Entwicklung thermoplastischer Leiterplatten Erfahrungen aus einem Verbundprojekt mit integrierter Begleitforschung

Transkript

1 Entwicklung thermoplastischer Leiterplatten Erfahrungen aus einem Verbundprojekt mit integrierter Begleitforschung Dipl.-Ing. Martin Möller GWTF-Jahrestagung, Berlin, 21. November 2008

2 Agenda Projektgenese und -design Ergebnisse der F&E-Arbeiten Charakterisierung der integrierten Begleitforschung Lessons learned Übertragung des Ansatzes auf andere Technologiefelder

3 Agenda Projektgenese und -design Ergebnisse der F&E-Arbeiten Charakterisierung der integrierten Begleitforschung Lessons learned Übertragung des Ansatzes auf andere Technologiefelder

4 Verbundvorhaben Green-TV als Ideengeber für Innovationen in der Leiterplattentechnologie Herstellung des Leiterplattenbasismaterials typischerweise in Batch-Prozessen Verwendung halogenierter Flammschutzmittel (TBBA) Compliance mit RoHS-Anforderung (bleifreies Löten) anspruchsvoll Abtrennung der Polymerfraktion nicht praktikabel Behandlung ausgedienter Leiterplatten als Sondermüll

5 Vision für eine nachhaltige Leiterplattentechnologie Recyclingfähigkeit (WEEE-Compliance) Kompatibilität mit bleifreien Loten und Reduzierung des Gefahrstoffpotenzials (RoHS-Compliance) Optimierung der Umweltbelastungen entlang des gesamten Lebenszyklus ( life-cycle thinking ) ökonomische Wettbewerbsfähigkeit Konformität mit dem Anforderungsprofil konventioneller Leiterplatten technologische Kompatibilität mit der vorhandenen Infrastruktur zur Prozessierung des Leiterplattenbasismaterials

6 Konkrete Ziele für ein Verbundforschungsprojekt Entwicklung einer Leiterplatte auf der Basis von Hoch-Temperatur Thermoplasten ( HTT Boards ) Geschäumte Sandwichstruktur Kontinuierlicher Produktionsprozess Integration von Flex- und Multilayern Kompatibilität mit konventioneller Fertigungstechnologie für Leiterplatten (z.b. Print & Etch, Bestückung, Löten) Fertigung von Musterapplikationen zur Überprüfung der prinzipiellen Machbarkeit und Marktfähigkeit der Technologie integrierte Begleitforschung

7 Forschungsverbund mit kompetenten Know-how-Trägern für jede Einzelaufgabe

8 Zeitlicher Ablauf des Vorhabens Mai 2001 bis Juni 2004: Vorbereitungsphase Entwicklung der Grundlagen Nachweis der prinzipiellen Machbarkeit November 2004 bis Juni 2007: Qualifizierungsphase Weiterführung der Entwicklungsarbeiten bis vor die industrielle Umsetzung Durchführung von Sicherheits-, Zuverlässigkeits- und Dauergebrauchstests für erste Musterapplikationen

9 Agenda Projektgenese und -design Ergebnisse der F&E-Arbeiten Charakterisierung der integrierten Begleitforschung Lessons learned Übertragung des Ansatzes auf andere Technologiefelder

10 Kontinuierliche Produktion des geschäumten Basismaterials mittels Extrusionstechnologie

11 Erfolgreiche Leiterplattenprozessierung mit konventioneller Fertigungstechnik HTT Schaumextrudat, beidseitig kupferkaschiert strukturierter und durchkontaktierter Schaltungsträger

12 Thermische Nachverformung als ein wesentlicher technologischer Vorteil Leiterbahnen aus Kupfer ungeschäumte Deckschichten geschäumter Kern Substitution von Multilayern Substitution von diskreten Bauteilen (z.b. Kabel- und Steckverbindungen) Nutzung als mechanische Verstärkung

13 Agenda Projektgenese und -design Ergebnisse der F&E-Arbeiten Charakterisierung der integrierten Begleitforschung Lessons learned Übertragung des Ansatzes auf andere Technologiefelder

14 Zielstellung und Bestandteile der Begleitforschung Referenztechnologien HTT-Technologie Referenzbasismaterialien HTT-Basismaterialien Referenzapplikationen HTT-Musterapplikationen ökobilanzielle Bewertung toxikologische Bewertung Standard-Wirkungskategorien Gefahrstoffpotenzial EcoGrade ökonomische Bewertung technische Bewertung Lebenszykluskosten Öko-Effizienz

15 Bestandteile der Begleitforschung Referenztechnologien HTT-Technologie Referenzbasismaterialien HTT-Basismaterialien Referenzapplikationen HTT-Musterapplikationen ökobilanzielle Bewertung toxikologische Bewertung Standard-Wirkungskategorien Gefahrstoffpotenzial EcoGrade ökonomische Bewertung technische Bewertung Lebenszykluskosten Öko-Effizienz

16 Untersuchung des Lebensweges von der Wiege bis zur Bahre REFERENZTECHNOLOGIE Polymer-/ GF-Herstellung Imprägnieren, Metallisieren, Pressen (1,6 mm Dicke, beidseitig 35 µm Cu) Strukturierung Bauteilherstellung / Bestückung Löten ökobilanziell nicht näher betrachtet Herstellung Nutzung HTT-TECHNOLOGIE Polymerherstellung Extrusion (1,6 mm Dicke) Metallisierung (beidseitig 35 µm Cu) Strukturierung Bauteilherstellung / Bestückung Löten ökobilanziell nicht näher betrachtet Getrenntsammlung Rückgabe / Rücknahme Demontage Aufbereitung Verwertung / Beseitigung Redistribution Entsorgung Getrenntsammlung Rückgabe / Rücknahme Demontage Aufbereitung Verwertung

17 Ergebnisse für das Leiterplattenbasismaterial (Schaumextrudate) Umweltbelastung [µuzbp/m²] PEI PES FR Polymermatrix Hilfsstoffe Kupferfolie Prozessierung Entsorgung

18 Bestandteile der Begleitforschung Referenztechnologien HTT-Technologie Referenzbasismaterialien HTT-Basismaterialien Referenzapplikationen HTT-Musterapplikationen ökobilanzielle Bewertung toxikologische Bewertung Standard-Wirkungskategorien Gefahrstoffpotenzial EcoGrade ökonomische Bewertung technische Bewertung Lebenszykluskosten Öko-Effizienz

19 Ergebnisse der Öko-Effizienz-Analyse der Musterapplikation Loewe-Tuner (MA7) Gesamtumweltbelastung 0,50 MA7_Referenz MA7_HTT MA7_HTT_oP 1,00 1,50 1,50 1,00 0,50 relative Kosten MA7_HTT_oP: kupferkaschiertes Leiterplattensubstrat ohne Prepreg

20 Entwicklung ökoeffizienter Recyclingstrategien Herstellung Nutzung Redistribution Entsorgung Energetische Verwertung / thermische Beseitigung (V1) Hüttenprozess? (V2) Mechanisches Trenn- und Sortierverfahren (V3)

21 Exkurs: Mögliche Verfahren zur Erkennung und Sortierung von HTT-Leiterplatten manuelle Sortierung (V3_manuell) Einfärbung des Polymers mit einer auffälligen Farbe optische Erkennung der HTT-Leiterplatte beim Zerlegevorgang und manuelles Aussortieren v.a. in der Anfangsphase des Markteintritts interessant Sortierung mittels RFID-Transponder (V3_RFID) Ausstattung jeder HTT-Leiterplatte mit einem RFID-Chip elektronische Erkennung der HTT-Leiterplatte beim Zerlegevorgang und mechanisches Aussortieren (Ausblasen) Sortierung mittels Nah-Infrarot-Technologie (V3_NIR) keinerlei gesonderte Kennzeichnung / Modifikation der Leiterplatte erforderlich elektronische Erkennung der HTT-Leiterplatte beim Zerlegevorgang und mechanisches Aussortieren (Ausblasen)

22 Ergebnisse der Öko-Effizienz-Analyse der untersuchten Recyclingstrategien -2,5 V1 Gesamtumweltbelastung -1,0 0,5 0,5-1,0 relative Kosten -2,5 V2 V3_manuell V3_RFID V3_NIR

23 Bestandteile der Begleitforschung Referenztechnologien HTT-Technologie Referenzbasismaterialien HTT-Basismaterialien Referenzapplikationen HTT-Musterapplikationen ökobilanzielle Bewertung toxikologische Bewertung Standard-Wirkungskategorien Gefahrstoffpotenzial EcoGrade ökonomische Bewertung technische Bewertung Lebenszykluskosten Öko-Effizienz

24 Anwendungsfelder mit komparativen Vorteilen für geschäumte HTT-Leiterplatten Anwendungen mit thermisch nachverformtem Substrat (z.b. bei Antennenanwendungen) Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit (Dauergebrauchstemperatur > 175 C sowie Temperaturwechselbeständigkeit, z.b. im Bereich Automotive) Anwendungen, bei denen das geringe spezifische Gewicht der HTT-Extrudate ausgenutzt werden kann (z.b. im Bereich der mobilen Anwendungen) Hochfrequenz-Anwendungen, bei denen eine Substitution von höchstwertigen Leiterplattenmaterialien (wie PTFE) möglich ist (z.b. in der Medizinelektronik)

25 Agenda Projektgenese und -design Ergebnisse der F&E-Arbeiten Charakterisierung der integrierten Begleitforschung Lessons learned Übertragung des Ansatzes auf andere Technologiefelder

26 Erfolgsfaktoren für eine wirksame Begleitforschung konsequenter Lebenszyklusansatz: frühzeitige Analyse auch von End-of-life-Aspekten Durchführung von Real-time-Analysen an wichtigen Weichenstellungen im Entwicklungsprozess Personalunion von Begleitforschung und Projektkoordination gewährleistet die Richtungssicherheit der F&E-Arbeiten persönliche Vertrauensbasis erleichtert den Austausch sensibler Daten und erhöht die Akzeptanz gegenüber Empfehlungen Aufbereitung der z.t. komplexen Ergebnisse der Begleitforschung durch gut verständliche interne Kommunikationstools: Öko-Effizienz-Portfolio iterative Rückkoppelung mit den individuellen Anforderungsprofilen und Sichtweisen potenzieller Anwender im Spannungsfeld zwischen Know-how-Abfluss und Marketing

27 Dynamik des Unvorhergesehen Belastung des Arbeitsklimas durch Auseinandersetzungen um Patentanteile geteilte Aufmerksamkeit bei einigen Verbundpartnern aufgrund von Konkurrenz des Projekts mit anderen F&E-Vorhaben erschwert eine zeitnahe Bewertung Einforderung einer vorrangig nationalen Verwertung der F&E- Ergebnisse in einem Umfeld globalisierter Wertschöpfungsketten dramatischer Preisverfall bei FR-4-Standardplatinen während der Projektlaufzeit führte zu einer Modifikation der Zielstellung Erschließung unerwarteter Anwendungsfelder durch die exzellenten HF-Eigenschaften des Substrats

28 Agenda Projektgenese und -design Ergebnisse der F&E-Arbeiten Charakterisierung der integrierten Begleitforschung Lessons learned Übertragung des Ansatzes auf andere Technologiefelder

29 CONANO stakeholderübergreifende Gestaltung nanotechnologischer Neuentwicklungen Dialogprojekt gemeinsam mit Ciba SC, Novartis International, Österreichisches Ökologie-Institut und Stiftung Risikodialog kritisches Real-time Review verschiedener Entwicklungspfade für Nano-Delivery-Systeme in Medizin und Kosmetik Lebenszyklusansatz mit einer integrierten Analyse der Chancen und Risiken gemeinsame, aber akteursspezifische Bewertung der Chancen und Risiken im Rahmen einer Dialogmatrix Entwicklung von konkreten Handlungsempfehlungen Verzicht des Einsatzes nicht-abbaubarer Nanomaterialien (z.b. Fullerene und Carbon Nanotubes)

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Martin Möller