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Viability of recycling semiconductors in imaging devices/zh

From Appropedia
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图 1:仍连接到主 ICB 的 300 万像素数码相机影像感测器。
15px-FA_info_icon.svg.png 19px-Angle_down_icon.svg.png专案数据
作者TJMichels
Bryan J. Turner
Anne N. Wiese
地点美国密歇根州
OKH 清单下载

近年来,数位成像设备在技术、工业和娱乐领域的应用呈指数级增长,并继续渗透到曾经被认为不可能的其他领域。自 1960 年代末以来,这种繁荣受到两种主要影像感测器技术 CCD W(电荷耦合元件)和 CMOS W(互补金属氧化物半导体)的进步的推动。[ 1 ]这两种成像技术都利用了数百万个感光点的矩形阵列,这些感光点捕捉光子,并将硅光电二极管基板中光电效应产生的电子电荷转换为类比讯号。[ 2 ]将讯号转换为数字信号并随后读取的方法是这两种感测器的不同之处。 CMOS 影像感测器的每个光电二极管都包含自己的类比数位转换器,并透过电线连接到读数装置,从而允许单独存取每个像素的资讯。[ 3 ]另一方面,CCD 感光点以线性水平阵列分组,将每个像素的电子包传输到暂存器读出。[ 4 ]一旦某一行完成了这个过程,它的电子资讯就会被清除,下一行就会取代它的位置。[ 4 ]这些差异会影响采用任一技术的影像感测器的基本特性和性能。

过去几年来,CMOS 感测器一直主导著目前的数位成像市场,因为它成本相对较低、功耗要求较低,满足了消费者对廉价、长电池寿命设备的需求。[ 1 ]目前生产影像感测器的公司包括佳能尼康索尼夏普三星东芝伊士曼柯达Omnivision等。在市场发展的初期,许多影像感测器新创公司因争夺大批量商品应用的风险以及随之而来的价格战而倒闭。[ 1 ]如今,人们对高性能 CMOS 感测器的开发产生了浓厚的兴趣,因为人们期望该感测器能降低功耗、增强片上功能,并透过重复使用现有的积体电路制造设施来降低制造成本。[ 5 ]然而,为了满足某些低噪声、高影像品质的应用,CCD 装置仍继续生产。[ 3 ]这两种技术的进步使得人们能够创造出挑战人们先入为主的观念的成像系统,例如用于手机的低功率 CCD 感测器和用于高品质数位单反相机的 CMOS 感测器。[ 6 ]尼康和佳能都致力于在其专业相机系列中使用 CMOS 感测器,许多其他数码相机/摄影机制造商也是如此。[ 4 ] CCD 和 CMOS 感测器的制造都是从作为设备基板的硅芯片开始的(CCD 通常为 150 毫米,CMOS 通常为 200 毫米)。[ 7 ]掺杂完成后,两种技术的硅光电二极管都会因光电效应而产生电荷。只要有能量将电子激发到导带,就可以记录单色讯号。为了实现色彩对比,将滤光片放置在光电二极管层上。[ 2 ]最常用的滤光片是拜耳滤光片阵列,它由交替的红绿、蓝绿行组成。[ 2 ]其他滤镜(例如Foveon 生产的滤镜)的每个感光点都包含感光红、绿、蓝层,从而有效地消除了复杂的去马赛克影像处理的需要,以及在某些情况下伴随该处理的伪影。[ 8 ]在CMOS影像感测器中,晶体管和布线都密集分布在感光点的外围。[ 7 ]这导致感测器的整体面积很大,其中不包含能够捕获光子的区域。[ 2 ]为了避免这种强度损失,在像素元件的顶部放置了一个微透镜,将入射光子聚焦到光电二极管上,远离会引起不良光子散射和吸收的晶体管/线路。[ 7 ]然后在感测器表面添加一层 SiO2 保护层,以防止碎片侵蚀,并且允许清洁而不会损坏感测器的精密组件。[ 7 ]在为特定应用制造感测器(无论是 CCD 或 CMOS)时,设计人员必须了解大量的感测器特性和标准。购买这些影像感测器的设备制造商也必须对这些因素及其相互关系有充分的了解,才能选择最合适的感测器。

关键影像感测器参数

  • 填充因子: CMOS 感光点中晶体管的数量与整体感测器填充因子之间的反比关系。这直接影响感测器的灵敏度,进而影响讯号噪声比。更多的晶体管可以实现全域快门和采样等关键功能。 [ 6 ]
  • 光接受角:微透镜补偿填充因子的降低(CMOS 感测器中晶体管占据的更大表面积)。微透镜降低了特定像素的接受角及其快速捕捉大量光子的能力。 [ 6 ]
  • 像素电荷容量:更高的容量允许捕获更高的讯号,以降低信噪比。更高的充电容量还可以记录更高水平的强度,而不会出现像素爆发。 [ 6 ]
  • 最短曝光时间:直接影响成像系统的最大速度。如果特定应用需要更高的帧速率,则具有高曝光时间的感测器将会出现伪影。 [ 6 ]
  • 可达到的最低噪声水准:在低光照(光子匮乏)条件下非常重要。复杂的芯片电路和硅光电二极管内部的缺陷会增加给定感测器的本底噪声。 [ 6 ]
  • 动态范围:光电二极管内电子生成与入射光子浓度呈线性关系的范围。这实际上决定了感测器优化的强度范围。 CCD技术传统上比CMOS有更高的动态范围。 [ 1 ]
  • 均匀性: CMOS 感测器中的类比/数位转换发生在给定的感光点内。这通常会导致不均匀的讯号产生,必须采用后续的片外影像处理方法进行修正。 CCD 感测器具有出色的均匀性,因为讯号是按行从感测器提取的,而且通常仅透过一个暂存器提取。 [ 7 ]
  • 快门泄漏:在 CMOS 感光点中,光电二极管上的电荷必须传送到储存区域进行类比数位转换。没有任何闸具有 100% 的隔离效率,因此像素可能会收集不需要的讯号并无意中传输到隔离记忆体,从而造成影像缺陷。 [ 6 ]
  • 像素尺寸:像素尺寸越大,光子灵敏度和像素电荷容量越高。因此,像素较大的设备通常会产生品质更好的影像。 [ 4 ]
  • 探测器尺寸:较大的探测器可以实现与较小探测器相似的分辨率,同时将像素尺寸保持在适当的水平。高阶数位单反相机的影像感测器大约相当于一张大邮票的大小,而具有同等百万像素的“傻瓜相机”的影像感测器通常比指甲的面积还小。 [ 9 ]
  • 耗电量:在标准照明水准下,CCD 感测器消耗的电量是 CMOS 感测器所需电量的 100 倍。消费者追求电池寿命较长的设备。 [ 8 ]
  • 成本:始终是关键因素,尤其是在设计大型消费产品时。传统上,由于使用现有的 IC 生产设备,CMOS 制造成本一直较低。高品质 CMOS 感测器需要额外的工业流程,因此成本与现有的 CCD 制造成本相当。 [ 3 ]
  • 产量: CMOS制程是目前产量最高的半导体制造方法之一。产量越高,大量生产给定感测器的最终成本就越低。 [ 1 ]

影像感测器市场分析

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图2:2009年主要影像感测器厂商市场份额

影像感测器广泛应用于各种各样的设备,从手机相机到安全摄影机、医学影像甚至汽车工业。[ 10 ]电脑、网络摄影机、品质控制设备等都使用影像感测器。[ 11 ]广泛的应用领域是影像感测器成长的主要驱动力之一。

2012 年,CCD 和 CMOS 影像感测器的销量约为 22.5 亿件,预计到 2014 年,这一数字将增加近 5 亿件。影像感测器产业为何不断成长。例如,缩小像素尺寸可以使用更少的硅,从而降低感测器的生产成本。[ 13 ] CMOS 的其他进步使其感光度和影像品质更接近 CCD,而生产成本较低(CMOS 为 6.50 至 10 美元,而 CCD 为 10 至 1000 美元)。[ 13 ]随着对电子设备的依赖性不断增加,更高的需求和更好的技术继续为影像感测器市场提供成长,影像感测器将发挥越来越重要的作用。

现行回收实务

尽管影像感测器用于各种各样的设备,但尚无专门针对影像感测器设计的回收流程。但这并不意味着所有影像感测器都会被丢弃或丢弃。例如,带有图像感测器的手机经常要么被翻新然后转售,要么被剥离其贵金属并将塑胶部件熔化以制造新的零件。[ 14 ]由于影像感测器是手机的一部分,因此它们也可以与手机的其他部分一起重复使用或回收。

除了在手机中翻新外,许多影像感测器还用于回收业务,对玻璃和塑胶进行分类。[ 15 ] [ 16 ]回收业使用影像感测器可以更快、更有效地检测出不良产品。[ 15 ]与物理分类相比,影像感测器还能在更短的时间内对大量材料进行分类,进而提高回收过程的效率。[ 15 ]

市场内影像感测器的数量

-
全球静态相机出货量
2010121,463,234
2009105,863,632
2008119,756,808
2007100,367,056
200678,981,429
200564,766,923
200459,765,768
总单位数650,964,850

由于全球有 25 亿个影像感测器用于各种各样的商业和消费设备,因此从消费市场获得的影像感测器的数量必须基于一个基准产品,该产品必须包含一个品质足够高,提取后仍可用于图像感应。静态影像相机适合作为市场可行性的基准。日本相机与影像产品协会 (CIPA) 收集了参与公司静态影像全球出货量数据[ 17 ] [ 18 ] 2010年这些公司占据了静态影像数码相机市场约 84.7% 的份额故障率SquareTrade 在为期两年的研究过程中推算出,数码相机的使用寿命为 15.6%,[ 20 ]这是假设普通数码相机的预期产品寿命而得出的。

基线产品:静态影像数码相机。假设:

  • 2010 年,CIPA 会员约占静态影像数相机市场的 84.7 %
  • 数码相机的产品寿命预计为三年。[ 20 ]
  • CIPA 对 2004 年至 2010 年期间两代产品(6 年)全球静态相机出货量的统计代表了目前流通的数码相机。
  • 每个摄影机都有一个影像感测器单元。

整个市场的近似规模为 650,964,850+((1-0.847)*650,964,850) = 750,562,472 台摄影机,可视为 750,562,472 个潜在的影像感测器。

消费后影像感测器的收集

回收的电子元件通常被视为电子垃圾,设备被销毁并分离成废贵金属、聚合物化合物和玻璃基产品。[ 21 ]这并不是最理想的,因为设备的价值在于它所提供的功能。二手产业中的再行销流程,透过将组件整合到最初设计为非使用的设备中,以防止功能设备未充分利用。能正常使用的计算机以旧换新中恢复过来。[ 22 ]戴尔公司透过其“戴尔再连接”专案将消费后电子产品纳入再行销流程,该专案回收各种旧电脑型号,并从捐赠的设备中提取库存零件,然后将其捐赠给,翻新的设备,捐赠给慈善组织,在美国就是Goodwill。[ 23 ] [ 22 ]电子产品回收联盟估计,戴尔 2009 年透过这种方式回收的材料为 9,700 万磅(约 44,000 公吨),主要来自以美国为中心的“美洲”地区。[ 22 ]

有几种常用的方法来获取电子设备进行回收。这些设备可以透过捐赠或向设备原主人补偿的方式收集。与通常以自愿方式回收的零件相比,后一种技术通常更适合收集昂贵的零件或处于运作状态的零件。收集设备的物理行为通常决定了与收集和整体效率相关的大部分成本。许多回收机构与零售店合作以便在容易到达的地点提供回收容器。其他人则选择放弃实体存在,而采用线上收集方式。这种方法的主要困难是需要进行大规模的广告活动才能收集大量设备。现有的收集中心也提供有偿回收材料服务。

消费后回收可行性与降级回收商业模式提案

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图3:回收产品被粉碎后的电子垃圾。

只要克服某些物流和市场障碍,影像感测器的消费后回收前景确实充满希望。影像感测器的主要价值在很大程度上并非来自于制造它所使用的原材料。这些材料中最主要的,尤其是在 CMOS 影像感测器的情况下,是掺杂硅(光电二极管基板),其次是氧化硅(微透镜),以及铜或铝(布线和晶体管)。[ 2 ]影像感测器的消费后回收总是与其宿主产品的回收连结在一起。需要大格式感测器(数位单反相机)的设备几乎在所有情况下都仅使用一个影像感测器,而其他产品(例如手机和某些数位摄影机)则需要两个或三个小格式感测器。[ 6 ]因此,由于每个回收主机设备缺乏大量可回收的稀有材料,该技术的整体性质限制了原材料回收的盈利能力。因此,最有获利机会的回收商业模式是从主机设备中提取影像感测器并将其重新用于其他应用。然而,与其他模式一样,这种模式也存在着必须克服的风险和障碍。

所提出的影像感测器回收过程始于回收使用它们的消费性主机设备。为了简洁起见,我们将集中讨论数码相机、摄影机和手机中的影像感测器的回收方法。但是,这种整体商业方法可以进行调整,以集中或包括利用数位成像设备的其他领域,例如遥感,而整体变化不大。为了重新利用或转售用于特定应用的旧影像感测器,回收的设备数量对于这些二次设备的生产规模至关重要。因此,重要的是尽可能采用最有效的方法来促使消费者采取行动,回收其适用的产品而不是将其丢弃,并将其放入适当的管道,最终让我们拥有它以供日后使用。可以探索几种可能的方法,例如与未来的客户(产品制造商)合作,以最大限度地提高广告曝光率,以换取我们回收的图像感测器的交易。

下一个要克服的障碍是从主机设备中提取影像感测器并进行识别。提取必须尽可能具有成本效益,以尽量降低我们回收的影像感测器的未来成本,使其比目前制造商制造的影像感测器更具竞争力和成本效益。我们将研究适合的萃取技术,例如利用非熟练工人和部分自动化相结合的技术。为了确保未来的行销和库存盘点的方便,识别也至关重要。每年生产的影像感测器种类繁多,辨识起来具有挑战性;然而幸运的是,大多数制造商都在其感测器上标注了产品编号以及广泛可用的规格表。首先必要的行动之一是开发一个包含这些资讯的数据库,并将其与自动识别过程结合。一旦提取出来,必须清洁并测试影像感测器以确保其工作性能。测试这些设备所采用的措施必须反映其母制造商所采用的措施的严格性。具有此类测试能力的设备随处可见,但测试参数的标准必须由其原始制造商确定,而且这些资讯很难获得。测试设备的清洁和包装也会带来障碍,但可以透过行业标准方法克服。

最后,影像感测器必须推向市场,并希望由没有能力生产自己的影像感测器的主机设备制造商购买。为了实现这一目标,我们必须满足几个标准,否则就不可能成功。我们必须采用比制造新的影像感测器更具成本效益的回收制程。如果成本差异没有竞争力,那么制造商就没有理由选择我们的感测器而不是新的感测器。我们还必须为制造商提供广泛的选择和大量的影像感测器库存,以满足他们的多样化需求并完成生产配额。我们的感测器还必须按照与主要制造商相同的标准进行测试,以确保未来应用的性能和功能。如果可以创建克服这三个主要障碍的流程,那么只要当前的市场趋势持续下去,就会有很大的成长空间和提高获利能力。新的应用也在不断发展,例如汽车领域,这些领域已经为转售二手高阶影像感测器(可能是由数位单反相机改装而来)做好了准备。

从主机设备收集和提取影像感测器

选择的收集方法

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图 4:环保署 2011 年电子垃圾回收研究

至关重要的是,所采用的收集方法能够产生尽可能多的候选主机设备。这些设备包括相机、摄影机、手机、网络摄影机等。降级回收商业模式收集的主要目标是获得尽可能高品质的影像感测器。为此,我们将尝试与现有的设备制造商合作,这些制造商在其产品中使用影像感测器,但目前没有或不希望拥有自己制造这些设备的手段。这些公司预计将成为我们的主要客户,作为向其现有客户推广我们的收集工作的交换,我们将向他们提供翻新图像感测器的较低价格。然而,这种收集方法很可能无法产生足够的主机设备来满足我们的需求。为了弥补这一点,我们将采用其他收集技术。这些将包括从现有的收集机构购买库存并创建线上业务(向个人回收商付费,让他们使用预付信封将设备寄给我们)。自己的实体收集中心。

根据美国环保署 2011 年的一项研究结果(详细资讯请参阅附图),研究确定, 2010 年,目前已达到产品寿命的移动设备中,有 11% 的移动设备透过回收工作被收集起来。]在本研究中,移动设备包括手机、PDA 和寻呼机。[ 24 ]虽然不包括相机和摄影机,但我们假设这个百分比与包含影像感测器的设备的收集效率大致相同。同一项研究确定,在 1980 年至 2009 年间销售的所有移动设备中,有 48% 已达到使用寿命。[ 24 ]如果我们假设每年有 1.7% 的移动设备达到使用寿命(48%/(2009-1980)),并且对于包含影像感测器的装置也是如此,那么我们可以预期最大限度的收集每年约为4300 万台设备(25 亿个感测器* 1.7%)。

提取过程细节

从电子产品中取得单一电子芯片的第一步是拆卸或拆解该产品。电子产品之间的步骤非常广泛,对于手持电子产品,ifixit.com的拆解人员发现一些共同的元素是:

  • 拆除设备电池:必须拆除电池才能进行收获,并让设备电容器逐渐放电。在完全放电之前接触电子设备可能会造成短路
  • 拆卸外壳:通常涉及拆除许多标准螺丝,包括飞利浦 00 螺丝。有些产品具有专有的防篡改螺丝,以防止设备被修改。[ 25 ]
  • 电子板的分离:这需要拆除更多螺丝和连接每个电路板及其本身以及设备电源的连接电缆。

任何手动拆卸器都应配备

  • 符合ESD 标准的静电耗散(防静电)手套,可保护自己和组件。
  • 能够拆除所有标准螺丝和电缆的电子工具包。[ 26 ]

注意:如果要将 iFixit 指南中针对任何特定产品的拆解资讯用于商业产品,则必须符合其拆解服务

从印刷电路板(PCB)上取得任何电子元件都是一个复杂的过程,需要事先掌握有关电路板设计的正确知识。元件通常透过焊接与 PCB 的导电通路接触。从电路板上取下芯片需要重新熔化焊料并使其流离失所,这可以使用吸力装置最轻松地实现。[ 27 ]正确的脱焊可以在不将芯片暴露在大量热量的情况下进行,不过这可能会导致封装失败。[ 28 ]制造商的组件资料表通常会给出温度上限,以防止封装故障。[ 7 ]随着电子返工机的引入,从 PCB 上拆焊元件所需的劳动力减少。这些机器配备了吸盘、加热吸嘴和阶段加热元件,以加快拆焊过程,并配备了自动光学检测系统,以便借助特定芯片上的参考资料来识别焊接接触点的位置。[ 29 ] [ 28 ]电子返工机还可以配备即时热量分析设备和校正软件,以便对使用无铅焊料的焊接触点进行更精确的加热,无铅焊料的熔化温度在 195 o C 到 221 o C之间​电子返工机专门用于从平板电路板上去除芯片,并且需要特殊的操作器来防止损坏影像感测器。拆卸大多数设备可能需要人工监督和额外的手动劳动。

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图 5:拆卸的尼康 D5100。
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图 6:从 Kodak EasyShare LS743 取出电池。
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图 7:从佳能 PowerShot SD800 IS 拆除外壳。
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图 8:从 Olympus Stylus 1010 中拆除逻辑板。
-
合金系统成分,wt%熔化范围o, C
锡铅合金60锡-40铅183-188
锡-铜锡-0.7铅227
锡-银-铋锡-3.5银-3铋206-213
锡-银-铜锡-3.8银-0.7铜217
锡银锡-3.5铅221

主要感测器污染物

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图 9:撷取并编辑的影像显示影像感测器上的灰尘。

由于生产的绝大多数影像感测器都采用封闭式设计,因此表面污染是唯一可以透过适当的清洁程序消除的缺陷;含有任何形式地下污染的感测器都必须丢弃或出售以进行原料回收。我们将考虑三种主要的表面污染源:

  1. 主机设备内部机制:靠近或接触影像感测器的主机设备的机制可能会在运作时无意中将污染物沉积到感测器上。[ 31 ]
    • 范例- 大多数数码相机系统的快门机构都经过润滑,并且在开启和/或关闭快门动作期间,该润滑剂可能会喷洒到影像感测器上。[ 31 ] #标准操作条件:影像感测器可能用于各种应用,在这些应用中,它们在常见操作中会因非机械因素而累积表面污染。[ 31 ] #*范例- 允许互换镜头的相机系统会在某个时刻将相机内部暴露在空气中,从而使灰尘和其他颗粒物与影像感测器接触。[ 31 ] #所采用的回收技术:虽然我们试图限制从主机设备/电路板提取影像感测器的过程中产生的碎片和副产品,但在某些情况下不可避免地会导致感测器表面受到污染。
    • 范例- 撷取人员对影像感测器的不当处理可能会在感测器表面留下手指上的油残留物或拆焊设备的溅渣。

重要的是,所采用的清洁方法必须足够有效,以消除来自这三个来源的任何污染。然而,某些污染物(例如提取过程中产生的杂散焊料)可能无法处理并会对影像感测器造成永久损坏。提取过程不会在无尘室条件下进行,因此预计所有感测器都会出现不同程度的颗粒污染(即使是主机设备与大气密封的传感器;手机等)。

很难预测上述每个来源的污染物的具体浓度。这些资讯并不像确定导致影像感测器无法操作的污染物的具体浓度那么重要。消费者评论机构广泛提供相机故障的统计资料。我们可以假设,提取出的含有过多污染物的影像感测器的百分比与发生故障的相机的总体百分比大致相同。通常情况下,这种近似值往往偏低(因为大多数回收的相机都是损坏的单元),但我们会考虑到并非所有损坏的主机单元都会因为影像感测器污染而导致系统故障。下面列出了从上述来源收集的有用统计数据,以供参考。根据调查结果,我们假设 16% 的撷取影像感测器将出现致命污染。

  • 平均有 10.7% 的数码相机在使用两年内就会出现故障。[ 32 ]
  • 在上述研究的故障中,6.6%可归因于数码相机故障,而4.1%则是由事故引起的。[ 32 ]
  • 初始相机成本和故障率之间存在直接关联,更昂贵的相机故障率较低,反之亦然。[ 32 ]
  • 数码相机的典型使用寿命为 3 年(根据 2006 年购买的 6 万台数码相机的研究)[ 32 ]
  • 预计运作三年的摄影机总故障率为 15.6%。[ 32 ]

工业影像感测器清洁制程

从主机设备中提取出适量的回收感测器并进行适当的分类/排序后,彻底清洁它们对于未来的回收过程至关重要。对于敏感的后期品质保证测试和针对潜在客户的成功行销尤其如此。为了保持回收效率,所使用的清洁过程应该是部分(如果不是完全)自动化的,并且能够同时处理数百个感测器。幸运的是,实际上所有生产的影像感测器都在感测器的前面安装了低通滤波器,以保护其免受碎片的损坏。[ 31 ]影像感测器的天然密封设计,加上它们在封闭的主机设备中的应用,减轻了对复杂且昂贵的清洁方法的需求。[ 31 ]预计颗粒物和油基残留物将占可回收表面污染物的几乎 100%。[ 33 ]这里提出的清洁方法涉及两个阶段过程,希望满足上面概述的经济标准,同时确保回收的图像感测器得到充分清洁。

第一步是将大量影像感测器同时浸入异丙醇浴中。一旦放入浴缸,超音波振动就会轰击感应器,震落松散的颗粒碎片和灰尘。异丙醇与水俱有很高的混溶性,可以恢复因水污染而损坏的影像感测器。接下来,将感测器放入甲醇浴中。此步骤将使用甲醇(目前在 CMOS/CCD 制造过程中用于清洁的最受欢迎的溶剂),因为它不会损坏感测器或电子元件并且与异丙醇具有高度的可混合性。[ 33 ]此溶剂还能优异地清除感测器表面的油性润滑剂;这些通常源自于主机设备内部的机械元件。[ 34 ]经过甲醇浴后,将影像感测器浸入戊烷(一种蒸气压极高的化合物)中。整个过程在将一种可混合溶剂转移到另一种可混合溶剂时可实现最大的清洁效率。该系统还可以减轻灰尘颗粒和影像感测器表面之间发生的黏连。这里值得注意的是,在对影像感测器进行几轮清洗之后,回收并净化所有的浴液溶剂至关重要。这是为了保持适当的清洁效率,并防止在几个清洁周期中累积的沉淀物堆积。未来研究的途径应该是研究使用超临界 C0 2液体取代戊烷浴(此步骤所需的温度和压力可能超过大多数影像感测器的耐受阈值)。

经过足够的时间后,将影像感测器从戊烷浴中取出,并以自动方式运送到加热室。这里的温度水平设定在大约 40°C,以便快速蒸发剩余的甲醇,使感测器表面没有残留物。该温度远低于几乎所有影像感测器的最高可持续温度。[ 35 ]加热过程中,压缩氮气将在整个室内循环。这是为了促进戊烷均匀蒸发以及吹掉任何尚未去除的残留表面颗粒。标准压缩空气罐不适合这项工作,因为它们会排出液体推进剂,再次污染感测器表面。[ 33 ]由于静电荷的作用,某些颗粒物可能会牢固地黏附在影像感测器的表面上。[ 31 ]为了解决此现象,在此阶段将使用静态去离子器,并引入压缩氮气。[ 36 ]这些设备广泛应用于制造业,如果采用这种清洁方法,EXAIR 生产的全流量气刀将会效果很好。[ 36 ]影像感测器通过此阶段后,请务必将其保留在无尘室环境中,直到重新包装出售为止。这是为了防止感测器表面可能再次受到污染,因为这种污染会干扰品质保证测试并导致客户不满意。

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图10:所述回收影像感测器的净化程序概述。

影像感测器品质保证测试

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图 11:与影像感测器测试所需的无尘室环境类似的无尘室环境。

成功测试每个要转售的影像感测器可实现三个主要目标;它确保给定的感测器没有表面污染,在先前使用期间没有异常,并且仍然满足或超过原始制造商设定的规格。为了向希望在新的主机设备中实现影像感测器的客户推销影像感测器,所有影像感测器都必须通过这三个通用标准,这一点至关重要。如果给定的影像感测器未满足这些要求,则它将被视为无法修复的缺陷,并将被报废或出售以进行原材料回收。为了保持足够的生产效率,测试方法必须能够同时测试多个影像感测器或以非常快的速度处理单一感测器。[ 37 ]这一再利用阶段当然会遵循净化程序;因此,在无尘室环境中进行测试(以及所有后续处理阶段)至关重要。[ 37 ]所选测试方法需要克服的主要技术问题是实现一个高度适应性的系统,以便能够在不改变主要测试程序的情况下分析不同类型的影像感测器。[ 37 ]为了同时测试一批影像感测器,它们必须具有完全相同的设计。因此,必须在品质保证测试之前对影像感测器进行分类。这是由于目前市场上的影像感测器测试设备的功能性和影像感测器设计的实用性。具体来说,给定的感测器需要几个关键组件来促进测试。这些包括低噪声电源、帧抓取器、影像处理器(用于CCD 感测器,因为它们有电压输出)、受控照明源、标准化测试目标、暗室、通用插座安装座、镜头和具有适当分析软件的控制计算机。[ 38 ]每种类型的影像感测器都必须单独测试,因为它们需要特定的功率等级、焦平面对准、必须满足其特定应用的测试标准,并且具有不同的引脚布局。[ 37 ]幸运的是,各大影像感测器的规格表已广泛发布,并由各大制造商在互联网上分发,其中概述了感测器的设计细节和最低性能标准。这些资讯将被汇编成一个电子参考数据库,并与自动测试设备进行互动。[ 37 ]制造商目前用于测试感测器影像品质的程式表面上相对简单。感测器必须透过插座安装固定到位,供电,并与能够记录感测器影像的控制器板连接。[ 38 ]对于特定的感测器,可能需要最多四种具有不同电流的低噪声电源。电源和 PCB 影像撷取器都必须透过特定于其给定设计的非常具体的引脚配置与感测器连接。然后将感测器与镜头结合,并放置在具有标准参考卡的严格控制的照明环境中。[ 38 ]感测器记录影像并由电脑软件处理,以确定影像品质和其他各种参数是否符合规定的性能标准。[ 37 ]这些参数包括本报告概述部分列出的参数,以及其他参数,例如坏点或卡死像素的数量、色彩精度、调制传递函数和灰尘颗粒检测。[ 39 ]现代影像感测器测试设备可以并行处理多个单独的感测器。以下列举了各大测试设备供应商提供的几种解决方案。

Jova Solutions ISL-4800 影像感测器测试仪
Advantest T2000 LSMF+EXMFIS
Nextest Magnum iCP 系列
Teradyne IP750 Ex 影像感测器设备测试仪
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必需的测试组件平均成本
电源$900
数位相框撷取卡2,500 美元
数位 IO PCI 卡$195
电缆连接器块$195
I2C/SPI 界面300美元
计时/计数器2,000 美元
接线与集成1,200 美元
捕获和显示的基本软件2,400 美元
客制化电路板 (Fab. PC 板) NRE2,000 美元(首次约 250 美元,之后约 250 美元)
进阶分析软件12,000美元
全部的$26,140

然而这些系统的成本相当高;大多数都超过几十万美元。[ 37 ]可以将单独取得的必要组件组装成一个工作测试系统。下表包含了 CMOS 影像感测器测试所需的特定组件及其各自的平均市场价格。[ 37 ]虽然由于成本具有吸引力,这种测试方法可能很诱人,但其实施过程中存在严重后果、隐藏的挑战和处理缺陷,这使得购买上述制造商提供的工业图像测试仪一项要求。[ 37 ]与工业测试仪不同,客制化测试仪需要专用于要测试的影像感测器的界面板。[ 37 ]这些产品通常无法在商业上买到,必须从原始感测器制造商购买。[ 37 ]由于我们希望回收的感测器种类繁多,仅此一项成本在财务上就已经与两种测试方法相等。工业测试仪还具有“热插拔”功能,换句话说,无需断开电源即可从测试设备中移除影像感测器。[ 37 ]这使得影像感测器能够快速安装和重新安装,并大幅提高整体生产能力。由于感测器的电压和电流阈值较低,大多数廉价的测试单元也无法直接连接到影像感测器。为了将讯号调制到适合感测器处理的水平,费用会增加,但这可能很困难,而且如果使用电线,监控设备必须放置在非常靠近感测器的地方。[ 37 ]这些和其他差异显然有利于使用工业测试解决方案,特别是来自 Jova Solutions 或 Teradyne 的解决方案,以最大限度地提高速度、适应性和易用性。

品质保证测试后可用影像感测器的数量

量化提取和清洁后产生的可用影像感测器的数量通常基于翻新线生产的实际品质。[ 40 ]为了预测可用的数量,必须做一些假设。

假设消费者收集的设备的故障率为 15-20%,那么这些设备将无法使用或不适合翻新。[ 41 ]经过零件检查后,可以上市销售的功能齐全的机组数量将占我们上面描述的两代市场故障机组数量的 15-20%。 ,[ 20 ]这代表我们预计将回收的单位数量。将这些数值合并即可得出粗略的预期产量范围。

计算

非功能性单位数:0.15*(2*0.157*750,562,472) = 35351492 个单位和 0.20*(2*0.157*750562472) = 47135323 个单位;因此,预计有35,351,492 - 47,135,323个影像感测器将无法使用。

潜在收集效率: (((2*(0.157)*750562472)-47135323)/(2*(0.157)*750562472)*100) = 80% 至 (((2*(0.157)*750562472) (2*(0.157)*750562472)*100) = 85%翻新效率;因此,预计翻新的影像感测器中有80% - 85%可以使用。

能源消耗

新型影像感测器的体现能量

新型影像感测器的内涵能量等于其各个组件能量的总和。由于影像感测器相对较小,为了简化计算,这些计算仅考虑了生产硅芯片和微透镜阵列所涉及的能量。[ 42 ]此外,由于影像感测器的尺寸各异,因此必须使用平均值。对于该值,使用了普通数码相机中最常见的影像感测器尺寸(48 X 36毫米)。 [ 43 ]下面列出了计算中所做的进一步假设。

假设

  • 硅芯片的厚度为279 µm =0.279 mm [ 44 ]
  • 影像感测器中的硅和微透镜的数量大约等于晶圆的尺寸。
  • 微透镜由玻璃制成。[ 45 ]
物质蕴藏能量 ( MJ/kg )密度 (公斤/立方米)
4135 [ 46 ]2330 [ 47 ]
光学玻璃23 [ 48 ]7200 [ 49 ]

计算Si 和微透镜的体积 = 48*36*0.279=482 mm 3 = 0.000000482 m 3 Si的质量 =2330*0.000000482=0.00112 kg微透镜的质量 =72000.0002=0072000 . 4135*0.00112) + (23*0.00347) = 4.711兆焦耳

回收的能源需求

建议的影像感测器工业回收需要收集和运输包含相机和摄影机等设备的影像感测器。然而,这只是一个模型,运输设备的距离和方式只能估计。因此,50英里被用作平均运输距离。考虑的运输方式是与美国邮政服务 (UPS) 类似的卡车运输。下面再次列出了这些计算中所作的假设。

假设

  • 运输卡车使用 23340 btu/英里= 24.625 MJ/英里[ 50 ]
  • 每批货物约有 1000 个包含影像感测器的设备。
  • 回收蕴藏能量=19.5MJ/kg。[ 46 ]

计算每 50 英哩使用的能量 = 1231.25 MJ运输设备的能量 = 1.231 MJ回收影像感测器的能量 = [(0.00112+0.00347)*23]+1.231 = 1.337 MJ

上述计算表明,影像感测器回收利用比生产新影像感测器大约少消耗 3.4 MJ 的能量。

降级回收与原料回收的比较

影像感测器是许多设备的关键部分。因此,从不再使用的产品中回收影像感测器并以低于原始制造价格出售的流程似乎是一项可行的理想服务。如前所述,影像感测器市场预计只会成长。随着几乎所有东西的成本不断上涨,已制造设备的收集和再加工不仅对经济而且对环境都将成为重要环节。

与影像感测器组件回收相比,影像感测器的转售和再处理具有许多优势。例如,由于影像感测器本身只含有少量的硅,因此提取和清洁硅的成本比处理影像感测器更高。感测器中的稀土金属含量极少,而且这种从影像感测器中回收或再生任何东西的方法效率极低。此外,影像感测器只是相机和摄影机等设备的一个小组件。因此,如果公司仅回收感测器的组件,则设备的其余部分将被浪费。透过影像感测器的翻新,影像感测器可以被重新利用,而设备的其余部分将被运送到另一个回收工厂,这有助于消除垃圾掩埋成本。此外,由于这一步骤无法合理地实现自动化,因此影像感测器组件的回收将是一个非常详细且耗时的过程。

拟议的影像感测器回收设施

到目前为止,已经对包括影像感测器的收集、提取、清洁和测试在内的几个回收过程进行了大量讨论。为了成功运作一家回收工厂,其他几个流程也至关重要,并且必须建立它们相互作用的方法。从表面上看,一个成功的回收工厂将有几个关键的投入、产出和要求。影像感测器主机设备、化学溶剂、能源、人力是主要投入。然后,处理设备和工厂人员对输入进行“提炼”,以生产功能齐全的图像感测器以及几种副产品;影像感测器故障和化学废物是两个主要问题。

为了在这项努力中取得尽可能大的成功,将所有这些生产要素与其他现有产业结合起来以形成积极的共生关系至关重要。例如:大多数废弃化学品都是烈性爆炸物,可供电力公司用于发电。与这些公司建立良好的合作关系,出售我们的化学废弃物以换取更低的电价将是最有利的。目前已成立的电子回收基金会也可以做同样的事情。我们可能不希望完全依赖我们自己的收集方法,而是希望与这些现有的公司合作,以存取主机设备,换取我们处理过的、我们没有用的故障设备。另一个有益的合作伙伴关系是与那些不生产自己的影像感测器设备的潜在客户建立良好的工作关系。透过适当清洁和测试各种感测器的方法,他们可能会向我们提供他们收集的主机设备(从客户那里返回给他们),以便获得购买我们产品的更便宜的价格。

我们努力的成功在于实现两个目标。只有我们每年能够收集和处理数十万个单元,并维持高效且适应性强的回收过程,这种商业模式(以及工厂运作)才能生存。如果不满足这两个限制中的任何一个,我们就不可能向客户提供广泛的产品选择,也不可能满足他们大量的生产需求。正确的工厂程序和设施的资金流动将在实现这些目标中发挥重要作用。以下是对这些因素的一般解释,以便提供对植物活动的更全面的了解,以便更好地理解。每个加工阶段所需的设备可以在前面的特定加工部分中找到。

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图 12:与提议的生产设施条件类似的生产设施条件。

收集过程是影像感测器回收的第一步,关键的一步。为了获得尽可能多的主机设备,采用广谱方法将是最好的。一旦获得主机设备,如果它们是在场外收集的,则需要将它们运送到回收设施。这是因为必须在内部进行提取,以避免在运输潜在图像感测器时受到损坏或增加过多的包装费用。每个感测器的主机设备本身就是一个设计非常精良的封装设备,我们将利用这一点。在最好的情况下,提取过程仅需要将感测器从主机设备上物理分离,而在最坏的情况下,则需要由熟练的人员或自动返工机器进行拆焊。然而,提取过程中最困难的任务不是从 ICB 中移除影像感测器,而是拆卸主机设备。因此,将采用两阶段流程来解决这两个问题。技能较低的人员将负责设备拆卸,而技能熟练的人员加上返工设备将负责感测器的提取。由于此阶段需要处理的产品种类繁多,因此很难在每种情况下都实施自动化系统来满足这两个要求。提取系统将以废主机设备的形式产生大量的材料废物。这些设备将包括产品外壳、镜头和集成电路板。我们不会研究这些材料的回收利用,而是将其出售以进行原材料回收。拆焊过程中产生的一些有害化合物需要以正确的方式处理。提取过程还包括第一次品质控制检查。人员将接受培训,以识别无法修复或净化的影像感测器;这些包括物理异常或缺陷,例如感测器本身的刮痕或碎片。对提取的影像感测器进行排序和分类将遵循移除过程。由于后续生产阶段需要同时处理类似的影像感测器,因此可能需要储存小容量感测器,直到可以获得足够的数量,以使其处理具有成本效益。

工厂运作的清洁和品质控制测试阶段已经详细讨论过,但值得注意的是几个未提及的因素。清洁后的影像感测器如果最初未能通过测试规范,将不会立即被丢弃。相反,工厂人员将对其进行目视分析,以确定是否存在可解决的问题,例如表面污染。如果没有发现任何物理缺陷,感测器将被送回进行清洁(如果后续测试第二次失败,它将被丢弃)。如果感测器显示出大量表面污染,则将采用尚未详细说明的清洁方法进行处理。该技术不采用自动化手段,而是由经过培训的人员使用各种工具对感测器进行物理清洁,以消除难以去除的表面污染。如果对清洁后的感测器进行测试时再次发现其不符合规格,则它们将被丢弃。

测试后,感测器必须包装并储存以等待装运。与前面的阶段一样,包装必须在无尘室环境中进行。包装的设计也必须使其不会与影像感测器表面接触。当然,这又需要一个能够处理各种感测器设计的自适应系统。包装流程很可能会相当频繁地交替进行,并且需要雇用一整套包装工程师来尽可能保持高效。与大多数其他感测器制造商一样,我们的包装主要由包裹感测器的塑胶外壳和与感测器表面以外的点的接触组成。感测器的营销将是这一行业中与其他业务一样重要的一步。我们的感测器的价格必须低于新制造的感测器,但必须超出所有性能规格。我们预计,未来几年我们最大的客户将是目前刚开始在其生产模型中广泛应用影像感测器的汽车公司。为了同时满足这项需求和其他需求,我们的营运规模必须非常庞大。

工厂安全和危险材料 MSDS

对于拟议的工厂设计,有两个主要过程对工厂人员构成绝大多数安全隐患:影像感测器的提取和随后的净化。当然,其他流程也会采取一般安全措施,但这些措施与任何生产设施实施的措施非常相似。举例来说,包括对堆高机和生产线等操作设备的一般人员安全培训、正确的电气和机械系统锁定挂牌程序、每个设施工人的适当着装,以及其他许多同样重要的预防措施。与提取和净化过程中面临的危险相比,影像感测器的品质保证测试、分类、重新包装和储存等处理步骤显得微不足道。这些危害将在以下章节中详细阐述。

从主机设备提取影像感测器(焊料返工危害)

  • 拆卸工人的适当服装是长实验服、防静电手套(前面提到)和防溅护目镜。
  • 需要进行一般的工作场所安全培训,确保每个工人都受到保护,免受用于运输工件的重型设备的伤害,并在事故中保护自己

与大多数焊接材料一样,最大的健康威胁是吸入该产品(详情请参阅 MSDS)。任何手动拆焊或在电子返工机附近工作的工人都应配备

材料危害

  • 干膜阻焊层 3,0 mil MSDS:可能会引起疼痛和刺激。应避免皮肤接触、眼睛接触、吸入及食入。
    • 拆卸制造人员在拆焊 PCB 时必须配戴呼吸器、化学级护目镜和手套,以免受伤。
  • Sn-Pb MSDS:可能会引起疼痛和刺激。应避免皮肤接触、眼睛接触、吸入和食入。
    • 所有拆焊工作都应在通风柜下进行,并且任何人员都必须佩戴适当的拆焊安全设备。
  • Sn-Cu MSDS:过度吸入多种金属烟雾会产生一种称为“金属烟热”的急性反应。症状包括发冷和发烧,与流感症状非常相似且容易混淆。长期接触尘肺病可导致肺功能障碍的症状,但不会引发任何症状。
    • 所有拆焊工作都应在通风柜下进行,并且任何人员都必须佩戴适当的拆焊安全设备。
  • Sn-Ag-Bi MSDS:含有对下列器官造成损害的物质:肺、黏膜、上呼吸道、皮肤、眼睛、水晶体或角膜、鼻子/鼻窦。
    • 所有拆焊工作都应在通风柜下进行,并且任何人员都必须佩戴适当的拆焊安全设备。
  • Sn-Ag-Cu MSDS:烟雾可能会刺激眼睛和肺部。
    • 所有拆焊工作都应在通风柜下进行,并且任何人员都必须佩戴适当的拆焊安全设备。
  • Sn-Ag MSDS:烟雾可能会刺激眼睛和肺部。吸入CuO或ZnO可能引起金属烟热
    • 所有拆焊工作都应在通风柜下进行,并且任何人员都必须佩戴适当的拆焊安全设备。

感测器清洁和污染清除危害

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环境危害
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霹雳
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易燃
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有毒的

影像感测器清洁过程中遇到的危险源自于使用危险的溶剂和气体。这些化学品必须始终由合格的工厂人员妥善处理。以下详细资讯包括清洁过程中使用的每种化学品的材料安全资料表,以及在普遍使用化学品期间为确保工厂安全而采取的措施概述。

  • 异丙醇 MSDS:剧毒。反复长时间接触会导致器官损害。如果接触皮肤、眼睛或吞食则有危险。高度易燃-爆炸。侵蚀某些塑胶和橡胶涂层。 [ 52 ]
    • 所有净化人员都必须配戴防溅护目镜、实验服和手套。该设施将包括多个洗眼和洗手站、室外通风通道和呼吸器。化学物质将存放在密封容器中,远离火源,存放在通风良好的阴凉区域。[ 52 ]
  • 甲醇 MSDS:严重过度暴露可能会导致死亡。高度易燃-距离点火源较远时,蒸气形式易爆炸。有剧毒。可能导致出生缺陷。 [ 53 ]
    • 人员必须配戴防溅护目镜、全套防护衣、手套、靴子和自给式呼吸器(当通风不足时)。该设施将包括自动通风系统、自动灭火系统、洗涤站和安全淋浴。化学物质必须存放在带锁的密封容器中,远离火源(在批准的隔离区域)。[ 53 ]
  • 戊烷 MSDS: 有火花或火焰时易爆炸。有毒的。对眼睛有强烈的刺激性。浓缩吸入暴露可导致中枢神经系统抑制。高浓度会导致窒息,甚至死亡。 [ 54 ]
    • 只有有经验且获得授权的人员才可以处理化学品。应使用与甲醇处理所需类似的防护设备。化学物质必须存放在密封容器中,远离火焰和火花点火源。使用化学品的区域必须有足够的通风。[ 54 ]
  • 氮气 MSDS:简单窒息。内容面临压力。无气味。环境氧气含量下降10%会导致突然失去意识。接触液体可能会导致冻伤。 [ 55 ]
    • 化学品只能在通风区域使用。设施将包括氧气监测系统。必须保护容器免受损坏并存放在阴凉环境中,以防止爆炸。无需特殊人员设备。[ 55 ]

影像感测器回收流程图

以下是影像感测器回收模型的收集、提取、分类、清洗和测试的流程图。请注意,主要流程全部大写,其后是子流程。所有其他设备组件将送往另一家回收工厂进行处理。

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部分MY3701
关键字半导体回收影像设备电子产品
永续发展目标SDG12 负责任的消费与生产
作者TJMichelsBryan J. TurnerAnne N. Wiese
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别名CCD/CMOS影像感测器产业回收建议
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创建2012 年10 月 13 日,作者TJMichels
上次修改时间2024 年2 月 28 日,作者:Felipe Schenone
摘自“ https://www.appropedia.org/w/index.php?title=Viab​​ ility_of_recycling_semiconductors_in_imaging_devices&oldid=1093853 ”
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