Recykling płytek drukowanych
Płytki drukowane stanowią podstawowy zespół wykorzystywany powszechnie przy produkcji różnego rodzaju wyrobów elektronicznych. Rozwój technologii wytwarzania produktów elektronicznych i stale rosnące stawiane im wymagania spowodowały w konsekwencji wzrost liczby płytek drukowanych w obrocie rynkowym. Z drugiej strony czas życia wielu wyrobów uległ skróceniu, przede wszystkim ze względu na szybkie starzenie funkcjonalne wytwarzanych wyrobów. W efekcie szacuje się, że ok. 3% tzw. złomu elektronicznego stanowią właśnie płytki drukowane4.
Płytka drukowana składa się z 3 części: nieprzewodzącego podłoża lub laminatu, przewodzących ścieżek metalicznych nałożonych na podłoże lub umieszczonych wewnątrz płytki i zmontowanych elementów. Płytki PCB zawierają 3 grupy materiałów: metale, związki organiczne i ceramikę. Materiał organiczny to głównie tworzywa sztuczne z domieszką związków zmniejszających palność i papier. Związki ceramiczne zawierają gł. Si i Al, czasami tlenki ziem alkalicznych, mikę i tytanek baru. Metale to zarówno metale rzadkie w rodzaju tantalu, galu czy innych platynowców, szlachetne: złoto, srebro czy pallad, jak też niebezpieczne: chrom, ołów, rtęć, beryl, kadm, cynk czy nikiel. Podstawową grupę stanowią jednak metale w rodzaju miedzi, żelaza, aluminium czy cyny. Zawartość metali z tych grup materiałowych jest zmienna, zależna od technologii i rodzaju wyrobów.
Aktualnie stosowane technologie recyklingu i utylizacji płytek PCB można podzielić na 2 grupy: technologie termiczne w rodzaju pirolizy, hydrometalurgii i metalurgii oraz technologie nietermiczne, czyli demontaż, rozdrabnianie, separacja i obróbka chemiczna. Podstawowe problemy związane z recyklingiem i utylizacją płytek drukowanych wynikają głównie z ich złożonej struktury i zróżnicowanego składu materiałowego. Dotyczą one takich zagadnień jak:
Podstawowym celem recyklingu płytek PCB jest redukcja szkodliwego oddziaływania na środowisko i odzyskanie maksymalnie surowców składowych. Pierwszym krokiem analizy jest przygotowanie próbki – przy użyciu rozdrabniaczy młynowych czy wirówkowych w celu uzyskania cząsteczek o średnicy poniżej 500 μm. W celu szybkiej i niedestrukcyjnej detekcji określonych związków chemicznych stosuje się analizę fluoroscencyjną przy użyciu promieni RTG z rozpraszaniem energii. Powierzchnia próbki napromieniowywana jest promieniami X, co pobudza cząsteczki związków chemicznych do emisji promieniowania wykrywanego za pośrednictwem detektora półprzewodnikowego. Powstałe widmo poddawane jest analizie umożliwiającej jakościowe i ilościowe określenie zawartych związków.
W celu wykonania analizy materiałowej, zwłaszcza tworzyw sztucznych i dodatków uszlachetniających (pigmentów, środków zmniejszających tarcie i palność) wykorzystuje się m.in. termograwimetrię, różnicową analizę termalną, spektroskopię w podczerwieni czy chromatografię gazową lub cieczową i spektrometrię masową.
Demontaż polega na oddzieleniu części nadających się do ponownego wykorzystania od części niebezpiecznych i rozłożeniu urządzeń na drobniejsze elementy składowe nadające się do dalszego przetwarzania.
Wyróżnia się 2 dwie metody demontażu płytek PCB: selektywny i jednoczesny. W pierwszym przypadku następuje rozpoznanie i odszukanie określonego komponentu na powierzchni płytki PCB, określenie jego współrzędnych i zastosowanych połączeń, a następnie jego selektywny demontaż (zasada „rozpoznaj i chwyć” – ang. look and pick1,4). W drugim przypadku płytka PCB jest podgrzewana w celu wylutowania i jednoczesnego usunięcia wszystkich komponentów. Usunięte elementy muszą zostać posortowane przy wykorzystaniu ich indywidualnych własności geometrycznych i fizycznych przez system identyfikacji (zasada “usuń i sortuj” – ang. evacuate and sort).
Rys. Zespół demontażu automatycznego
Przy obu tych metodach demontażu konieczne jest dysponowanie odpowiednimi informacjami o demontowanych elementach pochodzącymi z podsystemu sortowania i identyfikacji. W przypadku demontażu selektywnego potrzebne są dane o typach komponentów, ich współrzędnych i orientacji. Proces identyfikacji powinien odbywać się bardzo szybko, w czasie rzeczywistym, w systemie identyfikacji wypracowującym odpowiednie dane dla systemu sterowania. W przypadku demontażu jednoczesnego potrzebny jest dodatkowy proces sortowania bazujący na takich kryteriach jak geometria, gęstość lub właściwości magnetyczne demontowanych komponentów.
K. Feldmann i H. Scheller4,5 zaproponowali automatyczny zespół do demontażu płytek PCB. Przed demontażem elementy toksyczne i nadające się do ponownego wykorzystania usuwane są ręcznie. Dalej, przy wykorzystaniu trójwymiarowej analizy obrazów, następuje identyfikacja interesujących elementów poprzez porównanie ich z wzorcami z bazy danych, określenie ich współrzędnych, a następnie selektywny ich demontaż. Następnie wszystkie elementy trafiają sekwencyjnie do segregatora, który przy wykorzystaniu zespołu czujników dokonuje klasyfikacji elementów na kilka grup, np.: do ponownego wykorzystania, niebezpieczne i zawierające metale szlachetne (do dalszej utylizacji).
H. Zebedin, K.Daichendt, P. Kopacek4,6 przedstawili półautomatyczne gniazdo do demontażu płytek PCB, w którym część sterująca, składająca się z 4 komputerów PC i kilku sterowników PLC, zarządza podsystemem wizyjnym, transportowym, wylutowującym i robotem przemysłowym. System wizyjny dokonuje klasyfikacji elementów na płytce PCB, wyróżniając komponenty do ponownego wykorzystania, potencjalnie niebezpieczne oraz pozostałe. Innym przykładem rozwiązania demontażu automatycznego jest linia firmy NEC Corporation. W urządzeniu tym płytka drukowana montowana jest w uchwycie trzymającym ją w pozycji poziomej lub pionowej. Następnie stosuje się procesy spalania i zgniatania w celu redukcji wagi i homogenizacji złomu (30%).
Po operacjach demontażu następnym krokiem w procesach recyklingu są operacje separacji i koncentracji. Po rozdrobnieniu odpadów po płytkach PCB poddaje się je takim procesom jak: separacja z wykorzystaniem różnicy wymiarów cząsteczek, ciężaru właściwego i własności magnetycznych, separacja elektrostatyczna czy z wykorzystaniem prądów wirowych. W przypadku separacji z wykorzystaniem różnicy wymiarów cząsteczek wykorzystuje się odpowiednie sita, zaś przy dużych różnicach w ciężarach właściwych segregowanych materiałów stosuje się separację cieczową. Separację magnetyczną stosuje się do oddzielenia cząstek o własnościach magnetycznych od cząstek niewykazujących tych właściwości. Z kolei przy separacji elektrostatycznej wykorzystujemy różnice w przewodności elektrycznej segregowanych materiałów objawiające się różną zdolnością do gromadzenia ładunku elektrycznego i jego polaryzacją.
Przy separacji z użyciem prądów wirowych wykorzystuje się różnice w oddziaływaniu pola magnetycznego na cząstki ferromagnetyczne i cząstki niewykazujące tych własności przy poddawaniu ich jednoczesnemu oddziaływaniu innych sił, np. siły odśrodkowej w trakcie wirowania. W praktyce wykorzystuje się najczęściej kombinacje ww. metod w celu osiągnięcia pożądanego stopnia separacji.
Podstawowe czynniki to kształt, rozmiar i sposób powiązania komponentów i materiałów. Kształt wpływa bezpośrednio na każdą z ww. metod separacji, głównie jeśli chodzi o stosowane siły, prędkości i konfiguracje narzędzi. Rozmiar cząsteczek wpływa głównie na tzw. stopień uwolnienia materiału (LD – ang. liberation degree), który określany jest relacją swobodnych cząstek danego materiału do sumy cząstek swobodnych i związanych tego samego materiału.
Sposób powiązania komponentów i materiałów wpływa również na wartość LD. Zasadniczo powiązania te możemy podzielić na dwie grupy: mechaniczne i inkludowane. Te pierwsze to np. spawanie, nitowanie, zaciskanie, owijanie, pokrywanie, wciskanie itp., zaś inkludowane to np. wszelkiego rodzaju stopy, pokrycia, platerowanie itp.
Skuteczność recyklingu można scharakteryzować w 2 aspektach: efektywności odzyskiwania materiałów i wpływu recyklingu na środowisko. W tym celu zdefiniowano 2 współczynniki: RPP (ang. resource recovery potential) – potencjał wykorzystania zasobów i RRE (ang. resource recovery efficiency) – efektywność wykorzystania zasobów, gdzie:
RRP = Σi Fi / Pi x Ci / Ri ~ Σi Fi / Ri
RRE = Σi Ei x Fi / Pi x Ci / Ri ~ Σi Ei x Fi / Ri
E – procent odzyskanych zasobów w czasie recyklingu, F – zawartość danego zasobu w 1 t złomu, P – roczna produkcja danego zasobu, C – roczne zużycie danego zasobu, R – światowe zasoby danego zasobu, I – liczba rozpatrywanych zasobów w danej partii złomu.
Wyjściowymi produktami procesu demontażu są części do ponownego wykorzystania, elementy niebezpieczne, związki metaliczne (w tym metale szlachetne) i sama zdemontowana płytka. Elementy te są poddawane dalszemu przerobowi czy selekcji z wykorzystaniem separatorów wykorzystujących prądy wirowe do oddzielenia cząstek o różnych własnościach magnetycznych.
Wiele produktów wyjściowych z poprzednich faz procesów przetwarzania, zwłaszcza metali, wymaga dodatkowej obróbki termicznej w celu zwiększenia ich czystości. Większość tych procesów nastawiona jest na odzyskiwanie miedzi, ołowiu i cyny, zaś stosowane technologie to ponowne przetapianie, oczyszczanie elektrolityczne i piroliza (gł. na etapie prac eksperymentalnych). Generalnie dominują procesy oparte o spalanie (700ºC) i topienie (1250ºC).
Większość obecnie stosowanych technologii recyklingu płytek drukowanych nie pozwala na utylizację części z tworzyw sztucznych i ceramicznych zawartych w płytkach PCB, które z reguły po oddzieleniu od związków metalicznych trafiają na wysypiska. Następnym problemem do rozwiązania jest automatyzacja procesów demontażu płytek PCB, co wymaga dalszych prac w zakresie metod rozpoznawania obrazów.
Idealny proces recyklingu to taki, który umożliwia odzyskanie większości elementów i materiałów przy możliwie minimalnym oddziaływaniu na środowisko, z akcentem położonym na to ostatnie. Te dwa aspekty powinny stanowić kluczowe kryteria oceny istniejących i nowo opracowywanych technologii.
Z kolei analiza cyklu życia płytek PCB wskazuje na celowość eliminowania z ich konstrukcji trudnych do utylizacji elementów z tworzyw sztucznych i zastępowania ich np. elementami ceramicznymi czy materiałami bazującymi na polimerach CHO. Należy również dążyć do wyeliminowania związków i metali toksycznych (kadm, tantal czy beryl), zastępując je metalami łatwymi do utylizacji.
Płytka drukowana składa się z 3 części: nieprzewodzącego podłoża lub laminatu, przewodzących ścieżek metalicznych nałożonych na podłoże lub umieszczonych wewnątrz płytki i zmontowanych elementów. Płytki PCB zawierają 3 grupy materiałów: metale, związki organiczne i ceramikę. Materiał organiczny to głównie tworzywa sztuczne z domieszką związków zmniejszających palność i papier. Związki ceramiczne zawierają gł. Si i Al, czasami tlenki ziem alkalicznych, mikę i tytanek baru. Metale to zarówno metale rzadkie w rodzaju tantalu, galu czy innych platynowców, szlachetne: złoto, srebro czy pallad, jak też niebezpieczne: chrom, ołów, rtęć, beryl, kadm, cynk czy nikiel. Podstawową grupę stanowią jednak metale w rodzaju miedzi, żelaza, aluminium czy cyny. Zawartość metali z tych grup materiałowych jest zmienna, zależna od technologii i rodzaju wyrobów.
Obecne metody recyklingu płytek PCB
Aktualnie stosowane technologie recyklingu i utylizacji płytek PCB można podzielić na 2 grupy: technologie termiczne w rodzaju pirolizy, hydrometalurgii i metalurgii oraz technologie nietermiczne, czyli demontaż, rozdrabnianie, separacja i obróbka chemiczna. Podstawowe problemy związane z recyklingiem i utylizacją płytek drukowanych wynikają głównie z ich złożonej struktury i zróżnicowanego składu materiałowego. Dotyczą one takich zagadnień jak:
- trudności z określeniem dokładnej struktury materiałowej,
- niski procent recyklingu (obecnie stosowane technologie nastawione są gł. na odzyskiwanie metali, które stanowią tylko 28% wag. PCB; 70% złomu w postaci płytek PCB nie podlega recyklingowi),
- utrudnienie automatyzacji procesów demontażu i segregacji płytek PCB spowodowane różnorodnością konstrukcji i brakiem standardów,
- niska efektywność procesów odzysku (metale rzadkie, takie jak np. tantal, występują na płytkach w małych ilościach i przy małej koncentracji),
- brak technologii recyklingu neutralnej względem środowiska.
Recykling
Podstawowym celem recyklingu płytek PCB jest redukcja szkodliwego oddziaływania na środowisko i odzyskanie maksymalnie surowców składowych. Pierwszym krokiem analizy jest przygotowanie próbki – przy użyciu rozdrabniaczy młynowych czy wirówkowych w celu uzyskania cząsteczek o średnicy poniżej 500 μm. W celu szybkiej i niedestrukcyjnej detekcji określonych związków chemicznych stosuje się analizę fluoroscencyjną przy użyciu promieni RTG z rozpraszaniem energii. Powierzchnia próbki napromieniowywana jest promieniami X, co pobudza cząsteczki związków chemicznych do emisji promieniowania wykrywanego za pośrednictwem detektora półprzewodnikowego. Powstałe widmo poddawane jest analizie umożliwiającej jakościowe i ilościowe określenie zawartych związków.
W celu wykonania analizy materiałowej, zwłaszcza tworzyw sztucznych i dodatków uszlachetniających (pigmentów, środków zmniejszających tarcie i palność) wykorzystuje się m.in. termograwimetrię, różnicową analizę termalną, spektroskopię w podczerwieni czy chromatografię gazową lub cieczową i spektrometrię masową.
Demontaż
Demontaż polega na oddzieleniu części nadających się do ponownego wykorzystania od części niebezpiecznych i rozłożeniu urządzeń na drobniejsze elementy składowe nadające się do dalszego przetwarzania.
Wyróżnia się 2 dwie metody demontażu płytek PCB: selektywny i jednoczesny. W pierwszym przypadku następuje rozpoznanie i odszukanie określonego komponentu na powierzchni płytki PCB, określenie jego współrzędnych i zastosowanych połączeń, a następnie jego selektywny demontaż (zasada „rozpoznaj i chwyć” – ang. look and pick1,4). W drugim przypadku płytka PCB jest podgrzewana w celu wylutowania i jednoczesnego usunięcia wszystkich komponentów. Usunięte elementy muszą zostać posortowane przy wykorzystaniu ich indywidualnych własności geometrycznych i fizycznych przez system identyfikacji (zasada “usuń i sortuj” – ang. evacuate and sort).
Przy obu tych metodach demontażu konieczne jest dysponowanie odpowiednimi informacjami o demontowanych elementach pochodzącymi z podsystemu sortowania i identyfikacji. W przypadku demontażu selektywnego potrzebne są dane o typach komponentów, ich współrzędnych i orientacji. Proces identyfikacji powinien odbywać się bardzo szybko, w czasie rzeczywistym, w systemie identyfikacji wypracowującym odpowiednie dane dla systemu sterowania. W przypadku demontażu jednoczesnego potrzebny jest dodatkowy proces sortowania bazujący na takich kryteriach jak geometria, gęstość lub właściwości magnetyczne demontowanych komponentów.
K. Feldmann i H. Scheller4,5 zaproponowali automatyczny zespół do demontażu płytek PCB. Przed demontażem elementy toksyczne i nadające się do ponownego wykorzystania usuwane są ręcznie. Dalej, przy wykorzystaniu trójwymiarowej analizy obrazów, następuje identyfikacja interesujących elementów poprzez porównanie ich z wzorcami z bazy danych, określenie ich współrzędnych, a następnie selektywny ich demontaż. Następnie wszystkie elementy trafiają sekwencyjnie do segregatora, który przy wykorzystaniu zespołu czujników dokonuje klasyfikacji elementów na kilka grup, np.: do ponownego wykorzystania, niebezpieczne i zawierające metale szlachetne (do dalszej utylizacji).
H. Zebedin, K.Daichendt, P. Kopacek4,6 przedstawili półautomatyczne gniazdo do demontażu płytek PCB, w którym część sterująca, składająca się z 4 komputerów PC i kilku sterowników PLC, zarządza podsystemem wizyjnym, transportowym, wylutowującym i robotem przemysłowym. System wizyjny dokonuje klasyfikacji elementów na płytce PCB, wyróżniając komponenty do ponownego wykorzystania, potencjalnie niebezpieczne oraz pozostałe. Innym przykładem rozwiązania demontażu automatycznego jest linia firmy NEC Corporation. W urządzeniu tym płytka drukowana montowana jest w uchwycie trzymającym ją w pozycji poziomej lub pionowej. Następnie stosuje się procesy spalania i zgniatania w celu redukcji wagi i homogenizacji złomu (30%).
Separacja/koncentracja
Po operacjach demontażu następnym krokiem w procesach recyklingu są operacje separacji i koncentracji. Po rozdrobnieniu odpadów po płytkach PCB poddaje się je takim procesom jak: separacja z wykorzystaniem różnicy wymiarów cząsteczek, ciężaru właściwego i własności magnetycznych, separacja elektrostatyczna czy z wykorzystaniem prądów wirowych. W przypadku separacji z wykorzystaniem różnicy wymiarów cząsteczek wykorzystuje się odpowiednie sita, zaś przy dużych różnicach w ciężarach właściwych segregowanych materiałów stosuje się separację cieczową. Separację magnetyczną stosuje się do oddzielenia cząstek o własnościach magnetycznych od cząstek niewykazujących tych właściwości. Z kolei przy separacji elektrostatycznej wykorzystujemy różnice w przewodności elektrycznej segregowanych materiałów objawiające się różną zdolnością do gromadzenia ładunku elektrycznego i jego polaryzacją.
Przy separacji z użyciem prądów wirowych wykorzystuje się różnice w oddziaływaniu pola magnetycznego na cząstki ferromagnetyczne i cząstki niewykazujące tych własności przy poddawaniu ich jednoczesnemu oddziaływaniu innych sił, np. siły odśrodkowej w trakcie wirowania. W praktyce wykorzystuje się najczęściej kombinacje ww. metod w celu osiągnięcia pożądanego stopnia separacji.
Czynniki wpływające na separację
Podstawowe czynniki to kształt, rozmiar i sposób powiązania komponentów i materiałów. Kształt wpływa bezpośrednio na każdą z ww. metod separacji, głównie jeśli chodzi o stosowane siły, prędkości i konfiguracje narzędzi. Rozmiar cząsteczek wpływa głównie na tzw. stopień uwolnienia materiału (LD – ang. liberation degree), który określany jest relacją swobodnych cząstek danego materiału do sumy cząstek swobodnych i związanych tego samego materiału.
Sposób powiązania komponentów i materiałów wpływa również na wartość LD. Zasadniczo powiązania te możemy podzielić na dwie grupy: mechaniczne i inkludowane. Te pierwsze to np. spawanie, nitowanie, zaciskanie, owijanie, pokrywanie, wciskanie itp., zaś inkludowane to np. wszelkiego rodzaju stopy, pokrycia, platerowanie itp.
Oczyszczanie/odzyskiwanie
Skuteczność recyklingu można scharakteryzować w 2 aspektach: efektywności odzyskiwania materiałów i wpływu recyklingu na środowisko. W tym celu zdefiniowano 2 współczynniki: RPP (ang. resource recovery potential) – potencjał wykorzystania zasobów i RRE (ang. resource recovery efficiency) – efektywność wykorzystania zasobów, gdzie:
RRP = Σi Fi / Pi x Ci / Ri ~ Σi Fi / Ri
RRE = Σi Ei x Fi / Pi x Ci / Ri ~ Σi Ei x Fi / Ri
E – procent odzyskanych zasobów w czasie recyklingu, F – zawartość danego zasobu w 1 t złomu, P – roczna produkcja danego zasobu, C – roczne zużycie danego zasobu, R – światowe zasoby danego zasobu, I – liczba rozpatrywanych zasobów w danej partii złomu.
Obróbka nietermiczna i termiczna
Wyjściowymi produktami procesu demontażu są części do ponownego wykorzystania, elementy niebezpieczne, związki metaliczne (w tym metale szlachetne) i sama zdemontowana płytka. Elementy te są poddawane dalszemu przerobowi czy selekcji z wykorzystaniem separatorów wykorzystujących prądy wirowe do oddzielenia cząstek o różnych własnościach magnetycznych.
Wiele produktów wyjściowych z poprzednich faz procesów przetwarzania, zwłaszcza metali, wymaga dodatkowej obróbki termicznej w celu zwiększenia ich czystości. Większość tych procesów nastawiona jest na odzyskiwanie miedzi, ołowiu i cyny, zaś stosowane technologie to ponowne przetapianie, oczyszczanie elektrolityczne i piroliza (gł. na etapie prac eksperymentalnych). Generalnie dominują procesy oparte o spalanie (700ºC) i topienie (1250ºC).
Wnioski
Większość obecnie stosowanych technologii recyklingu płytek drukowanych nie pozwala na utylizację części z tworzyw sztucznych i ceramicznych zawartych w płytkach PCB, które z reguły po oddzieleniu od związków metalicznych trafiają na wysypiska. Następnym problemem do rozwiązania jest automatyzacja procesów demontażu płytek PCB, co wymaga dalszych prac w zakresie metod rozpoznawania obrazów.
Idealny proces recyklingu to taki, który umożliwia odzyskanie większości elementów i materiałów przy możliwie minimalnym oddziaływaniu na środowisko, z akcentem położonym na to ostatnie. Te dwa aspekty powinny stanowić kluczowe kryteria oceny istniejących i nowo opracowywanych technologii.
Z kolei analiza cyklu życia płytek PCB wskazuje na celowość eliminowania z ich konstrukcji trudnych do utylizacji elementów z tworzyw sztucznych i zastępowania ich np. elementami ceramicznymi czy materiałami bazującymi na polimerach CHO. Należy również dążyć do wyeliminowania związków i metali toksycznych (kadm, tantal czy beryl), zastępując je metalami łatwymi do utylizacji.
- Źródła
- Legarth J.B.: Recykling of electronic scrap. Proc. Of IEEE Conf. 2002.
- Legarth J.B., Alting L., Danzer B., et all.: A new strategy in the recycling of printed circuits boards. Proc. Of IEEE Conf. 2002.
- Kerridge B.: Getting green PC boards becomes a burning issue. Proc. Of IEEE Conf. 2002.
- Gao Z., Li J., Zhang H.: Printed circuits board recycling: a state- of- art. survey. Proc. Of IEEE Conf. 2002.
- Feldmann K., Scheller H.: The printed circuit board – a challenge for automated disassembly and for the design of recyclable interconnect devices. Proc. Of IEEE Conf. 2002.
- Zebedin H., Daichendt K., Kopacek P.: A new strategy for a flexible semi-automatic disassembling cell of printed circuit boards. Proc. Of IEEE Conf. 2002.
Witold Kornacki
Przemysłowy Instytut Elektroniki, Warszawa
Przemysłowy Instytut Elektroniki, Warszawa
