THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF
INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”,
NOVEMBER 20, 2025
109
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РЕГЕНЕРАЦИИ ОЛОВА ИЗ
ШЛАКА БЕССВИНЦОВОЙ ВОЛНОВОЙ ПАЙКИ ДЛЯ
СНИЖЕНИЯ СЕБЕСТОИМОСТИ ПРОИЗВОДСТВА
ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Муминов Н.К.1, Халматов Д.А.2
1Белорусско-Узбекский совместный межотраслевой институт прикладных технических
квалификаций, Ташкент, Узбекистан
2A el Elec onics Manu ac u ing (производство платы), Ташкент, Узбекистан
2Кандидат технических наук, доцент, Ташкентский институт текстильной и легкой
промышленности, Ташкент, Узбекистан
h ps://doi.o g/10.5281/zenodo.17738854
Аннотация. Проблема: В современном производстве печатных плат широкое
использование бессвинцовых припоев при волновой пайке приводит к образованию
значительного количества шлака. Этот шлак традиционно рассматривается как
технологические отходы, что влечет за собой прямые экономические потери из-за
высокой стоимости олова - основного компонента припоев - и дополнительные расходы на
утилизацию, а также создает негативную экологическую нагрузку.
Гипотеза и первоначальное исследование: В ходе анализа было выдвинуто
предположение, что шлак содержит значительное количество ценных металлов. Для
проверки гипотезы был проведен спектральный анализ, который показал, что массовая
доля чистого олова в составе шлака достигает 70%. Это подтвердило возможность и
высокую целесообразность его регенерации.
Метод решения: Нами была разработана и предложена ресурсосберегающая
технология термомеханической регенерации олова. Метод основан на селективном
плавлении и отделении олова от оксидной фазы шлака при температуре 290 °C с
интенсивным механическим перемешиванием в течение 45 минут. На основе данной
технологии было подобрано и внедрено специализированное оборудование, позволяющее
автоматизировать процесс переработки в промышленных масштабах.
Результаты и выводы: Внедрение разработанной технологии на производстве в
течение года показало высокую эффективность. Было налажено безотходное
производство: шлак более не отправляется на утилизацию, а перерабатывается с
последующим возвратом регенерированного олова в основной производственный цикл. Это
позволило достичь значительного экономического эффекта за счет сокращения закупок
дорогостоящего первичного олова и исключения затрат на утилизацию отходов, а также
получить положительный экологический эффект, соответствующий принципам
циркулярной экономики. Разработанная методика представляет практический интерес
для широкого круга предприятий радиоэлектронной промышленности.
Ключевые слова: Циркулярная экономика, регенерация олова, шлак бессвинцовой
пайки, волновая пайка, автоматическая термомеханическая обработка, производство
печатных плат
THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF
INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”,
NOVEMBER 20, 2025
110
1. Введение
1.1. Актуальность бессвинцовой технологии пайки
Современная электронная промышленность претерпела фундаментальные
изменения в области монтажа компонентов, связанные с повсеместным переходом на
бессвинцовые припои. Этот переход был инициирован и законодательно закреплен
Директивой Европейского Союза об ограничении использования опасных веществ (RoHS -
Res ic ion o Haza dous Subs ances), которая запретила применение свинца и других
вредных материалов в электронном оборудование. Основной движущей силой стало
стремление снизить негативное воздействие на окружающую среду и здоровье человека на
всех этапах жизненного цикла продукции - от производства до утилизации. В результате
бессвинцовая пайка, в особенности с использованием сплавов на основе олова (таких как
широко распространенный LFC7-BAR - Sn99.29Cu0.7P0.01), стала мировым
технологическим стандартом для сборки печатных плат (ПП).
1.2. Экономический вызов: высокая стоимость сырья
Несмотря на очевидные экологические преимущества, переход на бессвинцовые
припои породил новые экономические вызовы для производителей. Ключевым из них
является значительный рост себестоимости сырья. Сплав LFC7-BAR, в отличие от
традиционных свинцово содержащих аналогов, включает в себя дорогостоящие металлы -
медь и фосфор, но его основу (более 99%) составляет олово, цена на которое на мировом
рынке остается стабильно высокой и подвержена колебаниям. Это делает процесс пайки
одной из наиболее затратных статей в себестоимости готового изделия, вынуждая
производителей искать пути оптимизации расхода дорогостоящих материалов.
1.3. Проблема образования и утилизации шлака
Одним из основных технологических процессов сборки ПП является волновая
пайка, при которой плата контактирует с расплавленной волной припоя. В условиях
интенсивного окисления и взаимодействия с компонентами и флюсами на поверхности
расплава активно образуется шлак (d oss) - побочный продукт, состоящий из оксидов
металлов, частиц припоя и флюсных остатков. Согласно сложившейся практике, этот шлак
рассматривается как неизбежные технологические отходы. Его дальнейший путь, как
правило, заключается в сборе и платной утилизации специализированными организациями,
что влечет за собой прямые финансовые издержки. Таким образом, производство несет
двойные финансовые потери: сначала оплачивается олово, перешедшее в шлак, а затем -
услуги по его удалению.
1.4. Постановка проблемы и цель работы
Парадоксальность сложившейся ситуации заключается в том, что ценный
материальный ресурс, составляющий основу шлака, формально классифицируется как
отход и выводится из экономического оборота, увеличивая как себестоимость продукции,
так и экологический след предприятия. Таким образом, актуальной научно-практической
задачей является разработка методов рекуперации (возврата) ценных металлов из шлака
бессвинцовой пайки для их повторного использования.
Целью данной работы является разработка, апробация и оценка эффективности
технологии регенерации чистого олова из шлака, образующегося в процессе бессвинцовой
волновой пайки, с последующим его возвратом в производственный цикл.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF
INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”,
NOVEMBER 20, 2025
111
1. Провести количественный спектральный анализ химического состава шлака
для определения массовой доли ценных компонентов.
2. Разработать эффективную термомеханическую методику сепарации олова от
оксидной фазы шлака.
3. Подобрать и внедрить необходимое оборудование для организации
промышленного процесса регенерации.
4. Оценить экономический и экологический эффект от внедрения разработанной
технологии на действующем производстве.
2. Материалы и методы
2.1. Объект исследования и исходный материал
Основным объектом данного исследования являлся шлак, образующийся в процессе
волновой пайки на линии PCBA-монтажа. Шлак представлял собой побочный продукт,
получаемый при использовании коммерчески доступного бессвинцового припоя марки
LFC7- Sn99.29Cu0.7P0.01, температура плавления которого составляет примерно 217-220°C
а рабочая температура 270°C ±10°C. Образцы шлака собирались ежедневно из паяльной
ванны машины волновой пайки в течение одной недели для обеспечения
репрезентативности и усредненного состава.
2.2. Методика анализа состава
Для определения элементного состава шлака был проведен спектральный анализ с
использованием рентгенофлуоресцентного анализатора (XRF) (модель: [MXF-2400,
Shimadzu]). Этот неразрушающий метод был выбран за его способность обеспечивать
быстрый и точный количественный анализ содержания металлов.
Процедура анализа:
1. Пять репрезентативных образцов шлака были отобраны из общей массы,
высушены для удаления летучих компонентов и измельчены в мелкий однородный
порошок.
2. Каждый образец порошка помещался в стандартный держатель с
полипропиленовой пленкой.
3. Анализ проводился в атмосфере гелия для улучшения обнаружения легких
элементов. Для каждого образца было выполнено три измерения для обеспечения
статистической достоверности.
4. Результаты были усреднены, и было рассчитано стандартное отклонение.
Результаты XRF-анализа обобщены в Таблице 1.
Таблица 1
Элементный состав шлака бессвинцовой пайки (источник LFC7)
Элемент
Средняя массовая доля (%)
Стандартное отклонение (±%)
Олово (Sn)
70.5
1.8
Медь (Cu)
0.8
0.3
Фосфор (P)
0.3
0.1
Кислород (O)*
22.9
2.5
Прочие
5.5
-
Примечание: Содержание кислорода рассчитано по стехиометрической разнице и
подтверждено отдельным анализом сжиганием.
2.3. Разработка технологии термомеханической регенерации
THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF
INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”,
NOVEMBER 20, 2025
112
На основании анализа, подтвердившего высокое содержание олова, была
разработана технология термомеханической регенерации для отделения металлического
олова от оксидной матрицы.
2.3.1. Экспериментальная установка и процедура
Первоначально использовалась лабораторная установка, состоящая из графитового
тигля, помещенного в программируемую муфельную печь с цифровым контроллером
температуры (точность ±5°C). Для перемешивания использовалась механическая мешалка
с графитовой лопастью.
А)
Б)
Рисунок №1: а) Шлак; б) Чистый олово
Процесс регенерации заключался в следующем:
1. Приблизительно 1 кг исходного шлака помещался в тигель.
2. Печь нагревалась до целевой температуры 290°C со скоростью 10°C в минуту.
3. После достижения и стабилизации целевой температуры смесь
перемешивали с постоянной скоростью 40 об/мин в течение 45 минут.
4. По истечении времени перемешивания нагрев выключался, и тигель
оставляли для медленного охлаждения. Благодаря разнице плотностей расплавленное
металлическое олово объединены и оседало на дно, в то время как более легкий оксидный
шлак всплывал наверх, формируя два четких слоя.
5. После затвердевания два слоя механически разделялись.
Результаты эксперимента представлено, на Рисунке №1.
2.3.2. Обоснование параметров процесса
Выбор критического параметра процесса - температуры 290°C - был основан на
фундаментальных свойствах материалов:
• Температура ликвидуса основного металлического компонента, олова,
составляет 232°C.
• Температура 290°C достаточно превышает температуру плавления олова,
чтобы обеспечить его полное расплавление и низкую вязкость, что способствует слиянию
капель и разделению фаз.
• Что крайне важно, эта температура существенно ниже температуры
плавления основных оксидных компонентов (например, SnO₂ плавится при ~1630°C). Это
THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF
INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”,
NOVEMBER 20, 2025
113
создает условие селективного плавления, при котором металлическое олово переходит в
жидкую фазу и может быть отделено, в то время как твердая оксидная матрица остается
неизменной, выполняя роль фильтра.
Перемешивание (45 минут при 40 об/мин) было необходимо для:
• Улучшения теплопередачи.
• Стимулирования соударения и слияния мелких капель расплавленного олова,
захваченных в оксидном шлаке.
• Ускорения процесса разделения за счет разрушения оксидной структуры и
возможности гравитационного оседания более плотного олова на дно.
2.4. Внедрение и промышленное масштабирование
После успешных лабораторных испытаний процесс был масштабирован для
промышленного внедрения. Основное оборудование представлено на рисунке №2,
закупленное и установленное на производственной площадке, включало:
• Промышленная печь сопротивления: специально спроектированная печь с
загрузкой на 50 кг, способная поддерживать стабильную температуру до 400°C.
• Интегрированная система механического перемешивания: Моторизованная
мешалка с программируемым контроллером для управления скоростью (0-100 об/мин) и
таймером, укомплектованная прочной графитовой лопастью.
• Система безопасности: Интегрированная система вытяжной вентиляции для
улавливания летучих веществ, выделяющихся при нагреве.
Промышленный процесс повторяет лабораторную процедуру, работая при тех же
оптимизированных параметрах: 290°C и 45 минут перемешивания, что гарантирует
стабильные и воспроизводимые результаты в производственной среде.
Рисунок №2: Машина для восстановления припоя OB-SR800A
3. Результаты и обсуждение
3.1. Химический состав шлака и потенциал для рекуперации
THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF
INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”,
NOVEMBER 20, 2025
114
Проведенный рентгенофлуоресцентный анализ однозначно показал, что шлак,
традиционно рассматриваемый как отход, является ценным вторичным сырьем.
Установлено, что массовая доля металлического олова в его составе составляет 70,5% ±
1,8% (см. Таблицу 1). Это подтверждает первоначальную гипотезу о значительных
экономических потерях, связанных с утилизацией данного материала.
Полученные данные стали ключевым обоснованием для разработки процесса
регенерации, так как продемонстрировали техническую возможность и экономическую
целесообразность извлечения основного металла.
3.2. Оценка эффективности процесса регенерации
Разработанный термомеханический метод регенерации показал высокую
эффективность при масштабировании с лабораторной установки на промышленное
оборудование.
Таблица №2.
Сравнительный анализ состава (%)
Элемент
Первичный сплав LFC7 (%)
Регенерированное олово (±%)
Олово (Sn)
99.29
98.3
Медь (Cu)
0.7
0.8
Фосфор (P)
0.01
0.3
Прочие
-
0.6
Выход продукта: в результате переработки шлака по описанной методике (нагрев до
290°C, перемешивание в течение 45 минут) средний выход металлического олова составил
70% от массы исходного шлака.
Качество регенерированного олова: для оценки пригодности восстановленного
металла для повторного использования был проведен его сравнительный анализ с
химическим составом первичного припойного сплава LFC7. Результаты представлены в
Таблице №2.
Как видно из данных, состав регенерированного олова практически идентичен
составу первичного сплава. Незначительное увеличение доли "прочих" элементов,
вероятно, связано с примесями, попавшими в шлак в процессе пайки (остатки флюсов,
легирующие элементы с выводов компонентов). Важный вывод: полученный материал по
своему химическому составу полностью соответствует технологическим требованиям и
может быть напрямую возвращен в паяльную ванну для производства без ухудшения
качества паяных соединений.
3.3. Механизм процесса разделения
Эффективность разработанной методики напрямую связана с корректно
подобранными параметрами, в особенности температурой.
• Роль температуры (290°C): Данная температура, будучи выше температуры
ликвидуса олова (232°C), обеспечивает его полное расплавление. В то же время, она
существенно ниже температуры плавления оксидной фазы (преимущественно SnO₂). Это
создает условия селективного плавления, при котором металлические частицы переходят в
жидкое состояние, а оксидный каркас остается твердым. При перемешивании жидкие капли
олова объединены (сливаются) друг с другом, увеличиваясь в размерах.
• Роль перемешивания: Интенсивное механическое перемешивание выполняет
две ключевые функции: во-первых, оно разрушает оксидную пленку, удерживающую
мелкие капли металла, и способствует их коалесценции; во-вторых, оно ускоряет
THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF
INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”,
NOVEMBER 20, 2025
115
гравитационное разделение фаз: плотное жидкое олово (ρ ≈ 7,3 г/см³) оседает на дно тигля,
а легкий пористый оксидный шлак (ρ ≈ 2-3 г/см³) всплывает на поверхность. Время в 45
минут было определено экспериментально как достаточное для завершения этого процесса
и достижения максимального выхода металла.
4. Выводы
На основании проведенных исследований и годовой промышленной эксплуатации
можно сформулировать следующие основные выводы:
1. Разработана и успешно внедрена новая ресурсосберегающая технология.
Впервые для предприятия радиоэлектронной промышленности была создана и
масштабирована до промышленного уровня технология термомеханической регенерации
олова из шлаков бессвинцовой волновой пайки. Ключевыми параметрами процесса,
обеспечивающими эффективное разделение фаз, являются температура 290 °C и время
перемешивания 45 минут. Технология отличается простотой внедрения и не требует
использования сложного или дорогостоящего оборудования.
2. Подтверждена высокая эффективность процесса регенерации. Проведенный
спектральный анализ установил, что шлак содержит до 70,5% металлического олова.
Разработанная методика позволяет извлекать до [70] % от его массы. Химический анализ
показал, что регенерированный материал по своему составу соответствует первичному
припойному сплаву LFC7 и пригоден для прямого возврата в производственный цикл без
ухудшения качества паяных соединений.
3. Достигнут значительный экономический эффект. Внедрение технологии
позволило перевести шлак из категории "отходы", требующие затрат на утилизацию, в
категорию "вторичное сырье".
4. Доказан существенный экологический эффект. Технология обеспечила 100%-
ную переработку данного вида отходов, что соответствует принципам циркулярной
экономики и способствует минимизации экологического следа предприятия. Снижение
зависимости от добычи первичных ресурсов и сокращение объемов захоронения отходов
вносят вклад в достижение целей устойчивого развития.
5. Определены перспективы внедрения. Разработанная технология является
универсальной и не зависит от специфики конкретного производства. Полученные
положительные результаты позволяют рекомендовать данную методику для широкого
внедрения на других предприятиях радиоэлектронной промышленности, использующих
технологию волновой пайки бессвинцовыми припоями.
6. В качестве направления для дальнейших исследований рассматривается
оптимизация процесса для извлечения микропримесей драгоценных металлов (серебра) из
остаточного оксидного шлака.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. [1] J. Li, Y. Zhang, and H. Wang, "Recycling o in om lead- ee solde d oss: A e iew,"
Jou nal o Cleane P oduc ion, ol. 215, pp. 874-884, 2019.
2. [2] K. Mohandas, S. K. Tamang, and M. G. Pech , "Lead- ee solde ma e ials: P ope ies and
p ocessing," in Lead-F ee Solde ing, Sp inge , Cham, 2020, pp. 45-78.
3. [3] Eu opean Pa liamen , "Di ec i e 2011/65/EU on he es ic ion o he use o ce ain
haza dous subs ances in elec ical and elec onic equipmen (RoHS ecas )," O icial Jou nal
o he Eu opean Union, L174/88, 2011.
THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF
INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”,
NOVEMBER 20, 2025
116
4. [4] S. A. M. T. Islam, Y. K. Tan, and C. L. Wu, "A he mal app oach o in eco e y om
wa e solde d oss," in P oc. IEEE 24 h Elec onics Packaging Technology Con e ence
(EPTC), Singapo e, 2022, pp. 560-564.
5. [5] R. K. N. D. Rajapakse and B. C. K. D. Pe e a, "Economic and en i onmen al impac
assessmen o was e ecycling in PCB manu ac u ing," Resou ces, Conse a ion & Recycling,
ol. 158, p. 104798, 2020.
6. [6] A. Mülle , L. Johnson, and P. Schmid , "Ci cula economy s a egies o he elec onics
indus y: Challenges and oppo uni ies," P ocedia CIRP, ol. 90, pp. 19-24, 2020.
7. [7] M. A a, D. Shangguan, and E. R. Man ese, "De elopmen o lead- ee solde alloys: A
mic os uc u al and mechanical p ope ies pe spec i e," Jou nal o Elec onic Ma e ials, ol.
48, no. 7, pp. 4201-4215, 2019.
8. [8] "S anda d Tes Me hod o X-Ray Fluo escence Spec ome ic Analysis o Tin Alloys,"
*ASTM E2923-15*, 2015.
