Утилизация продуктов производства электроники (печатных плат)

 

Казанский национальный исследовательский технический  университет

им. А. Н. Туполева

 

Кафедра общей химии и экологии

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

по  дисциплине

«Промышленная экология»

на  тему

 

«Утилизация продуктов производства электроники (печатных плат)»

 

 

 

 

 

 

 

Исполнитель:

студент гр. 3452

Хуснутдинова  А. Ф.

Научный руководитель:

Желовицкая  А. В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Казань 2012

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

По  сравнению с другими отраслями  электронная промышленность считалась «чистой» с экологической точки зрения. Тем не менее, химические материалы, широко использующиеся в производстве электронных приборов и компонентов, а также отходы создают серьёзные проблемы для окружающей среды, которым необходимо уделять большое внимание в связи с масштабами электронной промышленности. Отходы и побочные продукты изготовления полупроводниковых приборов, интегральных схем и печатных плат этой области, представляющие наибольший интерес в вопросах предупреждения загрязнения окружающей среды, разработки технологических методов обработки, вторичной переработки и использования отходов.

В технологическом  процессе изготовления печатных плат и полупроводниковых приборов применяют различные химические материалы, специальные технологии и оборудование. Так как производственные процессы включают в себя факторы риска, необходимо организовать правильное обращение с химическими побочными продуктами, отходами и выбросами в воздух с целью обеспечения безопасности персонала отрасли и защиты окружающей среды в местах расположения этих предприятий.

Во  всех развитых странах разрабатываются  законодательные акты по предотвращению загрязнения окружающей среды отработавшим электрическим и электронным оборудованием. В Европейском союзе были приняты две директивы -    направленные на предотвращение загрязнения окружающей среды применительно к электрическому и электронному оборудованию: Директива 2002/96/ЕС Европейского парламента и Совета от 27 января 2003 г. "Об отработавшем электрическом и электронном оборудовании" (WEEE) и Директива 2002/95/ЕС Европейского парламента и Совета от 27 января 2003 г. "Об ограничении использования некоторых веществ в электрическом и электронном оборудовании" (RoHS).

Разница в законодательной базе России и  европейских стран тормозит в  настоящий момент организацию работ по сбору и утилизации электронного лома в Москве, Санкт-Петербурге, Ульяновске и других городах России.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава I. Технологии изготовления печатных плат

 

1.1 Типы печатных плат

Появление печатных плат (ПП) в их современном  виде совпадает с началом использования полупроводниковых приборов в качестве элементной базы электроники. Переход на печатный монтаж даже на уровне одно- и двухсторонних плат стал в свое время важнейшим этапом в развитии конструирования и технологии электронной аппаратуры.

Многообразие  сфер применения электроники обусловило совместное существование различных  типов печатных плат:

• Односторонние печатные платы
• Двухсторонние печатные платы
• Многослойные печатные платы
• Гибкие печатные платы
• Рельефные печатные платы
• Высокоплотная односторонняя печатная плата 

На  предприятии ОАО «Радиоэлектроника» изготавливают только односторонние и двухсторонние печатные платы.¹

Субтрактивная технология изготовления печатных плат

сверление отверстий в заготовке фольгированного диэлектрика     металлизация всей поверхности и стенок заготовки     нанесение пленочного фоторезиста     получение защитного рисунка в пленочном  фоторезисте (экспонирование, проявление) травление медной фольги в окнах фоторезиста удаление  защитного рисунка фоторезиста Рис. 1. Субтрактивная технология изготовления печатных плат

Субтрактивная технология предусматривает травление медной фольги на поверхности диэлектрика по защитному изображению в фоторезисте или металлорезисте. Эта технология широко применяется при изготовлении односторонних и двусторонних слоев печатных плат. Вариант этого процесса применительно к  платам с уже металлизированными отверстиями называется тентинг-процессом. Пленочный фоторезист создает не только маскирующее покрытие на проводниках схемы, но и защитные завески над металлизированными отверстиями, предохраняющие их от воздействия травящего раствора. В случае, если проявление и травление ведется струйными методами с повышенным давлением, толщина фоторезиста должна быть не менее 45-50 мкм. Для надежного тентинга диаметр контактной площадки должен в 1,4 раза превышать диаметр отверстия, а минимальный гарантийный поясок контактной площадки быть не менее 0,1 мм. Субтрактивный процесс с использованием металлорезиста позволяет получить платы с металлизированными переходами и проводниками шириной менее 125 мкм при их толщине до 50 мкм. Фоторезистивную защитную маску получают над теми местами фольги, которые необходимо удалить. Затем последовательно осаждают медь (20-40 мкм) и металлорезист (олово-свинец 9-12 мкм) на освобожденные от пленочного резиста участки платы и на стенки отверстий. После удаления фоторезиста незащищенные слои меди вытравливаются, после этого металлорезист удаляют.2

 

Комбинированный позитивный метод изготовления печатных плат

Последовательность основных операций изготовления печатных плат позитивным методом показана на рис. 2.

Рис. 2. Последовательность основных операций изготовления печатных плат позитивным методом

 

а)– заготовка из фольгированного диэлектрика;

б)– нанесение фоторезиста и экспонирование через фотошаблон;

в) –  проявление защитного рельефа;

г) –  нанесение защитного слоя и сверление  отверстий;

д) –  химическое меднение;

е) –  удаление защитного слоя;

ж) –  гальваническое осаждение меди;

з) –  гальваническое нанесение защитного покрытия;

и) –  удаление фоторезиста;

л) –  стравливание фольги.

Заготовка из фольгированного стеклотекстолита или гетинакса покрывается слоем фоторезиста (рис.2,а).

Фоторезист  – это высокомолекулярное соединение, которое изменяет свои свойства под  действием ультрафиолетового излучения.

С одной  стороны, смещение спектральной чувствительности в коротковолновую область спектра – это хорошо, так как позволяет обходиться без темного помещения и работать при свете обычных ламп накаливания. С другой стороны, чувствительность к ультрафиолетовым лучам вызывает необходимость использования ртутных ламп в кварцевом баллоне, которые мене удобны в эксплуатации, чем обычные.

Под действием  излучения происходит фотополимеризация  слоя, в результате которой пропадает растворимость в обычных растворителях, поэтому после проявления на освещенных участках поверхности образуется защитный рельеф, а на затемненных – слой фоторезиста остается без изменения и в дальнейшем вымывается.

Экспонирование  фоторезистов, нанесенных на поверхность фольгированного диэлектрика, производится через фотошаблон (рис.2,б), в котором система прозрачных и непрозрачных участков образует требуемый рисунок проводников и контактных площадок. При последующем проявлении удаляется часть фоторезиста и образуется защитный рельеф, с рисунком и размерами, определяемыми фотошаблоном (рис.2,в). При этом методе защитный слой фоторезиста сохраняется на пробельных участках, а проводники и контактные площадки остаются открытыми. Поскольку фотошаблон при подобном процессе соответствует позитивному изображению печатной платы (темные проводники на светлом фоне), то и сам метод называют позитивным.

После проявления рисунка схемы плату  покрывают слоем лака для защиты от механических повреждений и направляют на сверление отверстий (рис.2,г). Эта операция нарушает непрерывность процесса, так как сушка и задубливание лака занимают несколько часов. Затем сверлят переходные и монтажные отверстия и производят их химическое меднение (рис.2,д). Далее следует удаление защитного слоя (рис.2,е) и гальваническое осаждение меди на проводники, контактные площадки и в отверстия (рис.2,ж).

При электролитическом  наращивании соединение с катодом  осуществляется сплошным слоем медной фольги, покрывающим диэлектрик. Этот слой защищает также поверхность диэлектрика от воздействия электролита.

На  следующем этапе поверх медного  слоя гальваническим способом наносят  защитное покрытие из сплава олово-свинец (рис.2,з), после чего с пробельных мест удаляют защитный слой фоторезиста  и стравливают фольгу (рис.2,и, к).

Изготовление  ПП завершается химической обработкой защитного покрытия (осветлением) для улучшения его способности к пайке (окончательная отмывка и консервация).

Позитивный  метод позволяет изготовлять  ПП с повышенной плотностью монтажа, например, с расстоянием между проводниками в узких местах 0,35 – 0,5 мм, с хорошими электрическими параметрами и высокой прочностью сцепления проводников с основанием.

 

1.2 Характеристика образующихся  отходов при производстве печатных  плат

Платы с печатными схемами имеют примерный состав материалов, представленный в таблице 1.

Таблица 1. Состав материалов плат

Стеклополимер	70 %
Медь	16 %
Припой	4 %
Железо, феррит (от сердечников, трансформаторов)	3 %
Никель	2 %
Серебро	0,05 %
Золото	0,03 %
Палладий	0,01 %
Прочие (висмут, сурьма, тантал и т. д.)	< 0,01 %

 

В таблице 2 представлены основные побочные продукты и отходы, при изготовлении печатных плат (PCB- печатная плата (на англ. PCB — printed circuit board) — пластина, выполненная из диэлектрика, на которой сформирована (обычно печатным методом) хотя бы одна электропроводящая цепь) и полупроводниковых приборов. Кроме того, в таблицах представлены типы воздействия технологических процессов на окружающую среду и средства ослабления и контроля потока отходов.³

 

Таблица. 2. Генерация отходов при изготовлении печатных плат PCB и меры контроля⁴

Технологический процесс	Опасные отходы/ материалы	Влияние на окружающую среду	Меры контроля
Очистка	Металлы (свинец)	Отработанная вода	рН нейтрализация химическое осаждение, вторичная переработка свинца
Паста припоя	Паста припоя (оловянно-свинцовая)	Твердые отходы	Вторичная переработка/ восстановление
Нанесение адгезива	Эпоксидный клей	Твердые отходы	Сжигание
Введение компонента			Пластмассовые ленты, бобины и трубки, подвергаются вторичной переработке/восстановление
Обработка адгезива и оттекание припоя
Флюсование	Растворитель (IPA флюс) Изопропиловый спирт (в том числе изопропанол, пропан-2-ол, 2-пропанол, спирт или сокращенно IPA)	Твердые отходы	Вторичная переработка
Пайка волной	Металл (шлак припоя)	Твердые отходы	Вторичная переработка/ восстановление
Осмотр	Металл (свинцовые проволочные  зажимы)	Твердые отходы	Вторичная переработка/ восстановление
Испытания	Платы с неисправными деталями	Твердые отходы	Вторичная переработка (восстановление платы, восстановление драгоценных металлов)
Доводка и ремонт	Металл (шлак припоя)	Твердые отходы	Вторичная переработка/ восстановление
Вспомогательные операции очистка трафарета	Металл (паста  оловянно-свинцового припоя)	Твердые отходы	Вторичная переработка/ сжигание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава II. Меры предотвращения отрицательного воздействия на окружающую среду при производстве печатных плат

 

Ниже  приводятся общие меры ослабления отрицательного воздействия химических материалов при производстве печатных плат и  полупроводниковых приборов. Выбор метода контроля зависит от технических возможностей, требований вышестоящих организаций и конкретных компонентов/концентраций потока отходов.

 

2.1 Контроль отработанной воды

Осаждение химических веществ. Осаждение химических веществ обычно применяется при удалении частиц металлов или растворимых металлов из потоков отработанной воды. Поскольку металлы не разлагаются естественным образом и являются токсичными при низких концентрациях, их удаление из промышленной отработанной воды имеет большое значение. Металлы можно удалить из отработанной воды с помощью химических средств, так как они не полностью растворимы в воде; растворимость зависит от рН, концентрации металла, типа металла и присутствия других ионов. Как правило, отработанный поток требует корректировки рН к определенному уровню, чтобы выделить металл в осадок. Необходимо добавить в отработанную воду химические вещества, чтобы изменить физическое состояние растворившихся и находящихся во взвешенном состоянии твердых веществ. Обычно с этой целью в качестве реагентов осаждения используются известь, гидроксид натрия и сульфиды. Они облегчают удаление растворившихся и находящихся во взвешенном состоянии металлов посредством коагуляции, осаждения или захвата внутри осадка. Результатом процесса химического осаждения из отработанной воды является накопление осадка. Поэтому разработаны процедуры обезвоживания для уменьшения веса осадка с помощью центрифуг, фильтрпрессов, фильтров и установок для сушки. После обезвоживания полученный осадок может быть отправлен на сжигание.

Нейтрализация (корректировка рН). Уровень рН (концентрация водородных ионов или кислотность) является важным качественным параметром промышленной отработанной воды. Из-за побочных действий, вызываемых экстремальными значениями рН в естественной воде и на операциях обработки сточных вод, рН промышленной отработанной воды должен быть отрегулирован до спуска воды из производственного объекта. Обработка производится в нескольких резервуарах, которые проверяют на концентрацию водородных ионов в потоке отработанной воды. Как правило, хлористоводородная или серная кислота используется в качестве нейтрализатора коррозионных веществ, а гидрат окиси натрия используется в качестве нейтрализующего едкого вещества. Нейтрализующий реагент вносится в поток отработанной воды, чтобы довести рН этого потока до необходимого уровня. Часто перед выполнением остальных процессов обработки отработанной воды (химического осаждения, окисления/восстановления, сорбции активированным углем, десорбции, ионообменной сорбции) бывает нужно отрегулировать рН.