第一章 绪论
1.1. 研究背景
近年来，随着经济的增长，电子电器产品的不断创新以及信息化时代的全面覆盖，包括智能手机在内的电子电器产品更新换代速率不断加快，进而导致了废弃电子电器产品以及废弃手机的数量逐年飞速上升。根据联合国发布的《2020 年全球电子废弃物监测》报告，仅 2019 年全球就产生了 5360 万吨电子垃圾。由此可见，电子废弃物已成为世界上增长最快的垃圾。预计到 2030 年将达到 7400 万吨，2050 年增至 1.2 亿吨[1]。废弃手机就是大量增长的电子垃圾中的一部分[2]其主要由塑料外壳、锂电池、印刷线路板（Printed Circuit Board，PCB）、显示器等几大部分组成。这些部件中含有铅、铬、汞等有毒有害物质，不当的处置将会导致大量废气、废水、废渣等污染物质流入环境中，严重污染空气、地下水和土壤等环境；废弃 PCB 中还有含多溴联苯、多溴联苯醚等含溴阻燃剂，具有致癌、致畸、致突变的危害[3]，处理不当则会对人类的身体健康构成巨大的威胁。废弃电子电器的再使用、再制造和资源化等一系列的处理处置手段方法正逐渐引起更多人们的重视[4]。废弃电子电器中含有大量高回收价值的 PCB，但不恰当的回收处置方式则会对环境产生新的污染和危害[5]。如何绿色高效处置废旧手机 PCB 是减少环境污染问题的关键。
虽然废弃手机 PCB 的结构复杂，成分多样，却有良好的资源性，是一种优质的二次资源[6-7]，其中金属含量较高。PCB 中不仅含有一定量的金、银和钯等贵金属，还含有铜、铝和铁等普通金属材料。所以最初对废弃 PCB 的处理是以加工回收其中的金属材料为主。一般是通过手工拆解、酸洗和焚烧等回收方法，此外，煤加热板上熔化焊料的原始方法也一直占据着主导地位。这些简单粗暴的处理方式会产生大量有毒有害物质[8]，例如二噁英、甲苯等，造成严重的污染对人类健康构成了现实的威胁[9-10]。近年来对废弃 PCB 资源化的处理方法有所改进，目前主要方法包括机械处理方法、湿法冶金[11]、火法冶金[12]、化学溶解法、热解法[13]和生物法[14]。随着研究的深入，他们发现火法和湿法回收都会对环境造成二次污染，而生物法仍不成熟。这些方法都注重于将 PCB 以不同材料进行分类回收，并没有考虑到 PCB 上其他元器件的再利用价值。再利用的概念包括不同阶段，最大限度地利用电器或电子装置进行第二次生命，直到重复使用其中有价值的部分。因此，再利用的选择是延长产品使用寿命的另一种选择，从而延迟其进入回收的时间[15]。欧洲共同体内部的新的立法倡议（IPP、EEE、WEEE）促进了这些概念。关于电子电气设备产生的废物处理的指令规定了精确的回收率和回收目标，并侧重于增加对部件、材料和物质的再利用[16-17]。
.................................
1.2 国内外废旧线路板拆解方法
废旧线路板上元器件拆解工作过程中，有两个关键环节，第一个是热力解焊，即通过加热使元器件与 PCB 间的焊料熔融，解除其中的连接力。第二个环节是机械力拆解，主要是通过外力分离焊料并拆解元器件。
1.2.1 热力解焊
PCB 上的焊料在温度到达一定的熔点时就会融化，焊锡的种类很多，其中电子电器产品中最常见的是 63Sn/37Pb 锡铅共晶合金，共晶熔点是 180℃。还有新型的无铅焊料，这种焊料的熔点比含铅焊料的高很多，达到 250℃。常见的加热解焊方法有以下几种：
（1）空气加热法。此方法是先将空气加热，从而使热空气与 PCB 接触，利用热空气加热焊锡[26]，使 PCB 上焊锡的温度到达融化温度，解除元器件与 PCB 间的焊接力，进而实现拆解 PCB 上元器件的目的。这个方法的优点是设备制造简单、成本低廉、技术相对成熟，具有实现工业化的巨大可能性，并且通过此方法拆解下的元器件没有其他杂质的污染。其缺点是空气作为热量的传导介质在传导过程中易造成能量损失，导致热利用率不高，而且在拆解过程中过高的温度会导致 PCB 中有毒有害物质释放到环境中，造成环境污染。国内外研究学者利用空气加热法拆解 PCB 上元器件的工艺和设备有很多。
向东等人[27]设计的新型空气加热炉，增加多个空气进出口，解决了加热炉内温度不均匀以及热能耗散快的缺点，提高了热空气的循环利用效率。杨继平等[28]开发针对 PCB上芯片的拆解设备，采用的就是热空气作为介质，对流加热的方式进行加热，使焊锡融化。德国 Klaus Feldmann 和 Herbert Scheller 提出的一个自动拆解单元模型[29]，首先对废弃 PCB 进行清理分类，进而进行拆解环节，其中对表面安装类元器件即采用热空气加热方法。
（2）红外加热法。此方式是利用红外射线照射 PCB，待 PCB 吸收红外射线后，能够引起物质分子结构发生激烈的震荡，从而产生热能。这个方法优点是升温快、并且脱焊效果较好，释放到环境中的有毒气体产量少。由于是直接作用在待拆解 PCB 上，所以不会有能量在传热过程中损失，能量的效率较高。但是缺点是拆解的元器件包含芯片，受到红外热辐射会有一定的损伤，影响回收芯片的经济价值。
.....................................
第二章 拆解实验装置及原料预处理
2.1 实验设备及操作
本研究通过两种加热方法进行拆解实验。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，利于芯片均匀加热，更易于实现 PCB 的拆解自动化，可用于单个元器件或者 PCB 整体加热[55]；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。拆解过程中首先要是将 PCB 上的屏蔽罩拆除，有两个目的，一个是确保在拆解过程中芯片的外部不被破坏，另一个是保障芯片升温效率。
2.1.1 空气热对流加热
加热所用仪器是 BGM 返修台，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，用小镊子轻轻平推芯片，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 2.1 空气热对流加热设备图
2.2 实验材料预处理
不同品牌和型号的手机线路板上元器件和配件的分布情况各有不同。选择一些具有代表性及销量较好的智能手机作为拆解实验对象。所以选取 20 款不同品牌和型号的手机进行拆解，收集记录元器件分布和芯片情况。20 款智能手机品牌及型号分别是：华为Mate8、华为 P9、荣耀 8、荣耀 V10、华为畅想 5S、iPhone6、iPhone6 Plus、iPhone7、vivo X7、vivo X7 Plus、vivo X7、vivo X7 Plus、vivo X9、vivo Y66、OPPO R9、OPPO R11S、OPPO A37、OPPO A57、小米 3、小米 6、三星 Galaxy C5 和三星 Galaxy S7 Edge。
2.2.1 手机线路板
对 20 款智能手机进行细致拆解，对手机的部件进行统计，判断废旧手机中具有较优性能的部件。并且着重对线路板进行信息统计记录。
拆解后对比其线路板及芯片分布特点。首先从形状上可以观察到，市面上大部分手机线路板的形状是长方形的（图 2.3），且相应的摄像头的位置，线路板会有对应位置缺口。小部分手机（如 iPhone 系列）线路板形状为 L 形（图 2.4），线路板上芯片和元器件分布紧凑。
图 2.3 长方形线路板
第三章 拆解实验及结果讨论 .......................... 14
3.1 空气热对流拆解实验结果与讨论 ................................. 14
3.1.1 针对无底部填充胶芯片的空气热对流法实验结果讨论 ........................... 14
3.1.2 针对有无底部填充胶芯片的拆解过程对照实验结果讨论 ....................... 21
第四章 拆解过程中的力学分析 ............................. 29
4.1 理论拆解力分析 ...................................... 29
4.1.1 水平方向拆解拆解力 ......................... 29
4.1.2 垂直方向拆解拆解力 ................................... 30
第五章 不同温度下拆解过程对空气的污染影响 ......................................... 42
5.1 温度对产生 VOCs 的影响 ................................... 42
5.1.1 污染源处累积 VOCs 浓度随温度变化的趋势 ........................... 42
5.1.2 不同温度下污染源瞬时 VOCs 浓度变化 ................................ 43
第五章 不同温度下拆解过程对空气的污染影响
5.1 温度对产生
VOCs 的影响 不同的加热温度拆解芯片时，产生的 VOCs 的浓度会不断变化。通过改变拆解温度，探究拆解温度对产生废气的影响。
5.1.1 污染源处累积
VOCs 浓度随温度变化的趋势 采用空气热对流方式进行加热。加热设备选用 BGA 返修台，检测 VOCs 浓度设备选用霍尼韦尔品牌（MiniRAE 3000），将废旧线路板固定后，把上下出风口对准目标芯片的正反相应位置。设置升温速率为 3℃/s，选取 215℃、225℃、235℃、245℃、255℃和 265℃6 个保温温度进行测试。保温时间均在 7-8min 范围内。在距离芯片 3-5cm 出放置 VOCs 浓度检测设备，记录热拆解单个废旧线路板上目标芯片过程中的 VOCs 浓度变化。
图 5.1 热拆解过程的 VOCs 监测示意图
第六章 结论与展望
6.1 结论
废旧手机线路板数量巨大，若处置不当则会对环境造成污染，基于芯片再利用目的，研究了无损拆解废旧手机线路板芯片的过程，首先是选择废旧线路板上回收价值的手机芯片作为拆解回收的主要芯片；其次是确定拆解过程中的较优升温曲线及机械拆解力，保证回收芯片外观的完整性，避免回收芯片在拆解全过程受到损伤影响价值；三是根据热拆解时废气污染物浓度，优化热拆解温度，以减少拆解方案中污染物的产生。以此实现废弃 PCB 的绿色高效的资源化。
经过一系列实验和研究，本文的主要结论如下：
1.通过拆解不同品牌型号的废旧智能手机，汇集废旧线路板上芯片信息，确定了线路板具有长方形线路板、L 形线路板等形状，具有双层屏蔽罩、单层屏蔽罩、无屏蔽罩等结构。废旧线路板上的 CPU 和 ROM 具有回收市场和回收价值。
2.常见手机 CPU 的形状规则，尺寸均在 12*12~16*16mm2范围内，重量不超过 0.8g。ROM 的形状规则尺寸各异，重量不超过 0.38g。均为 BGA 封装方式。根据芯片特性，在拆解过程中不均匀受热升温会导致芯片弯曲变形，大幅度升温会导致芯片在拆解时会因存在湿气而出现内部结构的损伤。所以在热拆解时，应注意匀速分阶段升温，分阶段去芯片内部除湿气、提升芯片温度、熔融焊点。
3.通过实验确定空气热对流加热拆解芯片效果更好。分阶升温可以保证拆解效果。经过实验测试，确定升温速率为 3℃/s 时拆解效果好拆解时间适宜。在预热阶段选择170℃保温 90s 拆解芯片效果较好，拆下的芯片较为完整且没有其他杂质附着。有底部填充胶的芯片在拆解时需要更长时间或更高温度，当加热温度或者时间不足时，拆解下的芯片焊点连接面可能会有杂质残留。
4.针对智能手机 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℃)比 LGA 芯片的实测温度（200℃-215℃）略高。
5.在焊点熔融状态下，理论力学分析得到水平方向最小拆除力和垂直方向最小拆除力。经过实验验证基本符合计算规律，无底部填充胶时，水平拆解力小于垂直拆解力。拆解芯片时，可以选择从水平方向拆解。当芯片含有底部填充胶时，热拆解时也存在一定的影响，会在拆解时产生一定阻力，此时垂直拆解力小于水平拆解力。
参考文献（略）