧PCB资源化技术主要为酸洗法、冶
炼法、热解法、微生物法、机械法等。通过这些方法
可以回收PCB中的铜、金、银等含量较高的金属[2],
但易造成二次污染问题。PCB上的芯片由于量大、
寿命长、重用价值高等原因,其资源化技术一直都是
研究的热点[13],其寿命可长达20 a,更有一些芯片
几乎没有寿命极限,规范回收的芯片合格率(98%)
甚至高于生产的新芯片(95%)w,对PCB中芯片进
行拆解、分类回收和再利用,可以实现经济效益最大
化。回收芯片的再利用和再制造是循环经济的重要
组成部分,废弃手机PCB上的芯片经过拆解、清理,
再通过可靠检测后重新使用[5]。而拆解作为第一环
节,直接影响芯片回收再利用的加工效率和旧件利
用率,因此在芯片回收再利用过程中高效的无损拆
解工艺是保证回收芯片合格率、降低再制造成本、提
高再制造环保效益的重要环节[6 7]。芯片按功能分类有CPU、ROM、电源芯片等,
按封装方式可分为球栅阵列封装芯片(Ball Grid
Array Package,BGA)和栅格阵列封装芯片(Land
Grid Array, LGA)等。智能手机中的CPU、储存
器、DSP电路、音频电路都是BGA封装的集成电
路[89],射频芯片和基带芯片即是LGA封装。BGA
连接的引脚以圆形或者柱状焊点按阵列形式分布在
封装体下[9]。与BGA不同的是,LGA封装器件在
封装体的底部只有金属端子或焊盘[1°],没有焊球,
主要是金属触点式封装。芯片与基板是通过焊料连接起来的,拆卸芯片
的关键技术就是熔化焊料,消除或降低芯片与PCB
之间的黏接力[11]。为了便于芯片的再利用,拆解过
程一般应注意:1)PCB和芯片的温度和升温速率尽
量保持一致或相近,避免升温时温度差使芯片在拆解过程中变形;2)去除PCB的湿气,避免在加热过
程中因存在湿气导致芯片内部结构的损伤。本文考
察了不同加热方式、升温速率、保温时间、预热温度
等对芯片无损拆解的影响,并比较了 BGA和LGA
两种封装方式芯片的拆解条件,以期为进一步完善
芯片的无损拆解工艺提供借鉴。1 试验设备本研究通过两种加热方法进行拆解试验。一种
方法是空气热对流加热,优点是成本低廉,加热速度
较快,利于均匀加热,易于实现拆解自动化,可用于
单个元器件或PCB整体加热;另一种方法是热传导
加热,其优点是加热速度快,解焊时间短,适合于
PCB整体加热[12]。拆解过程中首先要将PCB上的
屏蔽罩拆除,确保在拆解过程中芯片的外部不被破
坏.同时保障芯片升温效率。1.1空气热对流加热设备及操作加热所用仪器是BGM返修台(图1),可以分阶
段调节温度。首先将待拆解的手机PCB固定在仪
器受热区域。并将测温探头固定在待拆的目标芯片
表面,把上下出风口位置对准芯片的表面和对应反
面位置,使芯片和其基板位置同时升温加热,提高焊
料的升温速度,避免加热拆解过程中芯片内部产生
温度差而造成破坏。对PCB上下同时吹热风,可以对目标芯片进行
有针对性的加热,并且设置分阶段升温以确保在加
热拆解过程中芯片性能尽量不受到高温冲击的影响。持续加热一段时间后,用小慑子轻轻平推芯片,
若焊点完全熔融则可以将芯片取下;若无法推动芯
片则继续加热,随时注意芯片状态。图1空气热对流加热设备图
Fig. 1 Air convection heating equipment diagram
• 114 •有色金属(冶炼部分)(ysyl. bgrimm. cn)2021年第5期1.2热传导加热设备及操作存在一定影响。此外,根据芯片对湿气敏感和与PCB热匹配性
好的特征,设置拆解过程的预热阶段和提温阶段。
PCB上芯片大小和材质不同,且焊点数量和大小都
略有差异,所以设置初步拆解阶段和针对性拆解阶
段,分别适于小尺寸和大尺寸芯片的拆解。因此,本
试验设置4个升温阶段拆解PCB,不同升温阶段和
各阶段的保温时间见表1。表1拆解温度及保温时间设定表
holding time setting table上部加热
阶段上部保温时间/s90606060下部加热
温度/°c17下部保温时间/s90306060温度/°c17使用熔锡炉作为加热源,将焊锡融化在熔锡炉
内(图2),用导热布作为PCB与熔融焊锡的阻隔,避
免拆解下的芯片被焊锡污染而无法回收。通过熔锡
炉隔着导热布对整块PCB进行整体加热。加热后将
PCB上的屏蔽罩清除,根据实际情况,对拆除屏蔽罩
的PCB进行再次加热以使焊点熔融后拆除芯片。导热布 压板 手机线路板熔锡炉
Sn(63A)Table 1 Dismantling temperature and
芯片预热阶段图2无铅焊锡炉加热示意图
提温阶段初步拆解阶段针对性拆解阶段Fig. 2 Heating diagram of
lead-free soldering furnace2 试验结果与讨论鉴于芯片特性,对手机PCB进行分阶段升温,
首先是预热阶段,使PCB整体升温预热,去除湿气
避免芯片内部出现较大温差。再进行提温阶段升
温,使PCB整体温度提升并拆除屏蔽罩,拆除后不
仅方便后续芯片的拆解,且利于PCB上不同材料的
分类回收。后续的升温阶段可以按照不同芯片的拆
解温度设定初拆解阶段和针对性拆解阶段。2. 12.1.1升温速率的影响进行不同升温速率(1、2、3 °C/s)的升温拆解试
验。不同升温速率拆解过程的芯片温度如图3所
示,拆解下的芯片见图4。由图3可知,PCB上芯片
升温速率随出风口升温速率增大而提升。其中,
1 °C/s时芯片升温稳定但缓慢,从20 °C升温到233 °C
需要405 s,此时芯片可被拆解,但是芯片上焊点大
部分完整且残留铜箔(见图4),拆解的芯片完整但
拆解过程较为费力。2 °C/s时芯片从25 °C升温到
235 °C需要310 s,此时可被拆解,拆解下的芯片残
留一半的完整焊点且芯片平整完好。3 °C/s时芯片
升温快速.拆解时间大大缩短,芯片从26 °C升温到
233 °C需要294 s,此时拆解下的芯片完好且仅残留
焊点少。空气热对流法温度设定熔化芯片上焊球是拆解芯片的关键。试验通过
对PCB加热进而使焊球熔化来拆除芯片。根据实
际拆解试验和调研发现,拆解过程中升温速率、预热
温度、保温时间等因素对智能手机PCB的无损拆解
52011
3b»0〇
O>0〇
2505
鐘0 50 100 150 200 250 300 350 400 45050 100 150 200 250 300 350 40050 100 150 200 250 300 350时间/s时间/s时间/s图3不同升温速率下出风口及芯片实测的温度变化图
Fig. 3 Temperature change of air outlet and chip measured under different heating rate
2021年第5期有色金属(冶炼部分)(ysyl. bgrimm. cn)• 115 •(b)2
X./s (c)3 t/s图4Fig. 4不同升温速率下拆解的芯片
Chips disassembled at different heating rate综上所述,在不同升温速率条件下芯片均可完
成拆解,当升温速率选用3 °C/s时,不仅缩短芯片的
升温及拆解时间,而且拆解下的芯片最为完整,无损
拆解效率较好。2. 1.2预热阶段保温时间的影响将上下出风口的升温速率均设置为3 °C/S。进
行预热阶段不同保温时间(30、60、90 s)的升温拆解
试验。不同保温时间温度设置如表2所示,拆解试
验的升温过程和拆解下的芯片如图5〜6所示。由图5可看出,当预热阶段的保温时间越长,
芯片表面温度越接近设定温度,芯片表面温度整表2体提升后,达到拆解温度所需时间缩短。此外,
PCB的受热温度越高则挥发的有毒有害物质种类
越多、浓度越高[13],所以为避免或者减少拆解过程
中产生的有毒有害物质,拆解时应尽量选择缩短
PCB在高温区域的保温时间,提高拆解过程的安
全性。由图6可以看出,预热阶段保温时间为30 s时
整体拆解时间短,但是芯片已经有轻微损伤,不利于
再利用,随着预热阶段保温时间延长,拆解效果更
好,所以在预热阶段保温时间选择90 S,以利于实现
芯片的无损拆解。不同保温时间温度设置表
下部升温速率/(°C • s-1)Table 2 Temperature setting table for different holding time阶段温度/•〇水平1预热阶段 水平2水平3提温阶段初步拆解阶段针对性拆解阶段23上部加热上部保温时间/s3170上部升温速率/CC • s-')下部加热温度下部保温时间/s306090/V2303图5不同保温时间条件下出风口及芯片表面的温度变化图
Fig. 5 Temperature change diagram of air outlet and surface of chip under different heat preservation
• 116 •有色金属(冶炼部分)(ysyl. bgrimm. cn)2021年第5期(a)30 s (b)60 s (c)90 s图6不同保温时间条件下拆解的芯片
Fig. 6 Chips disassembled under different heat preservation2. 1.3预热温度的影响损残留少量焊点;170 °C时,芯片达到232.8 °C可拆
将上下出风口的升温速率均设置为3 °C/s。进
解,拆解总时间为294 s,拆解芯片平整完好仅残留
行预热阶段不同温度(150、170和190 °C)的升温拆
极少焊点;190 °C时,芯片达到233. 7 °C可以拆解
解试验,预热阶段不同温度设置如表3所示,拆解试
下来,拆解总时间为315 s,拆解芯片基本无焊点
验的升温过程和拆解下的芯片如图7〜8所示。可
残留。在190 °C时,芯片状态最佳,但是在170 °C
以看出,预热阶段温度为150 °C时,芯片达到234. 8 °C
时,拆解时间和拆解温度最低,所以预热阶段温度
可拆解,拆解总时间为309 s,拆解下的芯片完好无选择170 °C。表3预热阶段不同温度设置表Table 3 Table of different temperature settings during warm-up stage上部加热上部保温上部升温速率/下部加热下部保温下部升温速率/温度/°c时间/s(°C • s'1)温度l°c时间/s(V • s-1)水平1150150预热阶段 水平21709017090水平3190190提温阶段2306023060初步拆解阶段2406024060针对性拆解阶段2456024560图7不同预热温度条件下出风口及芯片表面的温度变化图
Fig. 7 Temperature change diagram of air outlet and chip surface
under different preheating temperature
2021年第5期有色金属(冶炼部分)(ysyl. bgrimm. cn)• 117 •(a) 150
°C(b)170
X(c)190
X.图8不同预热温度条件下拆解的芯片
Fig. 8 Chips disassembled under different preheating temperature2. 1.4芯片的升温速率对加热拆解时芯片的温度进行记录,可以看到,
芯片不同的升温阶段其升温速率有所差异(表4)。
由表4可以看出芯片实际升温趋势,在预热和提温
阶段的升温过程中,芯片在升温段升温速率较高,可
以较快提升芯片温度。在保温段芯片虽然升温速率
慢但也在保持稳定升温。在初步拆解和针对性拆解
阶段的升温过程中,芯片的升温速率明显变慢,且在
保温段升温也较为缓慢。根据试验结果,可以继续优化拆解温度曲线,增
加在预热和提温阶段的升温时间和保温时间,保证
芯片的高效升温,精确初步拆解和针对性拆解阶段
的峰值温度,以达到芯片焊点的熔融温度,便于芯片
的完整拆解。表4不同升温阶段芯片的实际升温速率
in different heating stages阶段预热阶段升温段保温段升温段保温段升温段保温段升温段保温段芯片实际升温速率/rc • s一1)1. 89〜2. 65
0• 12 〜0. 841. 06 〜2. 13
0• 13 〜0• 340• 21 〜1. 06
0.02〜0.070. 18〜0. 57
0. 05 〜0. 21芯片的拆解温度。图9展示了部分拆解下的手机^匕、斤* 〇LL表5不同芯片的拆解温度及停留时间
timetable of different chips拆解时芯片Table 5 Disassembly temperature and residence
芯片种类连接方式
芯片尺寸范围/mm13X13 〜15X1511X134X6〜5. 5X5. 5实测温度范围/停留时间/Sr223〜235215〜222200〜21520 〜9050 〜6030 〜50CPUROM基带芯片射频芯片BGABGALGA根据表5可知,智能手机PCB上BGA芯片的
面积和拆解温度一般大于LGA芯片。根据图9得
知BGA芯片的厚度和焊点数量明显大于LGA-H- LL斤"〇Table 4 Actual heating rate of chips
芯片厚度越大,热量传导到焊点的过程越慢。
且芯片面积越大,焊点越多,加热至焊点熔融状态所
需热量也越高。则在拆解BGA封装芯片时,需要
加热比LGA芯片更高的温度才能使焊点达到熔融
状态,进而拆下芯片。根据焊点熔融状态时的流体
力学分析[14],可知,拆解时水平力与芯片的焊点数
量、高度、面积等呈正相关,即拆解BGA芯片的拆
解力和需要的能量均大于LGA芯片。表5中所有拆解芯片均是安卓手机PCB上仅
以焊料连接的芯片,不含黏结胶。在拆解流程中可
以优先拆解小型基带芯片和射频芯片.再对ROM
进行拆解,最后拆解CPU。当选定好目标芯片时,也可以对照不同芯片的
拆解温度及停留时间要求进行温度曲线的设定,对
目标芯片进行针对性拆解回收。提温阶段初步拆解阶段针对性拆解阶段2.2
对比BGA和LGA芯片的拆解温度和保温
时间根据选取的升温条件对手机PCB进行拆解试
验,并记录拆解时的拆解温度、保温时间以及芯片
的大小和型号,总结出手机主要芯片的拆解温度
和保温时间范围。表5列出了不同尺寸范围手机
• 118 •有色金属(冶炼部分)(ysyl. bgrimm. cn)2021年第5期■画國画國国W4 SkyE|£Sr22^H£ I■
A匾■__ ■w基带、射频芯片_(a)CPU_部分拆解的手机芯片 图9Fig. 9Partially disassembled mobile phone chip2.3无铅焊锡炉温度设定及试验结果时,PCB升温到稳定温度后很难继续升温,进而难
以达到可拆解的温度范围,拆解难度较大,不利于
实现高效拆解。设定温度在250〜260 °C时,持续
加热几分钟,就可以将PCB上的屏蔽罩、小芯片、
元器件和大芯片逐步拆解下来。使用焊锡炉对
PCB进行拆解的拆解温度较高,PCB超过250 °C
持续加热2〜10 min后会产生苯、甲苯、乙苯、对,
间二甲苯、苯乙烯、邻二甲苯、萘等有害物质[13],因
此焊锡炉加热方法不利于实现高效绿色的芯片无
损拆解工艺。在拆解过程中,PCB与导热布和压板的接触面
存在差异也会对拆解情况有所影响。在拆解过程
中,把压板拿开对PCB进行拆解时,PCB的温度迅
速下降,也会对拆解产生影响。使用此方法进行升
温拆解的优点是拆下的芯片较为完整且数量较多,
缺点是无法稳定控制温度、拆解芯片没有针对性不
便回收、拆解过程中混人其他元器件等。设置两组无铅焊锡炉拆解试验,一组将手机
PCB直接在无铅焊锡炉的导热布上进行加热,另一
组是增加压板进行保温加热。对PCB持续加热后,
再对手机芯片进行同步拆解。第一组试验设置了 250和260 °C两个温度,将
PCB放置炉内,在峰值温度的不同停留时间对照PCB
的拆解情况,结果如表6所示。对照结果显示,将
PCB放置无铅焊锡炉内加热时,PCB升温情况不佳,
很难升温到设定温度,且PCB无法保温,不能达到将
焊点加热融化的目的,芯片和屏蔽罩均难以拆解。第二组试验设置了 245、250和260 °C三个温
度,对照不同停留时间PCB拆解情况,结果如表7
所示,焊锡炉加热拆解的PCB如图10所示。根据表7可知,加了压板后的加热过程有明显
的保温效果,可以使PCB保持稳定的升温速度,并
使焊点熔融进而拆解芯片。在温度设置在245 °C表6无压板无铅焊锡炉加热拆解线路板拆解情况对照表
and dismantling of lead-free soldering furnaceTable 6 Comparison table of circuit board dismantling by heating设定温度/°c250线路板实际温度/°c222试验序号12345678停留时间/min24623拆解情况无法拆除芯片无法拆除芯片无法拆除芯片无法拆除芯片无法拆除芯片无法拆除芯片仅可拆除屏蔽罩,且拆解效果不佳仅可拆除屏蔽罩260456
2021年第5期表7Table 7
有色金属(冶炼部分)(ysyl. bgrimm. cn)有压板无铅焊锡炉加热拆解线路板拆解情况对照表
• 119 •Comparison table of dismantling situation of circuit board dismantling by heatingand dismantling of lead-free soldering furnace with pressure plate试验序号12设定温度/*€停留时间/min46线路板实际温度/X:2225235245250拆解情况不易拆除屏蔽罩可快速拆除屏蔽罩可快速拆除屏蔽罩可快速拆除屏蔽罩可以取下取下屏蔽罩可快速拆除屏蔽罩,同时拆除部分小芯片可以完整拆下大部分芯片全部芯片均可快速拆除可快速拆除屏蔽罩,同时拆除部分小芯片可以拆除大部分芯片可以完整拆除大部分芯片全部芯片均可快速拆除24534567891⑷未拆解完全的PCB㈨完全拆解的PCB图10焊锡炉加热拆解的PCB
Fig. 10
2.4不同加热方式拆解过程PCB disassembled by soldering furnace under heating2) 空气热对流加热拆解过程中升温速率、预热
对照拆解PCB时的两种加热方式,可以清楚地
得出其不同及优缺点。空气热对流法加热过程稳定
可控,加热速度快,PCB升温速率稳定且几乎不受
其他条件影响.设定温度与PCB实际温度的温差不
大,且能保证在整个拆解过程中PCB温度稳定。热传导加热法可以保证拆解芯片和元器件的完
整性,但是保温条件受限,拆解过程可能会造成
PCB和芯片产生较大温度浮动,此方法适用于拆解
对温度浮动没有严格要求的元器件或芯片。大量元
器件同时拆解也可以应用此加热方法。阶段温度和保温时间都会影响芯片的实际温度和升
温速率,芯片在预热阶段和提温阶段升温效率更高,
预热阶段温度对拆解效率影响不大但是拆解下的芯
片完整性略有差异。预热阶段保温时间越长拆解芯
片越完整。3) 智能手机PCB上两种封装方式(BGA和
LGA)的芯片拆解温度和时间有所不同。BGA芯
片的面积一般大于LGA芯片面积,且拆解BGA芯
片时的实测温度(215〜235 °C)比LGA芯片的实测
温度(200〜215 °C)略高。4) 热传导法更适用于PCB整体拆解或者元器
件的同步拆解,但是拆解过程的保温效果不稳定,易
造成芯片温度的大幅下降.容易在升温过程中造成
芯片内部损伤。不利于保障回收芯片的合格率及再
利用。参考文献[1]向东.张永凯,李冬,等.面向元器件重用的废弃线路板3 结论1)在采用空气热对流的加热方式对PCB进行
加热拆解时,设置4个升温阶段,有利于去除芯片中
的湿气,同时还可以保证PCB整体升温,避免了后
续加热对芯片内部造成损伤。并且针对不同芯片设
置的升温阶段也有利于芯片的针对性拆解和无损拆
解,提高回收芯片的可再利用性能。
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