Viability of recycling semiconductors in imaging devices/zh
近年來，數位成像設備在技術、工業和娛樂領域的應用呈指數級增長，並繼續滲透到曾經被認為不可能的其他領域。自 1960 年代末以來，這種繁榮受到兩種主要影像感測器技術 CCD W（電荷耦合元件）和 CMOS W（互補金屬氧化物半導體）的進步的推動。[ 1 ]這兩種成像技術都利用了數百萬個感光點的矩形陣列，這些感光點捕捉光子，並將矽光電二極體基板中光電效應產生的電子電荷轉換為類比訊號。[ 2 ]將訊號轉換為數位訊號並隨後讀取的方法是這兩種感測器的不同之處。 CMOS 影像感測器的每個光電二極體都包含自己的類比數位轉換器，並透過電線連接到讀數裝置，從而允許單獨存取每個像素的資訊。[ 3 ]另一方面，CCD 感光點以線性水平陣列分組，將每個像素的電子包傳輸到暫存器讀出。[ 4 ]一旦某一行完成了這個過程，它的電子資訊就會被清除，下一行就會取代它的位置。[ 4 ]這些差異會影響採用任一技術的影像感測器的基本特性和性能。
過去幾年來，CMOS 感測器一直主導著目前的數位成像市場，因為它成本相對較低、功耗要求較低，滿足了消費者對廉價、長電池壽命設備的需求。[ 1 ]目前生產影像感測器的公司包括佳能、尼康、索尼、夏普、三星、東芝、伊士曼柯達、Omnivision等。在市場發展的初期，許多影像感測器新創公司因爭奪大批量商品應用的風險以及隨之而來的價格戰而倒閉。[ 1 ]如今，人們對高性能 CMOS 感測器的開發產生了濃厚的興趣，因為人們期望該感測器能降低功耗、增強片上功能，並透過重複使用現有的積體電路製造設施來降低製造成本。[ 5 ]然而，為了滿足某些低雜訊、高影像品質的應用，CCD 裝置仍繼續生產。[ 3 ]這兩種技術的進步使得人們能夠創造出挑戰人們先入為主的觀念的成像系統，例如用於手機的低功率 CCD 感測器和用於高品質數位單眼相機的 CMOS 感測器。[ 6 ]尼康和佳能都致力於在其專業相機系列中使用 CMOS 感測器，許多其他數位相機/攝影機製造商也是如此。[ 4 ] CCD 和 CMOS 感測器的製造都是從作為設備基板的矽晶片開始的（CCD 通常為 150 毫米，CMOS 通常為 200 毫米）。[ 7 ]摻雜完成後，兩種技術的矽光電二極體都會因光電效應而產生電荷。只要有能量將電子激發到導帶，就可以記錄單色訊號。為了實現色彩對比，將濾光片放置在光電二極體層上。[ 2 ]最常用的濾光片是拜耳濾光片陣列，它由交替的紅綠、藍綠行組成。[ 2 ]其他濾鏡（例如Foveon 生產的濾鏡）的每個感光點都包含感光紅、綠、藍層，從而有效地消除了複雜的去馬賽克影像處理的需要，以及在某些情況下伴隨該處理的偽影。[ 8 ]在CMOS影像感測器中，電晶體和佈線都密集分佈在感光點的外圍。[ 7 ]這導致感測器的整體面積很大，其中不包含能夠捕獲光子的區域。[ 2 ]為了避免這種強度損失，在像素元件的頂部放置了一個微透鏡，將入射光子聚焦到光電二極體上，遠離會引起不良光子散射和吸收的電晶體/線路。[ 7 ]然後在感測器表面添加一層 SiO2 保護層，以防止碎片侵蝕，並且允許清潔而不會損壞感測器的精密組件。[ 7 ]在為特定應用製造感測器（無論是 CCD 或 CMOS）時，設計人員必須了解大量的感測器特性和標準。購買這些影像感測器的設備製造商也必須對這些因素及其相互關係有充分的了解，才能選擇最合適的感測器。
關鍵影像感測器參數
- 填充因子： CMOS 感光點中電晶體的數量與整體感測器填充因子之間的反比關係。這直接影響感測器的靈敏度，進而影響訊號雜訊比。更多的電晶體可以實現全域快門和採樣等關鍵功能。 [ 6 ]
- 光接受角：微透鏡補償填充因子的降低（CMOS 感測器中電晶體佔據的更大表面積）。微透鏡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 ]
- 像素電荷容量：更高的容量允許捕獲更高的訊號，以降低信噪比。更高的充電容量還可以記錄更高水平的強度，而不會出現像素爆發。 [ 6 ]
- 最短曝光時間：直接影響成像系統的最大速度。如果特定應用需要更高的幀速率，則具有高曝光時間的感測器將會出現偽影。 [ 6 ]
- 可達到的最低雜訊水準：在低光照（光子匱乏）條件下非常重要。複雜的晶片電路和矽光電二極體內部的缺陷會增加給定感測器的本底雜訊。 [ 6 ]
- 動態範圍：光電二極體內電子生成與入射光子濃度呈線性關係的範圍。這實際上決定了感測器優化的強度範圍。 CCD技術傳統上比CMOS有更高的動態範圍。 [ 1 ]
- 均勻性： CMOS 感測器中的類比/數位轉換發生在給定的感光點內。這通常會導致不均勻的訊號產生，必須採用後續的片外影像處理方法進行修正。 CCD 感測器具有出色的均勻性，因為訊號是按行從感測器提取的，而且通常僅透過一個暫存器提取。 [ 7 ]
- 快門洩漏：在 CMOS 感光點中，光電二極體上的電荷必須傳送到儲存區域進行類比數位轉換。沒有任何閘具有 100% 的隔離效率，因此像素可能會收集不需要的訊號並無意中傳輸到隔離記憶體，從而造成影像缺陷。 [ 6 ]
- 像素尺寸：像素尺寸越大，光子靈敏度和像素電荷容量越高。因此，像素較大的設備通常會產生品質更好的影像。 [ 4 ]
- 探測器尺寸：較大的探測器可以實現與較小探測器相似的分辨率，同時將像素尺寸保持在適當的水平。高階數位單眼相機的影像感測器大約相當於一張大郵票的大小，而具有同等百萬像素的「傻瓜相機」的影像感測器通常比指甲的面積還小。 [ 9 ]
- 耗電量：在標準照明水準下，CCD 感測器消耗的電量是 CMOS 感測器所需電量的 100 倍。消費者追求電池壽命較長的設備。 [ 8 ]
- 成本：始終是關鍵因素，尤其是在設計大型消費產品時。傳統上，由於使用現有的 IC 生產設備，CMOS 製造成本一直較低。高品質 CMOS 感測器需要額外的工業流程，因此成本與現有的 CCD 製造成本相當。 [ 3 ]
- 產量： CMOS製程是目前產量最高的半導體製造方法之一。產量越高，大量生產給定感測器的最終成本就越低。 [ 1 ]
影像感測器市場分析
影像感測器廣泛應用於各種各樣的設備，從手機相機到安全攝影機、醫學影像甚至汽車工業。[ 10 ]電腦、網路攝影機、品質控制設備等都使用影像感測器。[ 11 ]廣泛的應用領域是影像感測器成長的主要驅動力之一。
2012 年，CCD 和 CMOS 影像感測器的銷量約為 22.5 億件，預計到 2014 年，這一數字將增加近 5 億件。影像感測器產業為何不斷成長。例如，縮小像素尺寸可以使用更少的矽，從而降低感測器的生產成本。[ 13 ] CMOS 的其他進步使其感光度和影像品質更接近 CCD，而生產成本較低（CMOS 為 6.50 至 10 美元，而 CCD 為 10 至 1000 美元）。[ 13 ]隨著對電子設備的依賴性不斷增加，更高的需求和更好的技術繼續為影像感測器市場提供成長，影像感測器將發揮越來越重要的作用。
現行回收實務
儘管影像感測器用於各種各樣的設備，但尚無專門針對影像感測器設計的回收流程。但這並不意味著所有影像感測器都會被丟棄或丟棄。例如，帶有圖像感測器的手機經常要么被翻新然後轉售，要么被剝離其貴金屬並將塑膠部件熔化以製造新的零件。[ 14 ]由於影像感測器是手機的一部分，因此它們也可以與手機的其他部分一起重複使用或回收。
除了在手機中翻新外，許多影像感測器還用於回收業務，對玻璃和塑膠進行分類。[ 15 ] [ 16 ]回收業使用影像感測器可以更快、更有效地檢測出不良產品。[ 15 ]與物理分類相比，影像感測器還能在更短的時間內對大量材料進行分類，進而提高回收過程的效率。[ 15 ]
市場內影像感測器的數量
| 年 | 全球靜態相機出貨量 |
|---|---|
| 2010 | 121,463,234 |
| 2009 | 105,863,632 |
| 2008 | 119,756,808 |
| 2007 | 100,367,056 |
| 2006 | 78,981,429 |
| 2005 | 64,766,923 |
| 2004 | 59,765,768 |
| 總單位數 | 650,964,850 |
由於全球有 25 億個影像感測器用於各種各樣的商業和消費設備，因此從消費市場獲得的影像感測器的數量必須基於一個基準產品，該產品必須包含一個品質足夠高，提取後仍可用於圖像感應。靜態影像相機適合作為市場可行性的基準。日本相機與影像產品協會 (CIPA) 收集了參與公司的靜態影像全球出貨量數據，[ 17 ] [ 18 ] 2010年這些公司佔據了靜態影像數位相機市場約 84.7% 的份額。故障率SquareTrade 在為期兩年的研究過程中推算出，數位相機的使用壽命為 15.6%，[ 20 ]這是假設普通數位相機的預期產品壽命而得出的。
基線產品：靜態影像數位相機。假設：
- 2010 年，CIPA 會員約佔靜態影像數位相機市場的 84.7 % 。
- 數位相機的產品壽命預計為三年。[ 20 ]
- CIPA 對 2004 年至 2010 年期間兩代產品（6 年）全球靜態相機出貨量的統計代表了目前流通的數位相機。
- 每個攝影機都有一個影像感測器單元。
整個市場的近似規模為 650,964,850+((1-0.847)*650,964,850) = 750,562,472 台攝影機，可視為 750,562,472 個潛在的影像感測器。
消費後影像感測器的收集
回收的電子元件通常被視為電子垃圾，設備被銷毀並分離成廢貴金屬、聚合物化合物和玻璃基產品。[ 21 ]這並不是最理想的，因為設備的價值在於它所提供的功能。二手產業中的再行銷流程，透過將組件整合到最初設計為非使用的設備中，以防止功能設備未充分利用。能正常使用的計算機以舊換新中恢復過來。[ 22 ]戴爾公司透過其「戴爾再連接」專案將消費後電子產品納入再行銷流程，該專案回收各種舊電腦型號，並從捐贈的設備中提取庫存零件，然後將其捐贈給，翻新的設備，捐贈給慈善組織，在美國就是Goodwill。[ 23 ] [ 22 ]電子產品回收聯盟估計，戴爾 2009 年透過這種方式回收的材料為 9,700 萬磅（約 44,000 公噸），主要來自以美國為中心的「美洲」地區。[ 22 ]
有幾種常用的方法來獲取電子設備進行回收。這些設備可以透過捐贈或向設備原主人補償的方式收集。與通常以自願方式回收的零件相比，後一種技術通常更適合收集昂貴的零件或處於運作狀態的零件。收集設備的物理行為通常決定了與收集和整體效率相關的大部分成本。許多回收機構與零售店合作以便在容易到達的地點提供回收容器。其他人則選擇放棄實體存在，而採用線上收集方式。這種方法的主要困難是需要進行大規模的廣告活動才能收集大量設備。現有的收集中心也提供有償回收材料服務。
消費後回收可行性與降級回收商業模式提案
只要克服某些物流和市場障礙，影像感測器的消費後回收前景確實充滿希望。影像感測器的主要價值在很大程度上並非來自於製造它所使用的原材料。這些材料中最主要的，尤其是在 CMOS 影像感測器的情況下，是摻雜矽（光電二極體基板），其次是氧化矽（微透鏡），以及銅或鋁（佈線和電晶體）。[ 2 ]影像感測器的消費後回收總是與其宿主產品的回收連結在一起。需要大格式感測器（數位單眼相機）的設備幾乎在所有情況下都僅使用一個影像感測器，而其他產品（例如手機和某些數位攝影機）則需要兩個或三個小格式感測器。[ 6 ]因此，由於每個回收主機設備缺乏大量可回收的稀有材料，該技術的整體性質限制了原材料回收的盈利能力。因此，最有獲利機會的回收商業模式是從主機設備中提取影像感測器並將其重新用於其他應用。然而，與其他模式一樣，這種模式也存在著必須克服的風險和障礙。
所提出的影像感測器回收過程始於回收使用它們的消費性主機設備。為了簡潔起見，我們將集中討論數位相機、攝影機和手機中的影像感測器的回收方法。但是，這種整體商業方法可以進行調整，以集中或包括利用數位成像設備的其他領域，例如遙感，而整體變化不大。為了重新利用或轉售用於特定應用的舊影像感測器，回收的設備數量對於這些二次設備的生產規模至關重要。因此，重要的是盡可能採用最有效的方法來促使消費者採取行動，回收其適用的產品而不是將其丟棄，並將其放入適當的管道，最終讓我們擁有它以供日後使用。可以探索幾種可能的方法，例如與未來的客戶（產品製造商）合作，以最大限度地提高廣告曝光率，以換取我們回收的圖像感測器的交易。
下一個要克服的障礙是從主機設備中提取影像感測器並進行識別。提取必須盡可能具有成本效益，以盡量降低我們回收的影像感測器的未來成本，使其比目前製造商製造的影像感測器更具競爭力和成本效益。我們將研究適合的萃取技術，例如利用非熟練工人和部分自動化相結合的技術。為了確保未來的行銷和庫存盤點的方便，識別也至關重要。每年生產的影像感測器種類繁多，辨識起來具有挑戰性；然而幸運的是，大多數製造商都在其感測器上標註了產品編號以及廣泛可用的規格表。首先必要的行動之一是開發一個包含這些資訊的資料庫，並將其與自動識別過程結合。一旦提取出來，必須清潔並測試影像感測器以確保其工作性能。測試這些設備所採用的措施必須反映其母製造商所採用的措施的嚴格性。具有此類測試能力的設備隨處可見，但測試參數的標準必須由其原始製造商確定，而且這些資訊很難獲得。測試設備的清潔和包裝也會帶來障礙，但可以透過行業標準方法克服。
最後，影像感測器必須推向市場，並希望由沒有能力生產自己的影像感測器的主機設備製造商購買。為了實現這一目標，我們必須滿足幾個標準，否則就不可能成功。我們必須採用比製造新的影像感測器更具成本效益的回收製程。如果成本差異沒有競爭力，那麼製造商就沒有理由選擇我們的感測器而不是新的感測器。我們還必須為製造商提供廣泛的選擇和大量的影像感測器庫存，以滿足他們的多樣化需求並完成生產配額。我們的感測器還必須按照與主要製造商相同的標準進行測試，以確保未來應用的性能和功能。如果可以創建克服這三個主要障礙的流程，那麼只要當前的市場趨勢持續下去，就會有很大的成長空間和提高獲利能力。新的應用也在不斷發展，例如汽車領域，這些領域已經為轉售二手高階影像感測器（可能是由數位單眼相機改裝而來）做好了準備。
從主機設備收集和提取影像感測器
選擇的收集方法
至關重要的是，所採用的收集方法能夠產生盡可能多的候選主機設備。這些設備包括相機、攝影機、手機、網路攝影機等。降級回收商業模式收集的主要目標是獲得盡可能高品質的影像感測器。為此，我們將嘗試與現有的設備製造商合作，這些製造商在其產品中使用影像感測器，但目前沒有或不希望擁有自己製造這些設備的手段。這些公司預計將成為我們的主要客戶，作為向其現有客戶推廣我們的收集工作的交換，我們將向他們提供翻新圖像感測器的較低價格。然而，這種收集方法很可能無法產生足夠的主機設備來滿足我們的需求。為了彌補這一點，我們將採用其他收集技術。這些將包括從現有的收集機構購買庫存並創建線上業務（向個人回收商付費，讓他們使用預付信封將設備寄給我們）。自己的實體收集中心。
根據美國環保署 2011 年的一項研究結果（詳細資訊請參閱附圖），研究確定， 2010 年，目前已達到產品壽命的行動裝置中，有 11% 的行動裝置透過回收工作被收集起來。]在本研究中，行動裝置包括手機、PDA 和尋呼機。[ 24 ]雖然不包括相機和攝影機，但我們假設這個百分比與包含影像感測器的設備的收集效率大致相同。同一項研究確定，在 1980 年至 2009 年間銷售的所有行動裝置中，有 48％ 已達到使用壽命。[ 24 ]如果我們假設每年有 1.7% 的行動裝置達到使用壽命（48%/(2009-1980)），並且對於包含影像感測器的裝置也是如此，那麼我們可以預期最大限度的收集每年約為4300 萬台設備（25 億個感測器* 1.7%）。
提取過程細節
從電子產品中取得單一電子晶片的第一步是拆卸或拆解該產品。電子產品之間的步驟非常廣泛，對於手持電子產品，ifixit.com的拆解人員發現一些共同的元素是：
- 拆除設備電池：必須拆除電池才能進行收穫，並讓設備電容器逐漸放電。在完全放電之前接觸電子設備可能會造成短路。
- 拆卸外殼：通常涉及拆除許多標準螺絲，包括飛利浦 00 螺絲。有些產品具有專有的防篡改螺絲，以防止設備被修改。[ 25 ]
- 電子板的分離：這需要拆除更多螺絲和連接每個電路板及其本身以及設備電源的連接電纜。
任何手動拆卸器都應配備：
注意：如果要將 iFixit 指南中針對任何特定產品的拆解資訊用於商業產品，則必須符合其拆解服務。
從印刷電路板（PCB）上取得任何電子元件都是一個複雜的過程，需要事先掌握有關電路板設計的正確知識。元件通常透過焊接與 PCB 的導電通路接觸。從電路板上取下晶片需要重新熔化焊料並使其流離失所，這可以使用吸力裝置最輕鬆地實現。[ 27 ]正確的脫焊可以在不將晶片暴露在大量熱量的情況下進行，不過這可能會導致封裝失敗。[ 28 ]製造商的組件資料表通常會給出溫度上限，以防止封裝故障。[ 7 ]隨著電子返工機的引入，從 PCB 上拆焊元件所需的勞動力減少。這些機器配備了吸盤、加熱吸嘴和階段加熱元件，以加快拆焊過程，並配備了自動光學檢測系統，以便藉助特定晶片上的參考資料來識別焊接接觸點的位置。[ 29 ] [ 28 ]電子返工機還可以配備即時熱量分析設備和校正軟體，以便對使用無鉛焊料的焊接觸點進行更精確的加熱，無鉛焊料的熔化溫度在 195 o C 到 221 o C之間。電子返工機專門用於從平板電路板上去除晶片，並且需要特殊的操作器來防止損壞影像感測器。拆卸大多數設備可能需要人工監督和額外的手動勞動。
 |  |  |  |
| 合金系統 | 成分，wt% | 熔化範圍o, C |
|---|---|---|
| 錫鉛合金 | 60錫-40鉛 | 183-188 |
| 錫-銅 | 錫-0.7鉛 | 227 |
| 錫-銀-鉍 | 錫-3.5銀-3鉍 | 206-213 |
| 錫-銀-銅 | 錫-3.8銀-0.7銅 | 217 |
| 錫銀 | 錫-3.5鉛 | 221 |
主要感測器污染物
由於生產的絕大多數影像感測器都採用封閉式設計，因此表面污染是唯一可以透過適當的清潔程序消除的缺陷；含有任何形式地下污染的感測器都必須丟棄或出售以進行原料回收。我們將考慮三種主要的表面污染源：
- 主機設備內部機制：靠近或接觸影像感測器的主機設備的機制可能會在運作時無意中將污染物沉積到感測器上。[ 31 ]
- 範例- 大多數數位相機系統的快門機構都經過潤滑，並且在開啟和/或關閉快門動作期間，該潤滑劑可能會噴灑到影像感測器上。[ 31 ] #標準操作條件：影像感測器可能用於各種應用，在這些應用中，它們在常見操作中會因非機械因素而累積表面污染。[ 31 ] #*範例- 允許互換鏡頭的相機系統會在某個時刻將相機內部暴露在空氣中，從而使灰塵和其他顆粒物與影像感測器接觸。[ 31 ] #所採用的回收技術：雖然我們試圖限制從主機設備/電路板提取影像感測器的過程中產生的碎片和副產品，但在某些情況下不可避免地會導致感測器表面受到污染。
- 範例- 擷取人員對影像感測器的不當處理可能會在感測器表面留下手指上的油殘留物或拆焊設備的濺渣。
重要的是，所採用的清潔方法必須足夠有效，以消除來自這三個來源的任何污染。然而，某些污染物（例如提取過程中產生的雜散焊料）可能無法處理並會對影像感測器造成永久損壞。提取過程不會在無塵室條件下進行，因此預計所有感測器都會出現不同程度的顆粒污染（即使是主機設備與大氣密封的傳感器；手機等）。
很難預測上述每個來源的污染物的具體濃度。這些資訊並不像確定導致影像感測器無法操作的污染物的具體濃度那麼重要。消費者評論機構廣泛提供相機故障的統計資料。我們可以假設，提取出的含有過多污染物的影像感測器的百分比與發生故障的相機的總體百分比大致相同。通常情況下，這種近似值往往偏低（因為大多數回收的相機都是損壞的單元），但我們會考慮到並非所有損壞的主機單元都會因為影像感測器污染而導致系統故障。下面列出了從上述來源收集的有用統計數據，以供參考。根據調查結果，我們假設 16% 的擷取影像感測器將出現致命污染。
- 平均有 10.7% 的數位相機在使用兩年內就會出現故障。[ 32 ]
- 在上述研究的故障中，6.6%可歸因於數位相機故障，而4.1%則是由事故引起的。[ 32 ]
- 初始相機成本和故障率之間存在直接關聯，更昂貴的相機故障率較低，反之亦然。[ 32 ]
- 數位相機的典型使用壽命為 3 年（根據 2006 年購買的 6 萬台數位相機的研究）[ 32 ]
- 預計運作三年的攝影機總故障率為 15.6%。[ 32 ]
工業影像感測器清潔製程
從主機設備中提取出適量的回收感測器並進行適當的分類/排序後，徹底清潔它們對於未來的回收過程至關重要。對於敏感的後期品質保證測試和針對潛在客戶的成功行銷尤其如此。為了保持回收效率，所使用的清潔過程應該是部分（如果不是完全）自動化的，並且能夠同時處理數百個感測器。幸運的是，實際上所有生產的影像感測器都在感測器的前面安裝了低通濾波器，以保護其免受碎片的損壞。[ 31 ]影像感測器的天然密封設計，加上它們在封閉的主機設備中的應用，減輕了對複雜且昂貴的清潔方法的需求。[ 31 ]預計顆粒物和油基殘留物將佔可回收表面污染物的幾乎 100%。[ 33 ]這裡提出的清潔方法涉及兩個階段過程，希望滿足上面概述的經濟標準，同時確保回收的圖像感測器得到充分清潔。
第一步是將大量影像感測器同時浸入異丙醇浴中。一旦放入浴缸，超音波振動就會轟擊感應器，震落鬆散的顆粒碎片和灰塵。異丙醇與水俱有很高的混溶性，可以恢復因水污染而損壞的影像感測器。接下來，將感測器放入甲醇浴中。此步驟將使用甲醇（目前在 CMOS/CCD 製造過程中用於清潔的最受歡迎的溶劑），因為它不會損壞感測器或電子元件並且與異丙醇具有高度的可混合性。[ 33 ]此溶劑還能優異地清除感測器表面的油性潤滑劑；這些通常源自於主機設備內部的機械元件。[ 34 ]經過甲醇浴後，將影像感測器浸入戊烷（一種蒸氣壓極高的化合物）中。整個過程在將一種可混合溶劑轉移到另一種可混合溶劑時可實現最大的清潔效率。該系統還可以減輕灰塵顆粒和影像感測器表面之間發生的黏連。這裡值得注意的是，在對影像感測器進行幾輪清洗之後，回收並淨化所有的浴液溶劑至關重要。這是為了保持適當的清潔效率，並防止在幾個清潔週期中累積的沉澱物堆積。未來研究的途徑應該是研究使用超臨界 C0 2液體取代戊烷浴（此步驟所需的溫度和壓力可能超過大多數影像感測器的耐受閾值）。
經過足夠的時間後，將影像感測器從戊烷浴中取出，並以自動方式運送到加熱室。這裡的溫度水平設定在大約 40°C，以便快速蒸發剩餘的甲醇，使感測器表面沒有殘留物。該溫度遠低於幾乎所有影像感測器的最高可持續溫度。[ 35 ]加熱過程中，壓縮氮氣將在整個室內循環。這是為了促進戊烷均勻蒸發以及吹掉任何尚未去除的殘留表面顆粒。標準壓縮空氣罐不適合這項工作，因為它們會排出液體推進劑，再次污染感測器表面。[ 33 ]由於靜電荷的作用，某些顆粒物可能會牢固地黏附在影像感測器的表面上。[ 31 ]為了解決此現象，在此階段將使用靜態去離子器，並引入壓縮氮氣。[ 36 ]這些設備廣泛應用於製造業，如果採用這種清潔方法，EXAIR 生產的全流量氣刀將會效果很好。[ 36 ]影像感測器通過此階段後，請務必將其保留在無塵室環境中，直到重新包裝出售為止。這是為了防止感測器表面可能再次受到污染，因為這種污染會幹擾品質保證測試並導致客戶不滿意。
影像感測器品質保證測試
成功測試每個要轉售的影像感測器可實現三個主要目標；它確保給定的感測器沒有表面污染，在先前使用期間沒有異常，並且仍然滿足或超過原始製造商設定的規格。為了向希望在新的主機設備中實現影像感測器的客戶推銷影像感測器，所有影像感測器都必須通過這三個通用標準，這一點至關重要。如果給定的影像感測器未滿足這些要求，則它將被視為無法修復的缺陷，並將被報廢或出售以進行原材料回收。為了保持足夠的生產效率，測試方法必須能夠同時測試多個影像感測器或以非常快的速度處理單一感測器。[ 37 ]這一再利用階段當然會遵循淨化程序；因此，在無塵室環境中進行測試（以及所有後續處理階段）至關重要。[ 37 ]所選測試方法需要克服的主要技術問題是實現一個高度適應性的系統，以便能夠在不改變主要測試程序的情況下分析不同類型的影像感測器。[ 37 ]為了同時測試一批影像感測器，它們必須具有完全相同的設計。因此，必須在品質保證測試之前對影像感測器進行分類。這是由於目前市場上的影像感測器測試設備的功能性和影像感測器設計的實用性。具體來說，給定的感測器需要幾個關鍵組件來促進測試。這些包括低雜訊電源、幀抓取器、影像處理器（用於CCD 感測器，因為它們有電壓輸出）、受控照明源、標準化測試目標、暗室、通用插座安裝座、鏡頭和具有適當分析軟體的控制計算機。[ 38 ]每種類型的影像感測器都必須單獨測試，因為它們需要特定的功率等級、焦平面對準、必須滿足其特定應用的測試標準，並且具有不同的引腳佈局。[ 37 ]幸運的是，各大影像感測器的規格表已廣泛發布，並由各大製造商在互聯網上分發，其中概述了感測器的設計細節和最低性能標準。這些資訊將被彙編成一個電子參考資料庫，並與自動測試設備進行互動。[ 37 ]製造商目前用於測試感測器影像品質的程式表面上相對簡單。感測器必須透過插座安裝固定到位，供電，並與能夠記錄感測器影像的控制器板連接。[ 38 ]對於特定的感測器，可能需要最多四種具有不同電流的低雜訊電源。電源和 PCB 影像擷取器都必須透過特定於其給定設計的非常具體的引腳配置與感測器連接。然後將感測器與鏡頭結合，並放置在具有標準參考卡的嚴格控制的照明環境中。[ 38 ]感測器記錄影像並由電腦軟體處理，以確定影像品質和其他各種參數是否符合規定的性能標準。[ 37 ]這些參數包括本報告概述部分列出的參數，以及其他參數，例如壞點或卡死像素的數量、色彩精度、調製傳遞函數和灰塵顆粒檢測。[ 39 ]現代影像感測器測試設備可以並行處理多個單獨的感測器。以下列舉了各大測試設備供應商提供的幾種解決方案。
| Jova Solutions ISL-4800 影像感測器測試儀 |
| Advantest T2000 LSMF+EXMFIS |
| Nextest Magnum iCP 系列 |
| Teradyne IP750 Ex 影像感測器設備測試儀 |
| 必需的測試組件 | 平均成本 |
|---|---|
| 電源 | $900 |
| 數位相框擷取卡 | 2,500 美元 |
| 數位 IO PCI 卡 | $195 |
| 電纜連接器塊 | $195 |
| I2C/SPI 介面 | 300美元 |
| 計時/計數器 | 2,000 美元 |
| 接線與集成 | 1,200 美元 |
| 捕獲和顯示的基本軟體 | 2,400 美元 |
| 客製化電路板 (Fab. PC 板) NRE | 2,000 美元（首次約 250 美元，之後約 250 美元） |
| 進階分析軟體 | 12,000美元 |
| 全部的 | $26,140 |
然而這些系統的成本相當高；大多數都超過幾十萬美元。[ 37 ]可以將單獨取得的必要組件組裝成一個工作測試系統。下表包含了 CMOS 影像感測器測試所需的特定組件及其各自的平均市場價格。[ 37 ]雖然由於成本具有吸引力，這種測試方法可能很誘人，但其實施過程中存在嚴重後果、隱藏的挑戰和處理缺陷，這使得購買上述製造商提供的工業圖像測試儀一項要求。[ 37 ]與工業測試儀不同，客製化測試儀需要專用於要測試的影像感測器的介面板。[ 37 ]這些產品通常無法在商業上買到，必須從原始感測器製造商購買。[ 37 ]由於我們希望回收的感測器種類繁多，僅此一項成本在財務上就已經與兩種測試方法相等。工業測試儀還具有「熱插拔」功能，換句話說，無需斷開電源即可從測試設備中移除影像感測器。[ 37 ]這使得影像感測器能夠快速安裝和重新安裝，並大幅提高整體生產能力。由於感測器的電壓和電流閾值較低，大多數廉價的測試單元也無法直接連接到影像感測器。為了將訊號調製到適合感測器處理的水平，費用會增加，但這可能很困難，而且如果使用電線，監控設備必須放置在非常靠近感測器的地方。[ 37 ]這些和其他差異顯然有利於使用工業測試解決方案，特別是來自 Jova Solutions 或 Teradyne 的解決方案，以最大限度地提高速度、適應性和易用性。
品質保證測試後可用影像感測器的數量
量化提取和清潔後產生的可用影像感測器的數量通常基於翻新線生產的實際品質。[ 40 ]為了預測可用的數量，必須做一些假設。
假設消費者收集的設備的故障率為 15-20%，那麼這些設備將無法使用或不適合翻新。[ 41 ]經過零件檢查後，可以上市銷售的功能齊全的機組數量將占我們上面描述的兩代市場故障機組數量的 15-20%。 ，[ 20 ]這代表我們預計將回收的單位數量。將這些數值合併即可得出粗略的預期產量範圍。
計算
非功能性單位數：0.15*(2*0.157*750,562,472) = 35351492 個單位和 0.20*(2*0.157*750562472) = 47135323 個單位；因此，預計有35,351,492 - 47,135,323個影像感測器將無法使用。
潛在收集效率： (((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，預計翻新的影像感測器中有80% - 85%可以使用。
能源消耗
新型影像感測器的體現能量
新型影像感測器的內涵能量等於其各個組件能量的總和。由於影像感測器相對較小，為了簡化計算，這些計算僅考慮了生產矽晶片和微透鏡陣列所涉及的能量。[ 42 ]此外，由於影像感測器的尺寸各異，因此必須使用平均值。對於該值，使用了普通數位相機中最常見的影像感測器尺寸（48 X 36毫米）。 [ 43 ]下面列出了計算中所做的進一步假設。
假設
| 計算Si 和微透鏡的體積 = 48*36*0.279=482 mm 3 = 0.000000482 m 3 Si的質量 =2330*0.000000482=0.00112 kg微透鏡的質量 =72000.0002=0072000 . 4135*0.00112) + (23*0.00347) = 4.711兆焦耳 |
回收的能源需求
建議的影像感測器工業回收需要收集和運輸包含相機和攝影機等設備的影像感測器。然而，這只是一個模型，運輸設備的距離和方式只能估計。因此，50英里被用作平均運輸距離。考慮的運輸方式是與美國郵政服務 (UPS) 類似的卡車運輸。下面再次列出了這些計算中所作的假設。
假設 | 計算每 50 英哩使用的能量 = 1231.25 MJ運輸設備的能量 = 1.231 MJ回收影像感測器的能量 = [(0.00112+0.00347)*23]+1.231 = 1.337 MJ |
上述計算表明，影像感測器回收利用比生產新影像感測器大約少消耗 3.4 MJ 的能量。
降級回收與原料回收的比較
影像感測器是許多設備的關鍵部分。因此，從不再使用的產品中回收影像感測器並以低於原始製造價格出售的流程似乎是一項可行的理想服務。如前所述，影像感測器市場預計只會成長。隨著幾乎所有東西的成本不斷上漲，已製造設備的收集和再加工不僅對經濟而且對環境都將成為重要環節。
與影像感測器組件回收相比，影像感測器的轉售和再處理具有許多優勢。例如，由於影像感測器本身只含有少量的矽，因此提取和清潔矽的成本比處理影像感測器更高。感測器中的稀土金屬含量極少，而且這種從影像感測器中回收或再生任何東西的方法效率極低。此外，影像感測器只是相機和攝影機等設備的一個小組件。因此，如果公司僅回收感測器的組件，則設備的其餘部分將被浪費。透過影像感測器的翻新，影像感測器可以被重新利用，而設備的其餘部分將被運送到另一個回收工廠，這有助於消除垃圾掩埋成本。此外，由於這一步驟無法合理地實現自動化，因此影像感測器組件的回收將是一個非常詳細且耗時的過程。
擬議的影像感測器回收設施
到目前為止，已經對包括影像感測器的收集、提取、清潔和測試在內的幾個回收過程進行了大量討論。為了成功運作一家回收工廠，其他幾個流程也至關重要，並且必須建立它們相互作用的方法。從表面上看，一個成功的回收工廠將有幾個關鍵的投入、產出和要求。影像感測器主機設備、化學溶劑、能源、人力是主要投入。然後，處理設備和工廠人員對輸入進行“提煉”，以生產功能齊全的圖像感測器以及幾種副產品；影像感測器故障和化學廢物是兩個主要問題。
為了在這項努力中取得盡可能大的成功，將所有這些生產要素與其他現有產業結合起來以形成積極的共生關係至關重要。例如：大多數廢棄化學品都是烈性爆炸物，可供電力公司用於發電。與這些公司建立良好的合作關係，出售我們的化學廢棄物以換取更低的電價將是最有利的。目前已成立的電子回收基金會也可以做同樣的事情。我們可能不希望完全依賴我們自己的收集方法，而是希望與這些現有的公司合作，以存取主機設備，換取我們處理過的、我們沒有用的故障設備。另一個有益的合作夥伴關係是與那些不生產自己的影像感測器設備的潛在客戶建立良好的工作關係。透過適當清潔和測試各種感測器的方法，他們可能會向我們提供他們收集的主機設備（從客戶那裡返回給他們），以便獲得購買我們產品的更便宜的價格。
我們努力的成功在於實現兩個目標。只有我們每年能夠收集和處理數十萬個單元，並維持高效且適應性強的回收過程，這種商業模式（以及工廠運作）才能生存。如果不滿足這兩個限制中的任何一個，我們就不可能向客戶提供廣泛的產品選擇，也不可能滿足他們大量的生產需求。正確的工廠程序和設施的資金流動將在實現這些目標中發揮重要作用。以下是對這些因素的一般解釋，以便提供對植物活動的更全面的了解，以便更好地理解。每個加工階段所需的設備可以在前面的特定加工部分中找到。
收集過程是影像感測器回收的第一步，關鍵的一步。為了獲得盡可能多的主機設備，採用廣譜方法將是最好的。一旦獲得主機設備，如果它們是在場外收集的，則需要將它們運送到回收設施。這是因為必須在內部進行提取，以避免在運輸潛在圖像感測器時受到損壞或增加過多的包裝費用。每個感測器的主機設備本身就是一個設計非常精良的封裝設備，我們將利用這一點。在最好的情況下，提取過程僅需要將感測器從主機設備上物理分離，而在最壞的情況下，則需要由熟練的人員或自動返工機器進行拆焊。然而，提取過程中最困難的任務不是從 ICB 中移除影像感測器，而是拆卸主機設備。因此，將採用兩階段流程來解決這兩個問題。技能較低的人員將負責設備拆卸，而技能熟練的人員加上返工設備將負責感測器的提取。由於此階段需要處理的產品種類繁多，因此很難在每種情況下都實施自動化系統來滿足這兩個要求。提取系統將以廢主機設備的形式產生大量的材料廢物。這些設備將包括產品外殼、鏡頭和集成電路板。我們不會研究這些材料的回收利用，而是將其出售以進行原材料回收。拆焊過程中產生的一些有害化合物需要以正確的方式處理。提取過程還包括第一次品質控制檢查。人員將接受培訓，以識別無法修復或淨化的影像感測器；這些包括物理異常或缺陷，例如感測器本身的刮痕或碎片。對提取的影像感測器進行排序和分類將遵循移除過程。由於後續生產階段需要同時處理類似的影像感測器，因此可能需要儲存小容量感測器，直到可以獲得足夠的數量，以使其處理具有成本效益。
工廠運作的清潔和品質控制測試階段已經詳細討論過，但值得注意的是幾個未提及的因素。清潔後的影像感測器如果最初未能通過測試規範，將不會立即被丟棄。相反，工廠人員將對其進行目視分析，以確定是否存在可解決的問題，例如表面污染。如果沒有發現任何物理缺陷，感測器將被送回進行清潔（如果後續測試第二次失敗，它將被丟棄）。如果感測器顯示出大量表面污染，則將採用尚未詳細說明的清潔方法進行處理。該技術不採用自動化手段，而是由經過培訓的人員使用各種工具對感測器進行物理清潔，以消除難以去除的表面污染。如果對清潔後的感測器進行測試時再次發現其不符合規格，則它們將被丟棄。
測試後，感測器必須包裝並儲存以等待裝運。與前面的階段一樣，包裝必須在無塵室環境中進行。包裝的設計也必須使其不會與影像感測器表面接觸。當然，這又需要一個能夠處理各種感測器設計的自適應系統。包裝流程很可能會相當頻繁地交替進行，並且需要雇用一整套包裝工程師來盡可能保持高效。與大多數其他感測器製造商一樣，我們的包裝主要由包裹感測器的塑膠外殼和與感測器表面以外的點的接觸組成。感測器的營銷將是這一行業中與其他業務一樣重要的一步。我們的感測器的價格必須低於新製造的感測器，但必須超出所有性能規格。我們預計，未來幾年我們最大的客戶將是目前剛開始在其生產模型中廣泛應用影像感測器的汽車公司。為了同時滿足這項需求和其他需求，我們的營運規模必須非常龐大。
工廠安全和危險材料 MSDS
對於擬議的工廠設計，有兩個主要過程對工廠人員構成絕大多數安全隱患：影像感測器的提取和隨後的淨化。當然，其他流程也會採取一般安全措施，但這些措施與任何生產設施實施的措施非常相似。舉例來說，包括對堆高機和生產線等操作設備的一般人員安全培訓、正確的電氣和機械系統鎖定掛牌程序、每個設施工人的適當著裝，以及其他許多同樣重要的預防措施。與提取和淨化過程中面臨的危險相比，影像感測器的品質保證測試、分類、重新包裝和儲存等處理步驟顯得微不足道。這些危害將在以下章節中詳細闡述。
從主機設備提取影像感測器（焊料返工危害）
- 拆卸工人的適當服裝是長實驗服、防靜電手套（前面提到）和防濺護目鏡。
- 需要進行一般的工作場所安全培訓，確保每個工人都受到保護，免受用於運輸工件的重型設備的傷害，並在事故中保護自己
與大多數焊接材料一樣，最大的健康威脅是吸入該產品（詳情請參閱 MSDS）。任何手動拆焊或在電子返工機附近工作的工人都應配備：
材料危害
- 乾膜阻焊層 3,0 mil MSDS：可能會引起疼痛和刺激。應避免皮膚接觸、眼睛接觸、吸入及食入。
- 拆卸製造人員在拆焊 PCB 時必須配戴呼吸器、化學級護目鏡和手套，以免受傷。
- Sn-Pb MSDS：可能會引起疼痛和刺激。應避免皮膚接觸、眼睛接觸、吸入和食入。
- 所有拆焊工作都應在通風櫃下進行，並且任何人員都必須佩戴適當的拆焊安全設備。
- Sn-Cu MSDS：過度吸入多種金屬煙霧會產生一種稱為「金屬煙熱」的急性反應。症狀包括發冷和發燒，與流感症狀非常相似且容易混淆。長期接觸塵肺病可導致肺功能障礙的症狀，但不會引發任何症狀。
- 所有拆焊工作都應在通風櫃下進行，並且任何人員都必須佩戴適當的拆焊安全設備。
- Sn-Ag-Bi MSDS：含有對下列器官造成損害的物質：肺、黏膜、上呼吸道、皮膚、眼睛、水晶體或角膜、鼻子/鼻竇。
- 所有拆焊工作都應在通風櫃下進行，並且任何人員都必須佩戴適當的拆焊安全設備。
- Sn-Ag-Cu MSDS：煙霧可能會刺激眼睛和肺部。
- 所有拆焊工作都應在通風櫃下進行，並且任何人員都必須佩戴適當的拆焊安全設備。
- Sn-Ag MSDS：煙霧可能會刺激眼睛和肺部。吸入CuO或ZnO可能引起金屬煙熱。
- 所有拆焊工作都應在通風櫃下進行，並且任何人員都必須佩戴適當的拆焊安全設備。
感測器清潔和污染清除危害
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影像感測器清潔過程中遇到的危險源自於使用危險的溶劑和氣體。這些化學品必須始終由合格的工廠人員妥善處理。以下詳細資訊包括清潔過程中使用的每種化學品的材料安全資料表，以及在普遍使用化學品期間為確保工廠安全而採取的措施概述。
- 異丙醇 MSDS：劇毒。反覆長時間接觸會導致器官損害。如果接觸皮膚、眼睛或吞食則有危險。高度易燃-爆炸。侵蝕某些塑膠和橡膠塗層。 [ 52 ]
- 所有淨化人員都必須配戴防濺護目鏡、實驗服和手套。該設施將包括多個洗眼和洗手站、室外通風通道和呼吸器。化學物質將存放在密封容器中，遠離火源，存放在通風良好的陰涼區域。[ 52 ]
- 甲醇 MSDS：嚴重過度暴露可能會導致死亡。高度易燃－距離點火源較遠時，蒸氣形式易爆炸。有劇毒。可能導致出生缺陷。 [ 53 ]
- 人員必須配戴防濺護目鏡、全套防護衣、手套、靴子和自給式呼吸器（當通風不足時）。該設施將包括自動通風系統、自動滅火系統、洗滌站和安全淋浴。化學物質必須存放在帶鎖的密封容器中，遠離火源（在批准的隔離區域）。[ 53 ]
- 戊烷 MSDS： 有火花或火焰時易爆炸。有毒的。對眼睛有強烈的刺激性。濃縮吸入暴露可導致中樞神經系統抑制。高濃度會導致窒息，甚至死亡。 [ 54 ]
- 只有有經驗且獲得授權的人員才可以處理化學品。應使用與甲醇處理所需類似的防護設備。化學物質必須存放在密封容器中，遠離火焰和火花點火源。使用化學品的區域必須有足夠的通風。[ 54 ]
- 氮氣 MSDS：簡單窒息。內容面臨壓力。無氣味。環境氧氣含量下降10%會導致突然失去意識。接觸液體可能會導致凍傷。 [ 55 ]
- 化學品只能在通風區域使用。設施將包括氧氣監測系統。必須保護容器免受損壞並存放在陰涼環境中，以防止爆炸。無需特殊人員設備。[ 55 ]
影像感測器回收流程圖
以下是影像感測器回收模型的收集、提取、分類、清洗和測試的流程圖。請注意，主要流程全部大寫，其後是子流程。所有其他設備組件將送往另一家回收工廠進行處理。
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