Electronic Components and Systems PCB and Electronic Systems Oktober 2010 Positionspapier zu Forderungen nach "Halogenfreien Produkten in der Elektro- und Elektronik-Industrie 1 - Die im ZVEI vertretenen Fachverbände "Electronic Components and Systems" und "PCB and Electronic Systems unterstützen gemeinsam mit Kunststoff- und Flammschutzmittelproduzenten aktiv die Substitution von Flammschutzmitteln für die negative Umwelt- und Gesundheitseigenschaften wissenschaftlich nachgewiesen wurden - Flammschutz und Produktsicherheit, Umwelt- und Gesundheitsschutz sind die wichtigsten Prinzipien nach denen die Bewertung des Einsatzes halogenierter Flammschutzmittel in bestimmten Anwendungen ausgerichtet sein muss - Der Verzicht auf halogenhaltige Flammschutzsysteme ist derzeit für viele Produkte und Anwendungsgebiete in der E&E-Industrie technisch nicht möglich - Viele halogenierte Flammschutzmittel haben eine umfassende, auf einheitliche Prozedere und Kriterien basierende EU-Risikobewertung unter REACH erfolgreich durchlaufen - Auf Stoffverbote in speziellen Anwendungen (z.b. RoHS-Richtlinie) sollte daher verzichtet werden - Gemäß Ihrer Produktverantwortung wird eine sachgemäße Verwendung und Entsorgung von Produkten mit halogenierten Flammschutzmitteln und PVC durch vorgelagerte Nutzer und Entsorger sichergestellt Der ZVEI - Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.v. vertritt die wirtschafts-, technologie- und umweltpolitischen Interessen der deutschen Elektroindustrie auf nationaler und internationaler Ebene. Er informiert gezielt über die wirtschaftlichen, technischen und rechtlichen Rahmenbedingungen für die Elektroindustrie in Deutschland. In den Fachverbänden "Electronic Components and Systems" und "PCB and Electronic Systems im ZVEI sind die Hersteller elektronischer Komponenten, Systeme und Baugruppen in Deutschland und Europa organisiert 2. Hierzu zählen Passive Komponenten, Halbleiter-, als auch Elektromechanische Bauelemente, Leiterplatten und Baugruppen. Diese werden in nahezu allen elektronischen Produkten verbaut. 1 E&E-Industrie 2 www.zvei.org
2 Motivation Ziel des Positionspapiers ist die Klärung des Begriffs "Halogenfrei sowie die Erläuterung der Situation, dass die Hersteller elektronischer Komponenten, Systeme und Baugruppen immer stärker zur Umsetzung der Kundenforderungen nach halogenfreien Produkten gedrängt werden. Für die Hersteller von elektrischen und elektronischen Produkten steht die nachhaltige Nutzung von Ressourcen, die umweltschonende Entsorgung und die sichere Anwendung der Produkte, unter dem Aspekt des Brandschutzes, im Vordergrund 3. Um die gesetzlich geforderten Sicherheitsstandards zu erfüllen, haben sich halogenhaltige Flammhemmer bis heute etabliert. Sowohl das Marktangebot als auch die Marktnachfrage befassen sich intensiv mit neuen, halogenfreien Alternativen. Die Forderung nach vollständiger Halogenfreiheit von Produkten ist nach Meinung der Hersteller für elektronische Komponenten, Systeme und Baugruppen überzogen und auch nicht realisierbar. Schon aus technischen Gründen ist ein Verzicht auf halogenhaltige Flammschutzsysteme derzeit nicht für alle Produkte und Anwendungsbereiche möglich. Bezüglich der Bewertung von Stoffen, darunter sowohl halogenhaltige als auch halogenfreie Flammschutzmittel, enthält die REACH-Verordnung ein nach einheitlichen Kriterien festgelegtes Verfahren, das aus Sicht der Industrie keiner weiteren Ergänzung von Stoffverboten über andere gesetzliche Regulierungen, wie z. B. der RoHS-Richtlinie, für den Bereich der Elektro- und Elektronikindustrie bedarf. Neben der Diskussion über die Verwendung halogenhaltiger Flammschutzmittel wird immer wieder auch die Verwendung bzw. Vermeidung von halogenhaltigen Polymeren (z. B. PVC (Polyvinylchlorid)) thematisiert. PVC war in den vergangenen Jahren Gegenstand zahlreicher, umfassender Untersuchungen, z. B. hinsichtlich der Umweltauswirkungen im Brandfall und seiner Entsorgungsoptionen. Dabei hat sich PVC als nachhaltiger und sicher einsetzbarer Werkstoff mit besonderen Eigenschaften für wichtige Anwendungen herausgestellt. Die PVC - Industrie hat auf freiwilliger Initiative Aspekte des "Product Stewardships" proaktiv umgesetzt 4. Auf Basis dieses Kenntnisstandes ist eine Einschränkung der PVC - Verwendung, beispielsweise in der aktuellen Diskussion um die RoHS - Richtlinie, weder gerechtfertigt noch zielführend 5. Das Vorhandensein halogenhaltiger Substanzen bei der Verbrennung führt nicht zwangsläufig zu gefährlichen Schadstoffen da insbesondere die thermische Verwertung strikten, genehmigungsrechtlichen und behördlichen Auflagen sowie Restriktionen unterliegt. Moderne Verbrennungsanlagen sind mit der entsprechenden besten verfügbaren Technologie ausgerüstet 6. Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass die Verbrennung von besonders empfindlichen Stoffströmen wie Elektroaltgeräten, einschließlich halogenhaltiger Anteile, unter kontrollierten Bedingungen als ein sicheres Verfahren zu bezeichnen ist 7. Dies gilt sowohl für die energetische Verwertung, beispielsweise in einem Müllheizkraftwerk als auch für die rohstoffliche Verwertung z. B. in einem integrierten Schmelzofen. Auf diese Weise werden bei der Verbrennung organischer Stoffe toxische und gesundheitsgefährdende Substanzen vollständig vernichtet bzw. ausgeschleust. 3 Kunststoffe in der Elektrotechnik Aspekte des Brandschutzes ZVEI (2009) 4 siehe www.vinyl2010.org 5 PlasticsEurope (2009): PlasticsEurope views on the recast of the RoHS Directive 6 siehe BREF waste incineration unter http://eippcb.jrc.es 7 "Large scale demonstration of the treatment of electrical and electronic shredder residue technical report, PlasticsEurope (2006). "Using metal-rich WEEE plastics as feedstock/fuel substitute for an integraded metals smelter, Johan Brusselaers, Dr. Frank E. Mark, Lein Tange, PlasticsEurope in cooperation with Umicore and EFRA, 2006 Environmental and economic implications of a shift to halogen free printed wiring boards. C. G. Bergendahl, K. Lichtenvort, G. Johansson, M. Zackrisson, J. Nyyssönen, IVF Industrial Research and Development, Mölndal, Sweden Technical University of Berlin Aspocomp Oy, Salo, Finland, 2000
3 Andrerseits hat z. B. die Umweltschutzorganisation "Greenpeace auf die Problematik der unkontrollierten Entsorgung von Elektronikschrott in Drittländern aufmerksam gemacht und die Industrie aufgefordert, "halogenfreie Produkte" zum Schutz der Umwelt und der dortigen Bevölkerung anzubieten. Die Endgerätehersteller der Unterhaltungs-, Informations- und Telekommunikationselektronik geben diese Anforderungen nach "halogenfreien Komponenten, Bauteilen und Systemen an Ihre Lieferanten entsprechend weiter. Halogenhaltige Flammschutzmittel Seit vielen Jahren sind halogenhaltige Flammschutzmittel Gegenstand umfangreicher Untersuchungen und Risikobewertungen. Deren Ergebnisse sind wesentliche Elemente, um zu einer faktenbasierten, versachlichten Diskussion zu gelangen. Für das europäische Stoffrecht sind solche Analysen zu einer unabdingbaren Bezugsbasis geworden. Eines der Kernprinzipien ist, dass jeder Stoff individuelle Eigenschaften aufweist, die nicht auf andere Stoffe zu übertragen bzw. zu verallgemeinern sind. Für Produkte mit dem "Blauen Engel ist die Verwendung von bromierten Flammschutzmitteln eingeschränkt. Ausnahmen bestehen bei reaktivem TBBPA 8 und Kleinteilen mit einem Gewicht unter 25 Gramm. Der Einsatz der Substanzen penta-brom- und octa-bromdiphenylether ist gänzlich untersagt (Richtlinie 2003/11/EC). Seit 01.07.2006 ist die Verwendung aller Vertreter der PBBs (Polybromierten Biphenyle) und PBDEs (Polybromierten Diphenylether) in Elektro- und Elektronikgeräten verboten (RoHS-Richtlinie, 2002/95/EG). Durch diese gesetzlichen Restriktionen soll die Entstehung von gefährlichen Dioxinen und Furanen bei der Verarbeitung von Rohstoffen oder einem nicht bestimmungsgemäßen Gebrauch oder einer unsachgemäßen Entsorgung vermieden werden. Auf diese Weise sind durch gesetzliche Regelungen Verbrauchersicherheit sowie Umwelt- und Gesundheitsschutz sichergestellt. Der Begriff "Halogenfrei" Die Diskussion zeigt, dass es derzeit kein einheitliches Verständnis für den Begriff "Halogenfrei gibt. Unter dem Begriff "Halogenfrei" verstehen die in den ZVEI-Fachverbänden "Electronic Components and Systems und "PCB and Electronic Systems organisierten Hersteller von elektronischen Komponenten, dass keine halogenierten Flammschutzmittel sowie PVC in den Komponenten enthalten sind. Andere Halogenverbindungen können dagegen vorhanden sein. Desweiteren grenzen die beiden Fachverbände den Begriff "Halogenfrei" in Anlehnung an internationale Standards für PCB-Basismaterial (Printed Circuit Boards) (IEC 61249-2-21 und IPC-4101C) auf die Elemente Chlor und Brom in Flammschutzmitteln ein. Diese bromund chlorhaltigen Verbindungen werden am häufigsten in elektrischen und elektronischen Komponenten genutzt. Fluorierte und jodierte Verbindungen werden nur in Spezialanwendungen eingesetzt und bleiben genauso wie das radioaktive, für die Elektronik nicht nutzbare Astat und seine Verbindungen, unberücksichtigt. Anforderungsprofil und Werkstoffauswahl Die Erfüllung der unterschiedlichsten Anforderungen an die elektrischen und elektronischen Komponenten, Systeme und Bauteile wie z. B. Sicherheit, Funktionalität und Design sind sowohl durch Gesetze und Normen festgelegt als auch zusätzlich durch Anforderungen der OEMs (Original Equipment Manufacturers) vorgegeben und durch deren Kunden gefordert. Voraussetzung für die erfolgreiche Entwicklung und Vermarktung ist es, diese Aufgaben innerhalb ihrer Möglichkeiten und Grenzen zu erfüllen. 8 Tetrabrom-bisphenol A
4 Diese hohen Anforderungen an Bauelemente der E&E-Industrie, wie z. B. elektrische, mechanische, klimatische und brandschutzrelevante Eigenschaften, sind mit den heute am Markt verfügbaren Kunststoffen ohne bromhaltigen Flammschutz nicht in jedem Fall zu erfüllen. So würde ein generelles Verbot aller halogenhaltigen organischen Verbindungen in E&E-Produkten dazu führen, dass ein großer Teil dieser Produkte zukünftig nicht mehr zur Verfügung stünde. Die Auswahl eines Werkstoffes zur elektrischen Isolierung ist entscheidend für den Einsatz und die Leistungsfähigkeit eines Produktes oder einer Anlage der E&E-Industrie. Eine Marktpräsens von über 20 Jahren, teure, langwierige internationale Zulassungen für bestimmte Anwendungen, extreme industrielle Einsatzbedingungen und spezielle Kundenforderungen, schränken den Einsatz der zur Verfügung stehenden Materialien stark ein. Anwendungsgrenzen von halogenfreien Flammschutzmitteln bestehen bei vielen UL 94 V0- flammgeschützten Kunststoffen (Underwriters Laboratories 94 / vertikales Brandverhalten) derzeit noch in der mechanischen Festigkeit im Bereich sehr dünner Wandstärken von Bauteilen (0,4 mm) sowie im Bestehen des Glühdraht-Tests bei 750 C (GWIT nach IEC 60335), der für Haushaltsgeräte gefordert wird. Hochleistungskunststoffe, wie z. B. LCP (flüssigkristalline Polymere), PEEK (Polyetherverbindungen) etc., die sich bereits durch inhärenten Flammschutz auszeichnen, besitzen CTI-Werte (Kriechstromfestigkeit), die unterhalb der Grenze liegen, die für eine UL- Zulassung notwendig ist (Anforderung CTI >175). Dadurch müssten die Bauteile in vielen Fällen deutlich größer ausgelegt werden, um die notwendigen Luft- und Kriechstrecken überhaupt zu erreichen. Das wirkt den Tendenzen zur Miniaturisierung klar entgegen und führt zu mehr Abfall oder höherem Energieverbrauch bei der Verarbeitung und der Nutzung. Außerdem begrenzen die unzureichenden mechanischen Eigenschaften dieser Materialien - wie z. B. die Bruchdehnung - die Realisierung vieler funktioneller Produkteigenschaften, Funktionen und Montagevorgänge von Klemmen und Steckern. Hochleistungskunststoffe sind nicht nur aus den oben genannten technischen Eigenschaften, sondern auch aufgrund ihrer höheren Kosten nicht ohne weiteres eine geeignete Alternative. Auch die normen- oder kundenspezifische Forderung nach reproduzierbaren Marken- oder Funktionsfarben schränkt die Auswahl alternativer Isolationsmaterialien häufig ein, da nicht jede Farbe bei allen Kunststoff-/Flammschutz-Kombinationen einstellbar ist. Substitutionsmöglichkeiten Derzeit werden einige Alternativen zu bromierten Flammschutzmitteln am Markt angeboten. Die am meisten verbreiteten Flammschutzmittel basieren auf Phosphor- und Stickstoffverbindungen sowie anorganischen Aluminium- und Magnesiumsalzen. Der Verband der Hersteller dieser Produkte (pinfa) hat eine Übersichtsbroschüre 9 zu diesem Thema herausgegeben. Die für die Herstellung von elektronischen Komponenten in Frage kommenden Flammschutzmittel sind in Tab. 4.3 in der pinfa-broschüre aufgeführt und kurz charakterisiert. Eine weitere Zusammenstellung bietet die Richtlinie des Elektronikverbands HDPUG 10. Analog zur Diskussion über die mit Tetrabrom-bisphenol A (TBBPA) flammgeschützten Leiterplatten 11 (siehe hierzu die "Stellungnahme des Verbandes der Leiterplattenindustrie und des FV ECS im ZVEI") ist ein sofortiger, völliger Verzicht auf halogenhaltige Flammschutzmittel für Bauteile und Werkstoffe aus den genannten technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht möglich. 9 Döring M. / Diederichs J. (2007): Halogen-free Flame Retardants in E&E Applications, Forschungszentrum Karlsruhe GmbH / www.halogenfree-flameretardants.com pp. 4-30 10 O'Connell S. (2008): Halogen Free Guideline - Project Report. HDPUG / www.hdpug.org pp. 1-68 11 VdL / ZVEI (2008): Runder Tisch TBBPA / www.vdlev.org/index.php?tbbpa-runder-tisch
5 Leiterplatten, die mit diesem Flammschutzmittel ausgerüstet sind, wurden eingehend untersucht sodass ihr ökologisches, gesundheitliches und technisches Leistungsprofil sehr genau bekannt sind. Basismaterialharze 11 zur Herstellung von Leiterplatten werden aus teilbromierten Epoxidharzen hergestellt. Dazu werden Diglycidylether des Bisphenol-A mit Tetrabrombispenol-A zur Reaktion gebracht. Aus den so hergestellten Polymeren lässt sich TBBPA in freier Form nicht mehr isolieren und ist als solches nicht mehr vorhanden. So bescheinigen wichtige relevante wissenschaftlichen Untersuchungen und Reports, dass TBBPA im Rahmen seiner sachgerechten Anwendung unbedenklich für die Umwelt ist 12. Aus den vorgenannten Gründen ist hinsichtlich Sicherheit und Gesundheitsschutz die Substitution von halogenierten Flammschutzmitteln nicht immer sinnvoll. Der langfristige Prozess erfordert die Analyse möglicher Risiken unter ganzheitlichen ökologischen und ökonomischen Aspekten, technischer Umsetzbarkeit sowie langjähriger Entwicklungsarbeit der Elektrogerätehersteller mit den Zulieferern von Bauelementen und Werkstoffen. Zusammenfassung und Ausblick Die Hersteller elektronischer Komponenten, Systeme und Baugruppen sind sich ihrer Verantwortung für ihre Produkte auch unter den Aspekten des Brandschutzes bewusst und suchen daher intelligente und innovative Lösungen im Rahmen des Konzeptes eines integrierten Brandschutzes 2. Dies schließt die Substitution von Flammschutzmitteln mit wissenschaftlich nachgewiesenen negativen Gesundheit- und Umwelteigenschaften ebenso ein wie konstruktiven Brandschutz. Aber auch klassisch flammengeschützte Bauteile und Werkstoffe finden Berücksichtigung, um im Rahmen eines anwendbaren Managementsystems einen effektiven, langfristig sicher wirksamen Brandschutz unter Berücksichtigung des Umwelt- und Gesundheitsschutzes sicherzustellen. Bereits heute werden zahlreiche Produkte frei von halogenhaltigen Flammschutzmitteln angeboten. Auch für Isolations- und Dichtungsmaterialien stehen für viele Anwendungen alternative Flammschutzmittel und Werkstoffe zur Verfügung. Ein völliger Verzicht auf halogenhaltigen Flammschutz und halogenhaltige Materialien ist jedoch vom technischen Fortschritt, ausreichender Verfügbarkeit und wirtschaftlichen Aspekten abhängig und erfordert neue Entwicklungen sowie aufwendige technische Anpassungen. Die erforderlichen Zulassungen, Approbationen und Sicherheitstests der neuen Materialien, Bauteile und Produkte bestimmen Zeit, Machbarkeit und Sinnhaftigkeit. Eine kurzfristige Umstellung der elektronischen Komponenten, Systeme und Baugruppen muss in einem Zeitrahmen von wenigstens acht Jahren bei ausreichender Verfügbarkeit der neuen Materialien - gesehen werden. Neue Entwicklungen und Trends zur Substitution der erforderlichen halogenhaltigen Flammschutzmittel, ebenso wie innovative Gesamtkonzepte, werden von der E&E-Industrie gemeinsam mit Kunststoff- und Flammschutzmittel-Herstellern, wissenschaftlichen Instituten und Verbänden unter Berücksichtigung des besonderen Anforderungsprofils für Produkte der E&E-Industrie aktiv unterstützt. 12 Scientific Committee on Health and Evironmental Risks (SHER)-Berichte vom Januar 2008 und September 2005 (umfassende Bewertung des Risk Assessment (RA) von TBBPA)