Опознавательно-информационная система классификации лома электронных изделий
Рюмин А.И.
Красноярск: ИПК "Платина", 1999 г.
ХАРАКТЕРИСТИКА ТИПОВОГО ЛОМА РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
Лом электронных и радиотехнических изделий представляет наиболее сложный и многокомпонентный вид вторичного металлургического сырья. Как правило, основными компонентами лома являются железо в виде простой и нержавеющей стали, алюминий и его сплавы, медь и ее сплавы, керамика, специальные сорта стекла и стеклокерамики, пластмассы и их композиции со стекловолокном.
В настоящее время основная масса драгоценных металлов сосредоточена в ЭВМ старого поколения, блоках управления военной техники, радиотехнических устройствах, телекоммуникационном оборудовании. Основным источником вторичного сырья в настоящее время являются ЭВМ типа ЕС и др., а также начинается переработка и электронного лома военного назначения.
В ЭВМ типа ЕС и других вычислительных комплексах может содержаться от 0,2 до 10 кг золота от 0,5 до 15 кг серебра, от 0,1 до 2 кг палладия и платины. В блоках управления военной техникой количества драгоценных металлов находятся также в этих пределах. Массовое содержание драгоценных металлов составляет сотые доли для ЭВМ и десятые доли для военной техники.
Основная масса золота и платиновых металлов сосредоточена в относительно небольшом количестве изделий и элементов электроники разъемов, микросхемах, транзисторах и диодах, реле, керамических конденсаторах. Серебро более рассредоточено, но основная его часть присутствует в этих изделиях, а также в контактах реле, сопротивлениях, предохранителях.
До 40-60 % золота и серебра сосредоточено в контактах разъемов различного типа Основой контактов является медь и ее сплавы, чаще всего латунь и медно-никелевые сплавы. Контакты жестко запрессованы или относительно свободно вставлены в корпус на основе пластмассы или композита. Массовое содержание золота в контактах составляет 0,3-10 % (в среднем 1-5%), серебра 2-8 %, палладия 0,5-2 %.
Остальное золото сосредоточено преимущественно в микросхемах, транзисторах, диодах Серебро также присутствует в сопротивлениях, реле и конденсаторах. Платина и палладий в основном находятся в составе керамических конденсаторов.
Данные изделия электроники как правило собраны на плате с помощью пайки или склеивания в типовые элементы замены (ТЭЗ). Корпус платы представляет собой армированный стеклотканью пластик. Доля наполнителя (стеклоткани) достигает - 70 % и он представлен специальными сортами бороалюминий силикатного бесщелочного стекла. В качестве связующего используют кремнийорганические, полиэфирные поликарбамидные и др типы пластмасс.
Микросхемы обычно собраны в пластиковом или керамическом корпусе. Позолоченные вывода соединены с керамической пластинкой и жестко запрессованы в корпус. Материал выводов — железо-никелевый магнитный сплав типа «платинит» или «ковар». Золото нанесено гальванически в количестве 1-10 %. Также золото присутствует в виде подложки под кристалл кремния и специальных припоев. Пластмассовые корпуса микросхем изготавливают из термопластичной пластмассы с 60-70 % наполнителя (тальк, асбест, кремнезем, глинозем). Внутренняя подложка для кристалла обычно сделана из корунда или дуралюмина. Корпуса диодных матриц и некоторых видов микросхем изготавливаются из специальных сортов бесщелочных стекол. Массовое содержание золота в пластмассовых микросхемах может составлять от 0,2 до 1 %, а в керамических от 1 до 5 %. Массовая доля выводов составляет - 30 % массы микросхемы. Транзисторы содержат золото в качестве подложки под кристаллом и проводником. Среднее массовое содержание золота в золотосодержащих транзисторах составляет 0,3-2 %. Материал крышки — никель или никелированный сплав материал корпуса - железо-никелевый сплав.
В среднем доля элементов электроники содержащих золото в количестве от 0,5 и выше, незначительна и их изъятие из лома позволяет выделить в относительно богатый продукт до 90 % всего золота.
Изделия, концентрирующие серебро, также немногочисленны. Из наиболее богатых можно отметить контакты разъемов, сопротивления, транзисторы, диоды, конденсаторы, контакты реле. Серебро более "размазано" по электронному лому и часто труднодоступно (сопротивления, реле), поэтому выемка серебросодержащих объектов целесообразна только для некоторых типов Оставшееся в ломе "труднодоступное" серебро следует отправлять на металлургические специализированные предприятия (Кировоградский медеплавильный завод и комбинат "Североникель"). Изделия, содержащие палладий и платину, в основном представлены керамическими конденсаторами на основе титанатов бария или стронция. Содержание палладия в них составляет 3-7 %, а платины - преимущественно 0,3-0,6 %. Кроме того, палладий присутствует в качестве покрытия на некоторых типах разъемов (0,5-3 % палладия), в переменных сопротивлениях, а платина — в контактах реле.
В процессе изъятия из приборов и устройств отдельных элементов, деталей, узлов формируются типовые группы вторичного сырья, требующие специфических методов и технологий переработки. Для лома электронных и радиотехнических изделий такими устройствами являются:
-типовые элементы замены (ТЭЗ),
-реле,
-блоки питания,
-лампы,
В состав устройств, приборов или ТЭЗ в свою очередь входят такие элементы, как:
-микросхемы в пластиковом, керамическом или стеклокерамическом корпусе:
-конденсаторы керамические, тантал-серебряные: танталовые (ниобиевые), электролитические, бумажные;
-сопротивления и резисторы:
-предохранители;
-транзисторы и транзисторные сборки;
-диоды;
-реле;
-трансформаторы, катушки индуктивности;
-разъемы штыревые и ламельные.
На аффинажные предприятия (Щелковский завод вторичных драгоценных металлов, Приокский завод цветных металлов, Новосибирский завод цветных металлов. Красноярский завод цветных металлов) направляют концентраты, содержащие более 1 % золота; (МПГ) и 5% серебра в металлической форме или форме порошков. Из всех элементов электроники лишь некоторые типы транзисторов удовлетворяют этим условиям. Все остальные элементы и устройства требуют переработки с целью извлечения из них металлической фракции, содержащей более 1 % Аи или МПГ и более 1 % Ад.
МИКРОСХЕМЫ
Микросхемы являются наиболее распространенными элементами электронного лома. Их количество, как правило, больше, чем других вместе взятых элементов. Соответственно значительна и доля золота, содержащегося в них. Так. в ЭВМ она составляет от 20 до 40 % от общей массы золота
Микросхемы, в основном, можно классифицировать по 3 видам
-в пластиковом корпусе,
-в керамическом корпусе,
-в металлическом корпусе.
Микросхемы в пластиковом корпусе
Микросхемы наиболее распространенных серий (К 131; 133; 155; 500; 555) содержат от 0 до 7 мг золота на единицу изделия Масса одной микросхемы составляет 0,85 г. Тогда содержание золота (%) в единице изделия соответствует:
масса золота, мг 1 2 3 4 5 6 7
содержание золота, % 0,12 0,2 0,35 0,47 0,59 0,70 0,80
Золото в основном находится в форме позолоты на выводах микросхемы. Также золото используется в составе подложки (композиция ΑΙ - Сr- Сu - Аu для пайки выводов к кристаллу кремния и в составе припоя (Au- Si) для закрепления кристалла на посадочном месте. Несущим элементом для закрепления кристалла и выводов является подложка из корундовой пластинки или, реже, из дуралюмина. Герметизация корпуса микросхемы осуществляется на основе композиционных пресс-материалов (ЭФП-606, ЭФП-60; ЭКП-200; КЭП-1 ТЭМП-250, КФП и др.). Пресс-материал представляет композицию примерно из 30 % связующего. В качестве неорганической добавки наиболее часто используют кварц (песок), асбест, глину тальк. В качестве связующего применяют эпоксидные смолы на основе полиэфиров, поликарбонатов и др.
Вывода микросхем изготовлены из платинита (сплав 47 НД: 47 % Ni, 48 % Feи 5 % Сuили реже, из ковара (сплав 29НК: 29% Ni, 18 % Со и 53% Fe). Пайка осуществляется припоями ПОС-60, ПОС-61.
При пайке и отпайке микросхем из ТЭЗ значительная часть золота переходит в припой и удаляется вместе с ним. Нормативный уровень потерь золота за счет этого составляет 20 % но на практике может быть выше.
Оценочные анализы микросхем после дробления и сепарации показали, что золото на 70-80 % сосредоточено в выводах, полностью выделяемых магнитной сепарацией из продукта дробления. Остальное золото находится в пластиковой составляющей микросхем, а после ее сжигания - в золе.
Многочисленные анализы микросхем показали, что фактическое содержание золота составляет для большинства микросхем ЭВМ - 50 % от номинального паспортного. Это обусловлено как потерями его при пайке и отпайке микросхем, так и недовложением золота на заводах-изготовителях
Эксперименты как на микросхемах одного типа так и смеси их показали, что в выводах, выделенных из измельченного материала, содержание золота составляет от 0,2 до 1,4 %, а в пластиковой крошке от 0, 03 до 0, 08 % Микроскопические исследования пластиковой крошки показали, что золото в ней преимущественно находится как в форме тончайшей проволоки, так и в виде частиц шаровидной формы. Микрозондовым сканированием обнаружено, что данные частицы являются сплавом золота с медью, алюминием, хромом, оловом, следовательно, источник поступления золота в пластиковую фазу - подложка для припоя выводов к кристаллу, а также частицы обогащенного золотом олово-свинцового припоя.
РЕКОМЕНДУЕМЫЙ ПОРЯДОК ОПРОБОВАНИЯ МИКРОСХЕМ
При поступлении на переработку партии микросхем одного типа можно рекомендовать проведение выборки 5-10 % массовых от партии. Если партия представлена микросхемами многих типов, то головной операцией должно быть дробление. Эту операцию наиболее целесообразно осуществлять в дробилках ударного типа (роторные или молотковые дробилки), в установках электровзрыва и др. устройствах, обеспечивающих минимальное истирающее воздействие,
После дробления материал поступает на классификацию по размеру и магнитным свойствам. Рекомендуется следующая последовательность. Сначала проводится рассев материала на сите с размером ячейки 5 мм. В плюсовой фракции остаются недоразобранные части и дуралюминовые пластинки — подложки. Магнитной обработкой этой фракции отделяются пластинки и крупные куски пластика от недоразобранных микросхем. Недоразобранный материал поступает в голову схемы. Единичные дуралюминовые пластинки с впрессованными в них выводами (магнитными) микросхем выбираются вручную с удалением из них выводов. Крупный немагнитный пластик отделяется отдуралюминовых пластинок вручную (если очень мало), либо отделяется в тяжелой жидкости (насыщенный раствор хлорида кальция).
Материал с крупностью минус 5 мм поступает на магнитную сепарацию. Немагнитная фракция опробуется выборкой 5-10 % непосредственно или после додрабливания до крупности минус 3 мм. Магнитную фракцию рекомендуется направлять на додрабливание отдельно для удаления остатков пластика. После этого материал рассеивается на сите 1-2 мм. Минусовой продукт (пластик с незначительным включением металла) подвергается магнитной обработке. Магнитная фракция объединяется с плюсовым классом, а немагнитная с пластиковой крошкой. Магнитная фракция поступает на выборку (сокращение пробы) до 5-10 %. Данная промежуточная проба обжигается и опробуется растворением. Сокращенная проба пластиковой немагнитной фракции измельчается до крупности 1 мм и опробуется пробирным методом (без предварительного обжига). Рекомендуемая схема опробования микросхем в пластиковом корпусе представлена на рис. 1. В зависимости от возможностей и производительности оборудования немагнитную пластиковую фракцию можно полностью измельчать до крупности минус 1 мм, что способствует большей представительности пробы немагнитной пластиковой фракции.
Микросхемы в керамическом корпусе
Как правило, практически во всех керамических микросхемах в качестве керамической основы используют керамику 22ХС (95 % Al2O3 и 3 % SiO2) «Поликор» (100 % Al2O3). В микросхемах и диодных матрицах с корпусом из стеклокерамики используют специальные сорта стекла С48-2, С49-2; С73-4, С88-1 на основе диоксида кремния (~ 65 %), оксида бора (5-20 %) и оксида натрия (7-12 %). Вывода микросхем выполнены из платинита (47% Ni, 48 % Fe, 5 % Си). Вывода обычно позолочены и массовое содержание золота в них составляет 5-10 %. Монтаж выводов к кристаллу кремния выполняется или проволокой из чистого золота диаметром 0,05-0,1 мм или пайкой на кристалле композицией AI- Сr- Сu - AI. Кристалл закрепляется на позолоченной посадочной площадке пайкой сплавом Au- Si.
Как правило, основное количество золота в керамических микросхемах сосредоточено в форме покрытия на выводах, меньшая часть — в виде тонкой проволоки, припоев. В ряде микросхем позолота нанесена на рамки и крышки, изготовленные из железо-никелевых сплавов. Позолота на керамике характерна для большей части микросхем и в основном сосредоточена на посадочном месте под кристалл кремния.
Металлические части микросхем являются магнитными и хорошо отделяются магнитной сепарацией. Содержание металлической фракции составляет от 20 % (крупные микросхемы без металлических крышек) до 70 % (мелкие микросхемы с крышками).
Рекомендуемая схема опробования микросхем на керамической основе достаточно проста. В наиболее сложном варианте (смесь микросхем различных типов) она представлена на рис. 2. В основу схемы положены магнитная сепарация и классификация по размерам. После дробления микросхем и магнитной сепарации магнитную фракцию додрабливают для окончательного отделения керамики. Магнитную фракцию рассеивают на сите с крупностью ячейки 5 мм Крупную фракцию (относительно бедные по золоту крышки и рамки) сокращают и опробуют отдельно Мелкую фракцию, более богатую по золоту, также сокращают и опробуют отдельно, если степень сокращения одинакова, например, 10 %, то сокращенные пробы можно объединить и опробовать растворением совместно.
Керамическую фракцию после магнитной сепарации классифицируют на сите 3 мм (1 мм) Крупную фракцию додрабливают фракцию 3 мм сокращают до 5-10 %, измельчают до 1 мм и опробуют Возможно и полное измельчение керамической фракции перед опробованием до крупности 1 мм.
Микросхемы в металлическом корпусе
Типы микросхем в металлическом корпусе очень разнообразны и невозможно дать их общее описание. Наиболее богаты по золоту мелкие (массой 1-2 г) микросхемы типа УД с позолотой на выводах и основании. Основание микросхемы изготовлено из железо-никелевого сплава и содержит до 30-45 % по массе стекла (изолятор). Крышка микросхемы, приваренная к основанию контактной сваркой, как правило из никеля.
Для некоторых более крупных микросхем позолота может быть нанесена на внутреннюю поверхность основания и, крайне редко, на крышку. В крупных микросхемах золото также находится часто в виде золотой проволоки (коммутация от выводов к кристаллу). Для ряда крупных микросхем характерно наличие керамических конденсаторов, содержащих платину и палладий. Корпус крупных микросхем, как правило, изготовлен из низколегированной нержавеющей стали. Схема опробования очень проста для микросхем одного типа и заключается в выборке представительной партии (5-10 %) и ее опробовании растворением. Для партии микросхем различных типов неизбежным является приемное растворение всей партии
МИКРОСХЕМЫ
Данный тип деталей электроники представлен двумя основными группами
1— брак завода-изготовителя по параметрам или невостребованная готовая продукция,
2— микросхемы, изъятые из изделия методом срезки выкусывания, выпайки и т. д.
Первая группа вторичного сырья по содержанию драгоценного металла близка к паспортным данным для данного типа микросхем. Некоторый разброс значений возможен и обычно зафиксирован в паспорте на партию изделий. Как правило, масса драгоценного металла в этом случае составляет 85-100 % от паспортного значения.
Вторая группа вторичного сырья, как правило, характеризуется минусовым отклонением. Данные отклонения относительно невелики для тех типов микросхем, в которых драгоценный металл полностью сосредоточен внутри корпуса.
В случае же, когда позолота сосредоточена на внешних частях (вывода, основание) отклонение может составлять до 20-50 % от паспортных данных. Это обусловлено потерями уже на стадии монтажа микросхемы на изделие. От выводов микросхемы, длина которых составляет 20 мм, при монтаже пайкой отрезают лишнюю часть и, как правило, остается только 3-5 мм. Кроме того, при пайке припоем позолота с выводов переходит в припой. При демонтаже изделия и удалении микросхем срезкой или отпайкой золото теряется дополнительно механически.
При опознавательно-информационном описании изделий мы брали свободную среднюю выборку 5-10 единиц микросхем данного типа из партии, представленной поставщиком вторичного сырья, и делали анализ на содержание золота и (или) серебра. Среднее значение массы драгоценного металла и его содержания, а также отклонения от средних значений представлены в описании.