Systemowy odzysk elementów elektronicznych - aspekt ekologiczny

Możliwość ponownego zastosowania używanych płyt głównych i powstania ekologicznych produktów jest trudna do wyobrażenia. Z drugiej jednak strony należy zwrócić uwagę na ilość odpadów elektronicznych, które wraz ze wzrostem sprzedaży oraz produkcji elektroniki osiągnęły 8 milionów ton rocznie na terenie samej Unii Europejskiej i szacuje się, że będą wzrastać o 3%-5% rocznie.

Odpady elektroniczne należą do odpadów niebezpiecznych, co jest spowodowane zawartymi w nich pierwiastkami, takimi jak ołów, rtęć, beryl. W związku z tym Unia Europejska wprowadziła dyrektywę 2002/96/WE, której głównym celem jest zwiększenie recyklingu zużytych sprzętów elektronicznych.

Podjęte inicjatywy mają za zadanie zwiększyć efektywność odzyskiwania pierwiastków oraz materiałów elektronicznych z wycofanych z użycia urządzeń. Inwestycje ukierunkowane na poprawę technologii recyklingu pozwalają na ograniczenie nielegalnego transportu odpadów elektronicznych do krajów rozwijających się, gdzie niewłaściwe metody odzysku przyczyniają się do degradacji środowiska oraz narażenia zdrowia ludności. W trakcie obróbki odpadów uwalniane są m.in. rakotwórcze polichlorowane dibenzodioksyny.

Z odpadów elektronicznych odzyskuje się przede wszystkim: szkło, tworzywa sztuczne, miedź, aluminium, srebro, pallad oraz złoto, które mogą być wykorzystane do produkcji płytek drukowanych i komponentów elektronicznych. Dla przykładu koncentracja złota w naturalnej rudzie wynosi kilka gramów w jednej tonie rudy, a możliwa ilość do odzyskania z płytek elektronicznych to od kilkunastu do tysiąca gramów w jednej tonie elektrośmieci.

Recykling miliona telefonów komórkowych pozwala na odzyskanie 16 ton miedzi, 350 kg srebra, 34 kg złota i 15 kg palladu. Przykłady te przekonują, że odpady elektroniczne są ważnym zasobem wielu cennych metali. Innym przykładem jest odzysk metali ziem rzadkich, jak np. neodym czy lantan.

Ważnym pierwiastkiem jest też tantal, odzyskiwany głównie z kondensatorów tantalowych, zawierających sproszkowany i sprasowany tlenek tantalu. To właśnie dzięki tantalu urządzenia elektroniczne stały się znacznie mniejsze i bardziej wydajne niż kiedykolwiek wcześniej. Szacuje się, że tego surowca pozostało na mniej niż 50 lat.

Dodatkowo tantal jest określany mianem "minerału konfliktów", ponieważ ruda tantalu jest wydobywana głównie w niestabilnych regionach świata, np. w centralnej Afryce, to podlega ścisłym międzynarodowym przepisom regulującym jego dostawy dla elektroniki.

W obu przypadkach procesy odzyskiwania polegają na mieleniu całych urządzeń elektronicznych, a następnie mechanicznej separacji poszczególnych składników, co powoduje całkowite zniszczenie zarówno płytki drukowanej, jak i wszystkich komponentów.

Projekt "sustainablySMART"

W trwającym projekcie "sustainably-SMART" realizowanym w ramach programu Horyzont 2020 finansowanego z funduszy Unii Europejskiej opracowywana jest technologia ponownego wykorzystania komponentów elektronicznych bez ich niszczenia. Projekt ten zakłada przygotowanie technologii demontażu wybranych komponentów, testowania ich przydatności do dalszej eksploatacji oraz wykorzystania w innych urządzeniach.

W Polsce w opracowywanie procesu zostały zaangażowane firma Semicon i Instytut Telei Radiotechniczny. Do głównych zadań należy określenie standardów postępowania dla procesu oraz opracowanie całej technologii recyklingu.

Opracowywany proces technologiczny można podzielić na cztery etapy:

• demontaż komponentu,
• czyszczenie komponentu,
• testowanie komponentu,
• przygotowanie komponentu do ponownego użycia w procesie produkcji.

Zarys rozwiązania

Każdy z tych etapów związany jest z oddzielnym procesem. W przypadku demontażu komponentów istotnym punktem jest wybranie odpowiedniego narzędzia, które pozwoli na wykonanie testów o powtarzalnych parametrach procesu. Do tego celu doskonale nadaje się ERSA HR600/2.

Jest to urządzenie z hybrydowym systemem grzania o bardzo dużej wydajności (moc górnych grzałek do 800 W a dolnych do 2400 W). Aby rozgrzać cały obszar płyty z elementami, system w dolnej części wykorzystuje bardzo dynamiczne elementy grzejne. Górna głowica łączy w sobie zalety dobrego przenikania ciepła promieniowania podczerwonego ze skutecznością grzania konwekcyjnego.

Użyte rozwiązania pozwalają na najwyższej jakości demontaż i montaż każdego podzespołu. Dodatkowa kamera z podświetleniem LED zapewnia pełną kontrolę i dokumentację procesu. Szczególny nacisk położono na automatyzację poszczególnych etapów. Wszystkie operacje mogą być kontrolowane w trybie krok po kroku przez operatora lub mogą być połączone w celu automatycznego działania.

Demontaż i montaż elementów wykonywany jest w sposób wyjątkowo precyzyjny (±25 µm). Zintegrowane oprogramowanie do przetwarzania obrazu ocenia dane obrazów generowanych przez dwie zainstalowane kamery.

Wymagana pozycja elementu jest obliczana automatycznie, a element umieszczany jest niezależnie od operatora za pomocą ssawki zamontowanej w osi układu. Dzięki wyposażeniu w czujniki temperatury urządzenie pozwala na dostosowywanie wszystkich punktów temperaturowych profilu demontażu oraz wyznaczenie odpowiedniego przedziału temperatur, przy którym element będzie zdejmowany.

Równie istotne w procesie jest wykorzystanie topników zmniejszających napięcie powierzchniowe pomiędzy komponentem a płytką drukowaną. Dobór odpowiedniego preparatu zwilżającego spoiwo lutownicze jest przedmiotem wnikliwych badań w projekcie.

Działania po demontażu

Kolejnym etapem po wymontowaniu komponentu z płytki jest określenie jego przydatności do ponownego użycia. W tym celu każdy układ jest odpowiednio czyszczony i sprawdzany pod kątem powstawania związków między-metalicznych podczas wielokrotnych narażeń termicznych. Dzięki tym badaniom zyskuje się pewność, że elementy po procesie demontażu będą miały zbliżone parametry mechaniczne jak przed procesem.

Kolejny etap związany jest z testowaniem elementów. W tym przypadku przeprowadzane są testy starzeniowe i testy szoków termicznych. Mają na celu określenie odporności takiego elementu na warunki atmosferyczne i umożliwiają symulację rzeczywistych warunków pracy. Przeprowadzane są również testy funkcjonalne dla każdego elementu. Jeżeli uda się potwierdzić, że komponenty są w pełni sprawne, przygotowywane są one do ponownego użycia.

Należy pamiętać, że każda płytka drukowana jest inna, a przez różnorodność rozmieszczenia elementów na płytce opracowanie technologii odzyskiwania elementów staje się jeszcze bardziej skomplikowane. Przez to opłacalność takiego procesu maleje i wydaje się, że jedynie masowy odzysk to zmieni. Prowadzone badania dają przekonanie, że wyznaczony cel w niedalekiej przyszłości pozwoli na ograniczenie wydobycia niektórych surowców, wpłynie na poprawę stanu środowiska na Świecie oraz stanie się powodem do powstawania coraz większej liczby ekologicznych urządzeń elektronicznych.

Piotr Dawidowicz
Piotr Ciszewski
Semicon Sp. z o.o.
www.semicon.com.pl