7. Europäisches Elektroniktechnologie - Kolleg

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Cornelius Burgstaller
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1 7. Europäisches Elektroniktechnologie - Kolleg Technologien für die elektronische Baugruppe 17. / 21. März 2004 Umweltgerechte Leiterplatte - Basismaterialien und funktionelle Oberflächen, Franz Bötzl Herstellung, Inhaltsstoffe und Entsorgung von Basismaterialien bzw. Leiterplatten Gesetzlicher Rahmen und internationale Vereinbarungen Stand der Verfügbarkeit und Anwendung von halogenfreien Basismaterialien Vermeidung von Bleiverbindungen auf der Leiterplatte Ausblick Folie1

Bestandteile Basismaterial Verstärkung Baumwollpapier Papier / Glas Hybride Glasgewebe Glasmatte Aramidgewebe Aramidmatte Harzmatrix Epoxid Phenol Novolak

2 Bestandteile Basismaterial Verstärkung Baumwollpapier Papier / Glas Hybride Glasgewebe Glasmatte Aramidgewebe Aramidmatte Harzmatrix Epoxid Phenol Novolak Cyanatester Polyimid Kupferfolie elektrolytisches Kupfer Walzkupfer gesputtertes Kupfer duroplastische Harzsysteme Polyester PTFE ( Teflon ) Thermoplaste Folie2

Flammschutzmittel für Basismaterialien Es kommen Stickstoffverbindungen, Phosphorverbindungen, Halogene ( Chlor, Brom) und Hydroxide zum Einsatz reaktiv TBBA ( Tetrabrom bis phenol A )

3 Flammschutzmittel für Basismaterialien Es kommen Stickstoffverbindungen, Phosphorverbindungen, Halogene ( Chlor, Brom) und Hydroxide zum Einsatz reaktiv TBBA ( Tetrabrom bis phenol A ) Phosphormodifizierte Epoxid - Harze Multifunktionelle Aminokomponenten additiv Melamine Phosphate polybromierte Biphenyle (PBB) * polybromierte Diphenylether (PBDE) * bromierte Phthalimide Hydroxide ( Al (OH) 3. x H 2 O ; Mg (OH)2. x H 2 O ) * können Dioxine und Dibenzofurane bilden Folie3

4 Wirkungsweise der einzelnen Flammhemmer Halogenverbindungen R H +. X R. + HX HX +. OH H 2 O +. X X Halogen, R-H Polymer HX +. H H 2 +. X Phosphorverbindungen O HO P O H + -CH 2 CH 2 - H 3 PO 4 + C - H 2 O OH n Glasartige Polyphosphorsäure Polymer Phosphorsäure Verkohlung Hydroxide 2 Al (OH) 3. x H 2 O Al 2 O 3 + (x + 3) H 2 O ca. 280 o C Folie4

5 Halogenfreies (-armes) Basismaterial Unter halogenarmen Basismaterial versteht man Materialien, bei denen das bromierte (Epoxy-) Harz z.b. durch ein phosphormodifiziertes Harz ersetzt wird. Zusätzlich unterstützt eine multifunktionelle Aminoverbindung als Härter die flammhemmende Wirkung des Phosphors. Als halogenfrei ( - arm ) werden Basismaterialien bezeichnet, wenn sie <= 0.09 Gew. % Cl bzw. Br - aufweisen oft auch als green material bezeichnet. Ergänzend kommt auf der Leiterplatte ein halogenarmer Lötstopplack zum Einsatz. Folie5

6 Halogenfreie (-arme) Leiterplatten Vergleich von konventionellen und halogenfreien Leiterplatten konv. LP Halogenfree Laminat, Prepreg Br 8 12 <= 0,09 Gew. % Cl 0,2 <= 0,09 Gew. % Br + Cl 8,2 12,2 <= 0,18 Gew. % Lötstopplack Br 0,1 <= 0,09 Gew. % Cl 4 <= 0,09 Gew. % PCB Br + Cl 12 <= 0,18 Gew. % Folie6

7 Entsorgung von Basismaterialien komplettes Recycling von Basismaterialabfällen ist nicht möglich vollständig ausgehärtetes Harz ( Duroplast ) nicht von Glasverstärkung trennbar Recycling von Kupfer problemlos möglich Abätzen des Kupfers mit CuCl 2 Lösung Mahlen oder Shreddern der Abfälle und Separieren des Kupfers durch Sichten Pyrolytische Trennung von Kupfer und Substrat ( Flammhemmer! ) Auch halogenfreies Basismaterial läßt sich nicht vollständig recyclen Folie7

8 Entsorgung von Leiterplatten Bei der Entsorgung von ( bestückten ) Leiterplatten sind außer dem eingesetzten Basismaterial noch zu berücksichtigen Lote Lötstopp - Resiste Oberflächenschutz ( Ni Au, chem. Sn, chem. Ag, OSP, etc. ) Bauelemente, Stecker, Kühlbleche, etc. d.h. es liegt ein komplexes Stoffgemisch vor! Folie8

9 Gesetzliche Grundlagen Kyoto - Konferenz CO 2 Emission Elektronik - Schrott Verordnung WEEE waste from Electrical and Electronic Equipment Norwegen Deutschland Japan Schweden EU ab 1.Juli 2006 verboten. Pb, Cd, Hg, Cr VI, PBB, PBDE EU Staaten bis 2005 Rücknahmesysteme einrichten Folie9

10 Gesetzlicher Rahmen und Internationale Vereinbarungen WEEE (Waste from Electrical and Electronic Equipment) - Elektronikschrott EU Richtlinie vom Frühjahr 2003 ( ) zur Rücknahme und Entsorgung von Elektrogeräten Jedes der 15 Mitgliedsländer muss innerhalb von 18 Monaten nationale Gesetze erlassen Schwerpunkte: Vermeiden, Wiederverwenden, Recycling, Rückgewinnen von Energie, umweltverträgliches Deponieren Ab 2006 muss jedes EU Mitgliedsland eine Rücknahmequote von 4 kg / Einwohner nachweisen. RoHS ( Reduction of Hazardous Substances ) Verbot des Einsatzes von Blei, Quecksilber, Cadmium, Cr VI, PBB und PDBE in der Elektro- und Elektronikindustrie ab 1.Juli 2006 EU Altautoverordnung ( ELV ) Für alle ab ausgelieferten Neufahrzeuge gilt Verbot von Blei, Cadmium, Quecksilber und Cr VI. (nur befristet Ausnahmen ) Folie10

11 Gesetzlicher Rahmen und Internationale Vereinbarungen RoHS ( Reduction of Hazardous Substances ) Verbot von Einsatz Blei, Quecksilber, Cadmium, Cr VI, PBB und PDBE in der Elektro- und Elektronikindustrie ab 1.Juli 2006 Ausnahmen zum Bleiverbot ( RL 2002/95/EG, Artikel 4 ) im Anhang: Lötmitteln mit hohem Schmelzpunkt ( Pb - Anteil > 85 % ) Lötmittel im Telekommunikationsbereich Bleiglas in elektronischen Geräten in keramischen Elektronikbauteilen in Stahl-Legierungen bis zu 0,35 % in Aluminium Legierungen bis zu 0,4 % in Cu Legierungen bis 4 % in Servern, Speichern und Netzgeräten ( bis 2010 ) Folie11

12 EACEM Liste European Association of Consumer Electronics Folie12

13 Anfall Elektronik - Schrott Altgeräteanfall Deutschland pro Jahr Herkunft Haushaltsgeräte Unterhaltungselektronik Industrieelektronik Inform ationstechnologie Kom m unikationstechnol Bürogeräte Laborgeräte m edizinische Geräte 0,0 200,0 400,0 600,0 800, ,0 Menge in 1000 Tonnen Quelle: UBA Altgeräteanfall Elektronik/Elektrik Jährlicher Anfall ca. 2 Mio. Tonnen Durchschnittliche Steigerung 11 % pro Jahr Menge in 1000 Tonnen Folie13

14 Zusammensetzung Elektronik - Schrott Zusammensetzung Elektronikschrott Andere 4% ABS - PC 29% Flame retardants 1% Ke ramik 16% Ag und Komp. 1% Zn und Komp. 1% Ni und Komp. 1% Fe 3% Andere < 1 Gew. - % Sn Pb Ta Co Al W Au Pd Sb Mn Li Compounds Silicon 10% Epoxy 9% PPS 2% Andere Polymere 8% Cu und Komp. 15% Cl 2 O 3 LC RuO 2 Be P Mo ITO Folie14

15 Zusammensetzung Kfz - Schrott Werkstoffanteile Mittelklasseauto Schaltgetriebe Al, Mg 10,3% Kunststoffe 12,2% Al - Felgen 2,0% Cu, Pb, Zn 2,1% Elektronik 1,5% Gummi Glas 2,2% Reifen 2,6% 3,2% Sonstige 0,3% Prozeßpolym e re 1,5% Stahl und Eisen 56,9% Betriebsstoffe 5,2% Folie15

16 Motivation für den Einsatz umweltschonender Leiterplatten was wir heute wegwerfen wird man uns morgen vorwerfen Eliminierung von Gesundheitsrisiken für den Endverbraucher Besserer Schutz für Produktionspersonal Marketing Argument für ( Consumer ) Produkte Eröffnen neue Recycling Wege ( weniger korrosive Abbauprodukte bei Verbrennung ) Elektronik - ( Kfz ) - Schrott -Verordnung Folie16

17 Einsatz umweltschonender (halogenarmer) Leiterplatten - Mobiltelefone ( cellular phones ) - Personal Computer, Laptop - Pocket PC ( PDA, Organizer) - DVD Payer, MP3 Player, Hand Helds - Unterhaltungselektronik Geräte Fernseher, Stereo, Video, etc. - Router, Server, Base station - Automobilelektronik Folie17

18 Probleme mit halogenfreien Leiterplatten - Der Preis halogenfreier Basismaterialien ist höher als der Preis für FR 4 - Die Qualität hat den Stand von FR 4 Material erreicht (jedoch oft Vorserientypen, Versuchsprodukte, kleine Produktionsmengen, etc. ) - Es gibt keine Erfahrungswerte über Langzeitverhalten sowie über Alterungsstabilität dieser Materialien Folie18

19 Bleifrei - Technik Bleifrei Lote Legierung Schmelzbereich Patent angemeldet Bemerkung o C 96,5 Sn 3,5 Ag 221 nein erhöhte Betriebstemp. 96,2 Sn 3,2 Ag 0,5 Cu nein bleifrei Standard 99,3 Sn 0,7 Cu 227 nein Low cost 99,2 Sn 0,7 Cu 0,1 Ni 227 nein 95 Sn 5 Sb nein hoher T m schlechte Benetzung z. Vgl. 63 Sn 37 Pb 183 nein heute Standard bleihaltig Folie19

20 Bleifrei - Technik Eigenschaften HA(S)L Ni Au OSP chem. Ag chem. Sn hot air solder leveling Organic surface protection Endoberfläche Sn / Pb Au organic Ag Sn Sn 0.7 Cu 0.1 Ni Kosten mittel hoch niedrig mittel mittel 1 1,1 0,95 0,97 0,97 Ebenheit o Schichtstärke 1-25 µm Au 0,05-0,15 µm 0,2-0,6 µm Ag 0,3-0,5 µm 0,7-1,0 µm Lagerfähigkeit 12 Monate 6 Monate 6 Monate 6 Monate 6 Monate Mehrfachlötung ++ + o + + Bondbarkeit Einpresstechnik o o Fine - Pitch - Eignung o Prozessaufw and mittel hoch niedrig niedrig niedrig Tem peraturstress hoch niedrig niedrig niedrig niedrig Folie20

21 Bleifrei - Technik - Bezogen auf den weltweiten Bleiverbrauch macht der Anteil im Lötzinn 0,5 % aus. - der Umweltvorteil ist bei gesamtheitlicher Betrachtungsweise beim Umstieg auf bleifreie Elektronikprodukte bis heute fraglich - Tests über Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit liegen noch nicht im ausreichender Menge vor - Prozessfenster ist deutlich eingeschränkt - Höhere Schmelztemperatur der bleifreien Lote Folie21

22 Ausblick Verbesserung des Eigenschaftsbilds von elektrischen und elektronischen Geräten ist permanenter Ansporn an Entwickler und Designer In Bezug auf Umweltverträglichkeit und Gesundheitsaspekte sind noch nicht alle konstruktiven und technischen Möglichkeiten ausgeschöpft Besonders eine innovative Branche, wie die Elektronik, muss an vorderster Front kämpfen, um möglichst alle Umwelt- und Gesundheitsrisiken auszuschalten oder zumindest zu minimieren Visionäres Ziel muss es sein, so viele Werkstoffe wie möglich im Kreislauf zu führen Folie22

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