从废弃手机印刷电路板中热-力耦合分离高价值BGA组件

《Waste Management》：Thermo-mechanical coupled separation of high-value BGA components from waste mobile-phone printed circuit boards

　　

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  3 ℃/s 的空心对流加热改善了 CPU/ROM 元件的分拣效果。
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  170 ℃、90 s 的预热平台阶段减少了大块焊锡残留。
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  在简化焊料模型中，水平剥离所需的力更小。
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  在 215–265 ℃ 条件下，近源 VOC 由 0.4 增至 7.0 mg/m³。
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  245 ℃ 仅作为保守的工艺控制参考建议提出。

引言

数字技术的快速发展以及电子产品的频繁更替，推动了电子废弃物（e-waste）的持续增长（Wang 等，2024；Nageler-Petritz，2024）。全球电子废弃物产生量持续攀升，预计到 2030 年将达到约 8200 万公吨（Gómez 等，2026）。废弃智能手机是这一废弃物流中高度集成的组成部分，含有大量潜在可回收的元件与材料（Zhao 等，2023；Kumari 与 Samadder，2023；Morell 等，2025）。作为"城市矿山"中高度集中的组成部分，废弃手机对于保障关键原材料的供应至关重要。其印刷电路板（PCB）含有金、银、钯、铜等贵金属，使废弃智能手机成为重要的二次资源（Murthy 与 Ramakrishna，2022；Huang 等，2022）。然而，PCB 复杂的材料组成也给环境友好的回收带来了挑战。传统的材料回收路线主要包括火法冶金和水法冶金工艺（Hao 等，2020；Fazari 等，2024；Oke 与 Potgieter，2024）。火法处理可能涉及大量能源消耗和污染物排放，并且通常无法保持电子元件的功能完整性（Mir 与 Dhawan，2022）。水法工艺通常使用化学浸出剂，可能会产生需要适当处理的废水和固体残渣（Rautela 等，2021；Segura-Bailón 与 Lapidus，2023）。此外，亚/超临界流体工艺等替代型废弃 PCB 处理与预处理路线也得到了研究，以提高材料回收率并降低传统工艺带来的环境负担（de Souza 等，2022；Preetam 等，2022）。近期的生命周期与技经分析也评估了不同废弃 PCB 回收路线之间的环境与经济权衡（Wang 等，2025b）。

除传统材料回收外，元件再利用作为废弃 PCB 的补充策略也受到日益关注（Zhao 等，2023；Wu 等，2022；Niu 等，2023）。近期关于元件分拣和自动化拆卸的研究同样强调，在进行下游材料回收之前回收已安装电子元件的价值（Lu 等，2022；Mohsin 等，2025；Haryanto 等，2025）。了解目标元件的封装与互连特性对于选择合适的分离条件至关重要。BGA 和 LGA 结构被用于高度集成的电子封装（Wang 等，2023），而环氧基底部填充胶可能被引入以改善封装的机械可靠性（Kim 等，2023）。有限元研究也表明，封装与互连特性对 BGA 组件在外载荷下的力学响应具有相关性（Yagnamurthy 与 Nathi，2025）。环氧基底部填充胶的存在会在元件移除过程中引入额外的界面粘附和耦合热-力学效应。因此，仅基于焊料熔化来描述的分离过程，可能无法完全反映带底部填充胶元件移除时所遇到的机械阻力。在热辅助元件分离过程中，若加热条件控制不当，热风加热可能产生不均匀的温度分布，从而增加局部热暴露。因此，对流式分离的有效性强烈依赖于加热程序和温度控制策略。先前关于电子元件拆卸的研究也强调了在元件移除过程中控制热学与力学条件的重要性。这些考虑因素促使本研究对瞬态加热条件进行系统评估。

在对流式拆卸过程中，严格控制热曲线对于限制过度的热暴露和降低热致损伤的潜在风险具有重要意义（Ismail 等，2022；Hu 等，2023）。除热控之外，焊料熔化后的元件移除还涉及与熔融焊料相关的机械阻力，而底部填充胶的存在则会引入额外的界面粘附。因此，对不同剥离方向所关联力的定量评估对于理解分离过程的力学要求具有相关性。

适用于元件移除的热条件还应与二次排放物的潜在生成一并考虑。PCB 基材、封装材料和底部填充胶聚合物在较高温度处理过程中可能会释放挥发性有机物（VOC）（Wan 等，2023；Zhu 等，2023）。因此，将 VOC 生成特性与分离性能一并表征，可为选择既能实现元件移除又能避免不必要热暴露的工艺条件提供互补信息。

据此，本研究的主要目标是评估从废弃智能手机 PCB 中分离高价值 CPU 和 ROM 元件的热学与力学条件，同时考虑热处理过程中 VOC 的生成。具体而言：(i) 比较了接触导热加热与空气对流加热，并考察了加热速率和预热时间对热响应及宏观分离质量的影响；(ii) 采用简化力模型、铜板实验以及互补性有限元分析（FEA）比较了水平与垂直元件移除的力学特性；(iii) 使用近源 PID 监测、GC–MS 以及 Py-GC–MS 对温度依赖型 VOC 浓度、排放 VOC 组成和热降解产物进行了表征。上述分析相结合，用于评估所测试实验条件下的元件分离工艺控制条件。

章节摘要

材料与样品表征

本研究选取了一组共 20 部使用过的智能手机，涵盖多种广泛使用的品牌与型号，用于拆卸和元件表征。该样品集旨在捕捉不同手机型号之间 PCB 布局与元件配置的差异，而非构成整个智能手机市场的统计代表性样本。所有样品均通过手动拆卸电池、外壳和显示模组的方式处理，仅保留核心 PCB 用于后续研究。

热响应与工艺参数评估

在热分离过程中，加热模式和温度程序会影响 PCB 的温度响应以及焊点的熔化。因此，首先比较了接触导热加热与空气对流加热所得到的热响应，随后对程序化加热速率和预热时间进行了评估。

结论

本研究考察了从废弃智能手机 PCB 中分离高价值 CPU 和 ROM 元件（主要是 BGA 封装器件）的热学与力学分离过程，同时考虑热处理过程中 VOC 的生成。为此，研究整合了热工艺评估、简化力建模与机械验证、互补性有限元分析以及 VOC 表征。

首先，空气对流加热提供了更可控、更具元件靶向性的

CRediT 作者贡献声明

徐敬甫（Jingfu Xu）：撰写 – 原稿、监督、方法论、资金获取、概念化设计。张承龙（Chenglong Zhang）：撰写 – 审阅与编辑、可视化、方法论、调查、数据整理、概念化设计。段启宇（Qiyu Duan）：监督、方法论、数据整理。赵正忠（Zhengzhong Zhao）：监督、资源支持、数据整理。王瑞雪（Ruixue Wang）：撰写 – 审阅与编辑、形式化分析。王小暖（Xiaonuan Wang）：项目管理。马恩（En Ma）：撰写 – 审阅与编辑、形式化分析。郭晓玲（Xiaoling Guo）：

利益冲突声明

作者声明，不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能对本文所报告的工作产生影响。

致谢

本工作获得 国家自然科学基金委员会（编号：52270130）和 上海市科学技术委员会基金（23DZ1201503）的资助。

Jingfu Xu|Chenglong Zhang|Qiyu Duan|Zhengzhong Zhao|Ruixue Wang|Xiaonuan Wang|En Ma|Xiaoling Guo