Ökologische Bewertung von Elektronik-Komponenten und ... · Abb. 1 Verwendete Stoffe in der Elektronik, J. Baumann, Siemens Dass dieses Problemfeld immer stärker, auch auf politischer

Ökologische Bewertung von Elektronik-Komponenten und bestückten Leiterplatten

Autor: Hans-Lukas Kramer Departement UmweltwissenschaftenBetreuer: Dr. Marion Tobler ETH, Sustainable Industrial Production Institut für automatisierte Produktion Dr. Gerold Brändli ETH, Institut für Elektronik © IG exact / ETH Zürich , 18.10.2006

IG exact Arbeitsgruppe Umweltfragen - 2 - Eidgenössische Technische Hochschule ETH

Danksagung Ich möchte mich zuerst sehr herzlich bei meinen Betreuern bedanken. Dann bei den Kontaktpersonen, die mich in den einzelnen Firmen unterstützten. Allen Personen die meinen Fragen ihre Aufmerksamkeit schenkten. Ganz speziell denen, die sie auch beantworten konnten. Natürlich danke ich auch allen, die mich motiviert und oder inspiriert haben. Herzlichen Dank (und ich wünsche mir, dass die Lektüre dieser Arbeit Ihnen das Gefühl gibt, dass sich Ihr Einsatz gelohnt hat)

© IG exact / ETH Zürich 18.10.2006


Zusammenfassung In dieser Arbeit werden drei bestückte Leiterplatten nach ihrer Umweltbelastung untersucht. Die drei Leiterplatten unterscheiden sich bezüglich einiger wesentlichen Aspekten wie Grösse, Aufbau, Löttechnologie und den verwendeten elektronischen Bauteilen. Es wird eine vereinfachte Ökobilanzierung der drei bestückten Platinen durchgeführt, wobei nur die Lebensphasen bis zum betriebsbereiten Produkt betrachtet werden, dazu gehören Bereitstellung der Rohstoffe, Basismaterialen und die Herstellungsprozesse. Für die Bewertung werden die bestückten Leiterplatten modelliert. Es wurden die Module „Herstellung der Leiterplatten“ „Elektronische Bauteile“ sowie „Bestücken und Löten“ getrennt untersucht und bewertet. Es zeigte sich, dass die „Herstellung der Leiterplatten“ und die Gesamtheit der „Elektronischen Bauteile“ grössere Umwelteinwirkungen erzeugen, als das „Bestücken und Löten“ der Leiterplatte. Bei der Herstellung der Leiterplatten wurden das Kupfer und die benötigte Energie bei den Herstellungsprozessen als die Elemente identifiziert, welche die ökologische Auswirkungen am stärksten verursachen. Die in den Leiterplatten verwendeten bromierten Flammschutzstoffe wurden allerdings nicht in die Bewertung aufgenommen, ebenso wenig wie eingesetzte Chemikalien bei der Produktion, zu welchen keine verwertbaren Daten zur Umweltverträglichkeit verfügbar waren. Die elektronischen Bauteile wurden in Gruppen (wie Halbleiter, Widerstände, Kondensatoren usw.) geordnet. Aus diesen Gruppen wurden jeweils ein oder mehrere Bauteile einzeln bilanziert. Diese Resultate wurden später für alle Bauteile dieser Gruppen übernommen, und daraus die Gesamtheit der elektronischen Komponenten bilanziert und bewertet. Grundlage für die Bewertung der Bauteile war ihre chemische Zusammensetzung. Dabei zeigte sich, dass das Komponentengewicht der grösste Einflussfaktor der ökologischen Bewertung darstellt. Auf der Stufe der einzelnen Bauteile zeigt sich ein ähnliches Bild. Diejenigen Stoffe, welche den grössten Gewichtsanteil ausmachen, tragen am meisten zur Umweltbelastung bei. Lediglich Zinn kann bereits bei geringem prozentualen Gewichtsanteil die Umweltbilanz stark beeinflussen. Für Halbleiter wurden zusätzlich zu den chemischen Inhaltsstoffen Daten zum Energieaufwand bei der Herstellung aus Literaturstudien bei der Bewertung mit berücksichtigt. Dabei stellte sich heraus, dass die Bereitstellung der dazu benötigten Energie einer der wesentlichen Verursacher der Umweltbelastung der bestückten Leiterplatte sein kann. Die Energie, die bei der Herstellung der Halbleiter sowie der Platinen benötigt wird, bewirkt bis zu 66 % der Umweltbelastung der bestückten Leiterplatte. Diese Erkenntnisse wurden allesamt bei der Bewertung der drei bestückten Leiterplatten verwendet. Die Vergleichseinheit (Funktionelle Einheit) der Leiterplatten wurde als „1 kg bestückte Leiterplatte“ definiert. Die Bewertungen der drei modellierten Leiterplatten zeigte, dass die Umweltbelastung der einzelnen bestückten Leiterplatten pro kg Applikation um einen Faktor 3.25 auseinanderliegen.



Inhaltsverzeichnis: Danksagung ............................................................................................................................................ 2 Zusammenfassung .................................................................................................................................. 3 Inhaltsverzeichnis: ................................................................................................................................... 4 Inhaltsverzeichnis: ................................................................................................................................... 4 1. Einleitung............................................................................................................................................. 5

Gesetzliche Rahmenbedingungen.................................................................................................................. 7 Arbeits-Umfeld.............................................................................................................................................. 9 Fragestellung ................................................................................................................................................. 9 Aufbau der Arbeit........................................................................................................................................ 10

2. Material und Methoden...................................................................................................................... 11 2.1 Untersuchungsgegenstand .......................................................................................................................... 11

Leiterplatten Herstellung ............................................................................................................................. 14 Bestücken / Löten ........................................................................................................................................ 14

2.3 Systemgrenzen: Geographie, Technologie und Zeit................................................................................... 16 2.4 Vorgehen .................................................................................................................................................... 18

Recherche .................................................................................................................................................... 18 Datenerhebung............................................................................................................................................. 18

2.5 Modellierung der bestückten Leiterplatte................................................................................................... 20 Elektronische Bauteile................................................................................................................................. 20 Unbestückte Leiterplatte.............................................................................................................................. 21 Bestückung / Löten der Leiterplatte ............................................................................................................ 21 Gesamtmodell: Bestückte Leiterplatte......................................................................................................... 21

2.6 Ökobilanz (Methode) ................................................................................................................................. 22 Ziel und Untersuchungsrahmen................................................................................................................... 22 Sachbilanz ................................................................................................................................................... 24 Wirkungsabschätzung.................................................................................................................................. 24 Auswertung ................................................................................................................................................. 24

2.8 SimaPro (Bilanzierungssoftware).............................................................................................................. 27 2.9 POAdesigner (Software) ............................................................................................................................ 28

3. Resultate ........................................................................................................................................... 29 3.1 Resultate - Bauteile .................................................................................................................................... 30

Alu-Elektrolyt-Kondensator ........................................................................................................................ 30 Keramik Vielschicht Kondensator............................................................................................................... 31 Bedrahteter Widerstand ............................................................................................................................... 32 MiniMELF Widerstand ............................................................................................................................... 33 Vergleich Komponentengrösse.................................................................................................................... 34 Siebensegmentanzeige................................................................................................................................. 35 Quarz ........................................................................................................................................................... 36 Taster ........................................................................................................................................................... 38 IC (Integrated Circuit) ................................................................................................................................. 39 Vergleich Bauteile ....................................................................................................................................... 41

3.2 Resultate - Leiterplatte ............................................................................................................................... 43 Herstellung der Leiterplatten ....................................................................................................................... 43 Durchkontaktieren (Kupferanreicherung).................................................................................................... 49 FR4 Basismaterial ....................................................................................................................................... 50 Hartmetall-Werkzeug (Bohrer).................................................................................................................... 51

3.3 Resultate - Löten / Bestücken..................................................................................................................... 52 Testen und Reparieren................................................................................................................................. 56

3.4 Resultate - Bestückte Leiterplatte............................................................................................................... 57 4. Diskussion ......................................................................................................................................... 60

Zum Vergleich der drei Leiterplatten .......................................................................................................... 60 Methode und Vorgehen ............................................................................................................................... 65 Datenqualität ............................................................................................................................................... 67 Sensitivitätsanalyse...................................................................................................................................... 67 Ausblick....................................................................................................................................................... 70

Literaturverzeichnis ............................................................................................................................... 72 Anhang .................................................................................................................................................. 75



1. Einleitung Mit Küchengeräten, Waagen und Stromzähler sind wir alle vertraut. Sie haben gemeinsam, dass sie in moderner Version alle elektronisch gesteuert werden. In unserer Gesellschaft bestimmen elektronische Geräte den Alltag. Dasselbe gilt für die Industrie: ein Grossteil des Fortschritts ist der Elektronik zu verdanken. Und dieser Trend der „Elektronisierung“ scheint sich weiter fortzusetzen. Die Kernstücke all dieser Geräte und Maschinen sind bestückte Leiterplatten. Allein durch ihr häufiges Vorkommen wird deutlich, dass ein Blick auf die Umwelt- und Gesundheits-einwirkungen von Leiterplatten von grosser Wichtigkeit ist, wollen wir uns für eine nachhaltige Gesellschaft einsetzen. Die Bedeutsamkeit der Überprüfung der Umwelteinwirkungen wird noch deutlicher, wenn ein Blick auf die in den Elektronik- Produkten relevanten Stoffe geworfen wird. Eine Übersicht zu den Elementen, welche in elektronischen Produkten verarbeitet werden und zu ihrer Toxizität gibt Abb. 1.

Abb. 1 Verwendete Stoffe in der Elektronik, J. Baumann, Siemens

Dass dieses Problemfeld immer stärker, auch auf politischer Ebene, ins Blickfeld ge-langt, zeigt beispielsweise die Inkraftsetzung der RoHS- Richtlinie in Europa, welche sechs toxische Stoffe verbietet (siehe Abschnitt Gesetzliche Grundlagen), und dadurch eine Reduzierung der Umweltbelastung der elektronischen Geräte anstrebt. Diese Richtlinie erfordert auch eine Anpassung der Löttechnologie und hat zur Folge, dass viele elektronische Bauteile „re-designed“ werden. Neben den neuen gesetzlichen Regelungen fördert auch die zu beobachtende Entwicklung, immer kleinere elektronische Elemente anzufertigen, die Verminderung der Umweltauswirkungen. Dass aber zum Beispiel bei Siliziumchips immer noch ein großer Aufwand hinter dem kleinen elektronischen Bauteil steht, zeigt u.a. eine Studie (Williams et al 2002), welche den Materialaufwand zur Herstellung eines Chips bilanzierte. Wozu wird diese Menge benötigt? Einen wesentlichen Beitrag leisten die aufwendigen Herstellungsprozesse und die Anforderungen an die Reinheit der verwendeten Materialien, Chemikalien und die Raumumgebung. Durch die



Miniaturisierung kann sich oftmals der Materialaufwand verringern, eine Untersuchung der Elektronik in Bezug auf ihre Umweltbeeinflussung bleibt dadurch aber nicht erspart. Wie eine solche Untersuchung am besten durchgeführt wird, ist Gegenstand vieler aktueller Diskussionen (Schischke, K. & Griese, H.2004). In dieser Arbeit wird der Ansatz einer Ökobilanzierung gewählt, welche ein anerkanntes Instrument zur Beurteilung der ökologischen Eigenschaften von Produkten bzw. Dienstleitungen darstellt. Betrachtet werden hier die Lebensläufe der Leiterplatten und der elektronischen Komponenten von der Gewinnung der Rohstoffe bis zum fertig bestückten Produkt. Die Rahmenbedingungen und Einflussgrößen der untersuchten Systeme werden diskutiert. In erster Linie sollen Daten zu den Prozessen der Herstellung der Leiterplatten und der Komponenten sowie zum Bestücken, Löten und Testen der Leiterplatten in Zusammenarbeit mit Herstellern erhoben und zusammengetragen werden. Ebenfalls wird die Chemische Zusammensetzung der Bauteile recherchiert. Besonderen Wert wird auf eine transparente Darstellung der Sachbilanzen gelegt. Die Herkunft der Daten wird angegeben (anonym) und ihre Qualität dokumentiert. Die Resultate der Recherche bilden die Basis für die Ökobilanzierung von Elektronikbauteilen sowie definierten Applikationen. Der Vergleich der drei Leiterplatten soll keinesfalls eine Rangierung ergeben. Die drei bestückten Leiterplatten sind in ihrer Funktion zu unterschiedlich um eine geeignete Basis für einen wertenden Vergleich zur Verfügung zu haben. Die Unterschiede werden aber betrachtet um zu erkennen, wie stark die Umweltbelastung von Leiterplatten variiert. Die Resultate dienen in erster Linie Unternehmen, welche Produkte mit Leiterplatten herstellen und verkaufen. Die Ergebnisse können in eine Ökobilanzierung der Gesamtprodukte einfließen oder für eine ökologische Produktdeklaration benutzt werden. Auch für die Betriebe, welche an der Herstellung von Bauteilen oder Leiterplatten beteiligt sind, liefert diese Arbeit Informationen zur ökologischen Auswirkung ihrer Produkte sowie der Produktionsprozessen. Studien über Leiterplatten und Bauteile wurden schon vereinzelt durchgeführt. Es wurden verschiedene elektronische Komponenten bewertet durch Stutz (Stutz, M. 2000). Bei Philips (Philips 1998), wurden Kondensatoren und Widerstände mittels Ecoindicator95 bewertet, mit dem Ziel die Umweltbelastungen der Elemente pro Stück einerseits, und pro Gewichtseinheit anderseits zu beschreiben. Ökobilanzierungen, welche ein Augenmerk auf die elektronischen Komponenten warfen, wurden zu einem Nokia Handset (McLaren J & Piukkula, N. 2004) und zu einem Personal Computer (Byung-Chul Choi, B, 2005) durchgeführt. Im Unterschied zu diesen Studien wird hier nur die bestückte Leiterplatte untersucht. Eine genauere Betrachtung von bestückten Leiterplatten wurde von Hr. Hermann (Hermann, C. et al. 2001) publiziert, worin Leiterplatten auf Keramikbasis mit solchen auf Epoxydharzbasis verglichen wurden.



Gesetzliche Rahmenbedingungen Seit einigen Jahren wird dem Umweltgefährdungspotential der Elektro- und Elektronikgeräten grosse Beachtung geschenkt. Die schlägt sich auch in einigen der jüngsten Gesetzen der Europäischen Union und der Schweiz nieder. Von grosser Bedeutung ist die Basel Konvention („Basel Convention on the Control of. Transboundary Movements of Hazardous Wastes. and their Disposal“: http://www.basel.int), welche den Handel mit gefährlichen Abfällen regelt und die sichere Entsorgung sowie die Minimierung von solchen Abfällen anstrebt. Dadurch soll gerade auch die undurchsichtige Verschiebung von toxischen Abfällen in Entwicklungsländer verhindert werden. In Kraft getreten ist die Vereinbarung am 5. Mai 1992. Die USA sind das bislang einzige industrialisierte Land, das eine Ratifizierung bislang verweigert hat, und somit die weltweite Umsetzung bremst. In der EU traten die RoHS- und WEEE- Richtlinien, in der Schweiz die Verordnung VREG in kraft. In Tab. 1 werden diese Regelwerke erläutert. Die VREG regelt wie die WEEE die Rücknahme und die Entsorgung von Elektro- und Elektronikgeräten. Die Stoffverbote der RoHS- Richtlinie (siehe Tab. 1) gelten für die Schweiz ebenfalls, sie wurden in der Chemikalien-Risikoreduktions-Verordnung festgehalten. Es zeigt sich, dass diese Neuerungen weitreichende Folgen für die Produktion, den Handel und die Entsorgung von elektronischen Geräten haben. Die Richtlinien sind auf „Consumer Geräte“ ausgerichtet, vorläufig noch nicht auf industrielle Anlagen und Geräte. Für diese Arbeit wesentlich sind sicherlich die Stoffverbote der RoHS- Richtlinie. Die elektronischen Komponenten mussten dadurch vielmals neu „designed“ werden und auch die bleihaltigen Lote, die zuvor Standard waren, mussten für viele Produkte ersetzt werden, was sich auf die Lötprozesse auswirkt. (Siehe Löten/Bestücken). Eine Übersicht zur RoHS-Richtlinie und betroffenen Produkten befindet sich im Anhang (A11). Auch außerhalb Europas werden Massnahmen zur Verminderung der Umweltbelastung von Elektronikgeräten in Angriff genommen. In China steht beispielsweise in Kürze die „China-RoHS“ vor der Implementierung. Sie wird vorerst voraussichtlich die Verwendung derselben Stoffe wie die „EU-RoHS“ einschränken, aber auch Unterschiede zur europäischen Gesetzgebung vorweisen. In China wird der Vollzug in zwei Phasen vonstatten gehen. Ab dem 1. März 2007 müssen diese Stoffe deklariert werden. Zu einem späteren Zeitpunkt tritt dann das Verbot dieser Substanzen in Kraft. Dieser Zeitpunkt war bei der Fertigstellung dieser Arbeit noch nicht bekannt, genauso wenig wie der Katalog der betroffenen Produkte. Die Europäische Union veröffentlichte 2005 die EuP– Rahmenrichtlinie (Tab. 1) welche nun von den einzelnen EU Mitgliedstaaten ins jeweilige nationale Recht umzusetzen ist. Sie setzt schwerpunktmäßig bei Entwurfs- und Herstellungs-Prozessen an. Nach der Betrachtung des ganzen Lebensweges werden produkt- oder produktgruppenspezifische Regelungen festgelegt, welche die Energieeffizienz der Produkte erhöhen sollen. Dadurch verspricht man sich, den Klimaschutz vorantreiben zu können.


http://de.wikipedia.org/wiki/5._Mai

http://de.wikipedia.org/wiki/5._Mai

http://de.wikipedia.org/wiki/1992

http://de.wikipedia.org/wiki/USA

http://de.wikipedia.org/wiki/Ratifikation


Tab. 1 Übersicht: Gesetzliche Richtlinien

Richtlinie WEEE (2002/96/EG)

ROHS (2002/95/EG)

EuP (2005/32/EG)

VREG (SR 814.620)

Waste Electrical and Electronic Equipment

Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment.

Ecodesign for Energy-Using Products

Verordnung über die Rückgabe, die Rücknahme und die Entsorgung elektrischer und elektronischer Geräte

Kurz-definition

Richtlinie über Elektro- und Elektronik-Altgeräte.

Richtlinie zur Beschränkung Der Verwendung bestimmter Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten

Rahmenrichtlinie für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von energiebetriebenen Produkten

Verordnung über die Rückgabe, die Rücknahme und die Entsorgung elektrischer und elektronischer Geräte

Gleiche Kategorien wie WEEE mit Ausnahme der Gerätekategorie 8 (medizinische Geräte) und 9 (Überwachungs- und Kontroll-Instrumente)

Betroffene Geräte-kategorien

1. Haushaltsgrossgeräte 2. Haushaltskleingeräte 3. IT- und Telekommunikationsgeräte 4. Geräte der Unterhaltungselektronik 5. Beleuchtungskörper 6. Elektrische und elektronische Werkzeuge ortsfester industrieller Grosswerkzeuge 7. Spielzeug sowie Sport- und Freizeitgeräte 8. Medizinische Geräte (mit Ausnahme infizierter Produkte) 9. Überwachungs- und Kontrollinstrumente 10.Automatische Ausgabegeräte

Betroffenen Substanzen: Blei, Cadmium, Quecksilber, Chrom IV, PBDE (Polybromierter Byphenilether), PBB (Polybromiertes Biphenyl)

Gilt im Prinzip für jedes Produkt, das Energie benötigt um bestimmungsgemäss zu funktionieren.

1. Geräte der Unterhaltungselektronik; 2. Geräte der Büro-, Informations- und Kommunikationstechnik; 3. Haushaltgeräte; 4. Leuchten; 5. Leuchtmittel (ohne Glühlampen); 6. Werkzeuge (ohne ortsfeste industrielle Grosswerkzeuge); 7. Sport- und Freizeitgeräte sowie Spielzeug.

Ziele - Vermeidung und - Reduktion von Abfällen, - Wiederverwertung, Recycling

- Schutz der Gesundheit - Umweltgerechte - Verwertung und Beseitigung von Elektro(nik)-Schrott

- Festlegung von Ökodesign-Anforderungen - Verwirklichung einer Integrierten Produktpolitik: - Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit der Produkte verbessern.

- Umweltgerechtere Abfallbewirtschaftung - Rückgewinnung von Rohstoffen - E-Schrott nicht in Siedlungsabfall - Problemstoffe separat entsorgen

In Kraft treten

13. August 2005 ab 24.03.2006

01.Juli.2006 Die Umsetzung in den Mitgliedstaaten (der EG) ist im Gang

1. Juli 1998 (Anpassung 1.8.2005)

Umsetzung in der Schweiz

Siehe VREG Die RoHS wird 1:1 in Schweizer Recht übernommen --> Che-mikalienRisiko-reduktions-Verordnung als Nachfolger der Stoffverordnung. Sie tritt am 01.08.2005 in Kraft.

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Arbeits-Umfeld Diese Arbeit ist ein gemeinschaftliches Projekt der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) und der IG exact. Der Wirtschaftsverband IG exact bezweckt den verbandsinternen Austausch von Informationen über Components-Engineering, Produktions- und Test-Engineering, Umwelt-Aspekte und Beschaffung in der Elektronik. Diese Arbeit steht in enger Verbindung mit zwei bereits in der Arbeitsgruppe Umwelt der IG exact durchgeführten Arbeiten. Dies sind: „Geeignete ökologische Bewertung für Elektronikbauteile“ (Markus Stutz, 2000) und „Abfall-Management von Elektronik-Produkten“ (Dominik Oetiker, 2002). Die in dieser Arbeit untersuchten Leiterplatten wurden von den IG exact Mitgliedsfirmen Landis + Gyr, Mettler Toledo und V-Zug angeboten. Weiterführende Informationen zu den Industriepartner befinden sich im Anhang (A7).

Fragestellung Diese ökologische Bewertung wird durchgeführt, um der Frage nachzugehen, wie gross die Umweltauswirkungen der Produktion einer bestückten Leiterplatte sind. Es werden dafür drei verschiedene Leiterplatten parallel zueinander untersucht. Daraus geht die Frage hervor, wie gross die Unterschiede der Umweltauswirkungen ausfallen. Aus den Resultaten soll hervorgehen, ob es bestimmte Parameter gibt, welche das Resultat stark beeinflussen. Eine interessanter Aspekt ist es auch zu betrachten, wie sich die eingesetzten Materialien und die bei den Herstellungsprozessen aufgewendete Energie betreffend ihrer Umwelteinwirkungen gegenüberstehen. Es soll auch erkannt werden, welche Prozesse die Umweltauswirkungen wesentlich bestimmen. In elektronischen Schaltungen werden viele verschiedene elektronische Bauteile in unterschiedlichen Versionen eingesetzt (Plepys, A. 2004). Es ist darum kaum möglich, für jedes einzelne Bauteil eine eigene Bewertung vorzunehmen, da dies einen enormen Aufwand bedeutete. In dieser Arbeit, werden die Bauteile in Gruppen zusammengefasst. Für diese Gruppe werden dann jeweils ökologische Bewertungen durchgeführt. Daraus soll abgeleitet werden können, welches die relevanten Baugruppen bei einer ökologischen Betrachtung sind. Nachdem viele Bauteile in immer kleineren Ausführung hergestellt werden konnten, lässt sich heutzutage oft feststellen, dass sehr viele kleine elektronische Bauteile und einzelne Grosse auf einer Leiterplatte vorkommen. Welche dieser Komponenten sind aus ökologischer Sicht von größerer Bedeutung? Da die drei untersuchten Leiterplatten für verschiedene Geräte gefertigt werden, kann auch gefragt werden - wenn man das Blickfeld etwas erweitert - ob es möglich ist, die Umweltbelastung mit dem Anwendungsbereich in Zusammenhang zu bringen, oder ob der prozentuale Gewichtsanteil der bestückten Leiterplatte am Gesamtprodukt eine Aussage darüber zulässt.



Aufbau der Arbeit Zu Beginn werden der Untersuchungsgegenstand, die Rahmenbedingungen besprochen (Kapitel 1, S.5). Danach wird das Vorgehen und die Methode vorgestellt (Kapitel 2, S.11). Im Resultate- Teil (Kapitel 3, S.29) sind die Ergebnisse dieser Untersuchung gegliedert in Abschnitte zu den elektronischen Bauteilen (Abschnitt 3.1, S.30), zur Herstellung von Leiterplatten (Abschnitt 3.2, S.43) sowie zum „Bestücken und Löten“(Abschnitt 3.3, S.52). Der Abschnitt 3.1 enthält neben der Bewertung einzelner Bauteile auch Vergleiche der elektronischen Bauteile. Zum Abschluss des 3. Kapitels werden die modellierten bestückten Leiterplatten betrachtet (Abschnitt 3.4, S. 57). Dazu werden die vorher untersuchten Bauteile und Prozesse zusammengeführt. Die Resultate umfassen jeweils Sachbilanzdaten, sowie die Bewertungsergebnisse. Es wird dabei bereits auf wichtige Erkenntnisse hingewiesen. Bei der Diskussion und Synthese (Kapitel 4, S.60) werden die Ergebnisse aus einer allgemeineren Sicht beurteilt. Es wird weiter eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, und auch die Einschränkungen dieser Arbeit diskutiert.



2. Material und Methoden

2.1 Untersuchungsgegenstand In dieser Arbeit werden drei bestückte Leiterplatten untersucht, dazu gehört die Betrachtung der Leiterplatten und der elektronischen Bauteile sowie die Untersuchung der Prozesse der Herstellung und Bestückung der Leiterplatte. Eine Leiterplatte ist Träger der Elektronik- Bauteile und stellt auf einer oder mehreren Lagen leitende Verbindungen zwischen diesen Bauteilen her. Dafür wird Kupfer verwendet, das nichtleitende Material der hier betrachteten Leiterplatten ist FR4, ein glasfaserverstärktes Epoxydharz mit Flammhemmern (Brom). Bei mehrlagigen Leiterplatten werden sogenannte Prepregfolien zwischen die Lagen gelegt. Die chemische Zusammensetzung des Prepregs entspricht dem FR4, mit dem Unterschied, dass sie ohne Kupferkaschierung geliefert werden.

Abb. 2 Ausschnitt einer untersuchten Leiterplatte (links) und Schematischer Aufbau einer 4-lagigen Leiterplatte (rechts)

Die genaue stoffliche Zusammensetzung sowie Grösse, Lagenanzahl, und Plattendicke können bei Leiterplatten variieren. Tab. 2 gibt jene Parameter der drei untersuchten Leiterplatten an, welche später auch in der Untersuchung von Bedeutung sind. Tab. 2 Wichtige Parameter der untersuchten Leiterplatten

Leiterplatte LP 1 LP 3 LP 2 Fläche (cm3) 297 112 33 Lagenanzahl 4 2 6 Cu-Lagendicken (μm) 35 - 35 Cu-Kaschierung (μm) 35 35 17.5 Gesamtdicke (mm) 0.8 1.6 1.6 Gewicht (g) 60 ca. 15g (Oberflächenvergoldung) Ja Ja Nein



Nachdem die untersuchten Elemente beschrieben wurden, fehlt noch eine kurze Betrachtung der Elektrogeräte in welchen die Leiterplatten eingesetzt werden. Es sind dies ein Stromzähler, ein Kombinations-Ofen (für die Küche) und eine Präzisions-Waage. Aufschlussreiche Aspekte sind in Tabelle 3 in einer Übersicht präsentiert. Es wird ersichtlich, dass sich die Geräte bezüglich Anwendungsbereich, Produktionsmenge unterscheiden. Tab. 3 Daten zu den Geräten für welche die Leiterplatten gefertigt werden

Gerätehersteller Landis + Gyr V-Zug Mettler Toledo

Anwendungsbereich

Stromzähler (Industrielle Elektroinstallationen / Investitionsgütermarkt)

Bedienteil für Combi-Steam SL (Kombinations-Ofen Heissluft / Steamer)

Waagen für Laboranwendungen

RoHS-Kategorie 9 1 8 Datum der Markteinführung 2006 ab Januar 2005 Ab 2004 gestaffelt

Jährliche Produktionsmenge (Total)

200'000 ca. 10'000 500 (steigend)

Lebensdauer des Produktes (ohne RoHS)

Im Feld erwartete Produktlebensdauer: 15-20 Jahre

17 Jahre > 5 Jahre

Innovationszyklus (des Elektronikteils) des Produktes

Keine Änderungen geplant, Lebensdauer am Markt geschätzt 4-6 Jahre

2 Jahre >= 5 Jahre

Gewicht des Geräts Je nach Version: 1.195 - 1.425kg 32kg Je nach Version: 6.6-10

kg Gewicht der Leiterplatte

Bestückt: 166 g Unbestückt: 60 g Bestückt 72g Bestückt 26g

Gewichtsanteil der Leiterplatte Gerät

11.6 - 13.9%

0.225%

0.26 - 0.39%

Speziell wird auf die unterste Zeile der Tab. 4 hingewiesen, wo der prozentuale Gewichtsanteil der Leiterplatte am Gesamtgerät aufgeführt ist. Als Vergleichswerte sind in Tab. 4 einige Daten dazu aus Deutschland aufgeführt, wobei zu betrachten ist, dass neben der Leiterplatte noch weitere Komponenten wie (Kabel etc..) zum Elektronikanteil zu zählen sind. Tab. 4 Elektronikanteil in Elektronikgeräten (Nissen, N. 2002)

Gerätegruppe Fernseher Telefon Sonstige Unterhaltungselektronik PC (inkl. Monitor) Elektronikanteil 3% 23% 10% 12% In elektronischen Schaltungen wird eine Vielzahl von unterschiedlichen Bauteilen verwendet, um die gewünschte Funktion zu erreichen. Für diese Arbeit wurden die vorhandenen Bauteile in die Gruppen und Untergruppen aufgeteilt, welche in Tab. 5 aufgelistet sind. Eine Kurzbeschreibung der Funktionen der einzelnen Gruppen befindet sich im Anhang (A1), ebenso wie die Stücklisten der betrachteten Leiterplatten worin alle Bauteile aufgelistet sind (A12).



Tab. 5 Gruppierung der elektronischen Bauteile

Gruppe Untergruppe Widerstände MiniMELF: Chip (Flach-Chip) Bedrahteter Halbleiter Kleine Halbeiter(Dioden Transistoren, Dioden, ICs) (IC=integrierter Schaltkreis) „Grosse“ ICs (Chipgewicht 2.88-42.8 mg) Kondensatoren Keramik Vielschicht Kondensator (MLLC) Tantalum Elektrolyt Kondensator Aluminium Elektrolyt Kondensator Störschutz-Kondensatoren Stecker Stecker Kunststoff Stecker Metall Quarz Quarz-Kristall Taster Taster (Schalter) Drehgeber Taster LED (Light emitting diode) LED Siebensegmentanzeige Weitere Bauteile Kabel Reflektoren Magnet LCD (Liquid Crystal Dysplay) Transformator Batteriehalter Pressmutter Nicht aufgenommen Summer (Buzzer) PIN Fotodiode



Leiterplatten Herstellung Das Basismaterial wird folgendermaßen hergestellt: In der Imprägnieranlage wird der Trägerstoff (Glasfaser) zunächst durch ein Bad aus Grundharz, Lösungsmittel, Härter, Beschleuniger und Flammschutzmittel gezogen. Der Trägerstoff wird in Rollen angeliefert, so dass der Prozess fortlaufend durchgeführt werden kann. Nachdem der Träger über Umlenkrollen durch das Bad gezogen wurde (Tränkung), wird das Material im Ofen getrocknet (Jellinek, T.W., 2005; Unruh, J., 2004). Dabei verdunstet nicht nur das Lösungsmittel, sondern auch das Harz erreicht durch die Wärmezufuhr einen Zwischenzustand. Bei erneuter Wärmezufuhr wird es zunächst wieder klebrig und härtet erst dann aus. Dieses Produkt aus Harz und Träger nennt man Prepreg. Es wird zur Herstellung der Leiterplatten verwendet, indem sie unter Wärmeeinfluss mit den Kupferlagen verpresst werden (Abb.2). Die Leiterplattenherstellung ist aufwändig, sie umfasst in etwa 50 Prozesse. Detailliert ist die Herstellung in den Abb. 20ff (Abschnitt 3.2) nachzusehen. Ziel dieser Prozesse ist es, die Leiterbahnen zu konstruieren, über welche später die Bauteile verbunden werden. Vereinfacht dargestellt kann dies folgendermaßen erreicht werden: Gestartet wird mit dem oben beschriebenen Basismaterial. Zur Herstellung der Leiterbahnen wird das dazwischenliegende Kupfer weggeätzt. Dazu ist es nötig zuerst einen Ätzresist (= Ätzschutz) auf die Leiterplatte aufzubringen, und diesen so zu bearbeiten, dass er an den Stellen, wo keine Leiterbahnen stehen sollen, vor dem Ätzen wieder entfernt ist. Ein weitverbreitetes Material dazu ist ein fotosensitiver Resist, welcher durch selektives Belichten ausgehärtet (= resistent gemacht) werden kann. Bei mehrlagigen Leiterplatten müssen die einzelnen Kupferlagen mit einander verbunden werden. Dazu werden an den gewünschten Stellen Löcher gebohrt die in einem weiteren Schritt durchmetallisiert werden, so dass sich eine leitende Verbindung ergibt. Das meistverwendete Metall ist dabei das Kupfer. Die Leiterplattenoberflächen müssen für das Löten vorbereitet werden. Eine Möglichkeit ist das Aufbringen einer Lötstoppmaske. Die Lötstoppmaske vermeidet durch Einbettung der Leiterzüge mit einem speziellen Lack die Bildung von Lötbrücken beim Aufbringen des Lötzinns. Die Bilanzierung dieser Prozesse erfolgt für 2-lagige Leiterplattenzuschnitte, wobei angenommen wird, dass obere und untere Kupferlage stets gleichzeitig bearbeitet werden.

Bestücken / Löten Zur Fertigstellung der Baugruppe werden die Bauteile auf der Leiterplatte aufgebracht und angelötet. Eine Übersicht über den Prozessablauf wird in Abb. 33 (Abschnitt 3.3) gezeigt. Die wichtigsten Prozesse sind SMD- (Surface Mounted Device) Bestückung, Handbestückung, Reflow-Löten, Wellenlöten und Funktionstest, wobei diese hier kurz beschrieben werden.



Nachdem in einem ersten Prozess die Lötpaste auf die Leiterplatte aufgetragen wurde –z.B. mittels Siebdruck- oder Schablonenverfahren– werden die SMD-Bauteile durch Automaten auf das Lötzinn gelegt. Dabei wird ausgenutzt, dass die Lötzinnpaste klebrig ist, und die Bauteile darauf haften bleiben. SMD Bauteile müssen im Gegensatz zu THT (Through Hole Technology) Komponenten nicht durch Bestückungslöcher geführt werden. Danach gelangt die Leiterplatte in den Reflow-Lötprozess (= Wiederaufschmelzlöten). Dabei wird nun die Paste und damit die Zinnkügelchen soweit erwärmt, dass eine stabile el. Verbindung zwischen Leiterplatte und den Bauteilen entsteht. Grosse elektronischen Bauteile, im allgemeinen THT Bauteile, müssen oftmals von Hand bestückt werden. Handelt es sich um wenige, können sie von Hand gelötet werden. Sonst werden sie üblicherweise in Wellenlötmaschinen gelötet. Dabei werden die Baugruppen über eine Lotwelle gefahren, welche durch Pumpen von flüssigem Lot durch einen Spalt erzeugt wird. Davor wird die Leiterplatte mit einem Flussmittel benetzt und vorgeheizt, erstens, um den Lösungsmittelanteil des Flussmittels zu verdampfen, was spätere Blasenbildung verhindert, und zweitens, um einen Temperaturverzug der Baugruppe durch einen zu raschen Temperaturanstieg beim nachfolgenden Löten zu vermeiden. Die THT und SMD Technologien sind in Abb. 3 dargestellt. Beim In-Circuit-Test (Funktionstest) wird nach Lötfehlern, defekten oder nicht vorhandenen Bauteilen beziehungsweise nach solchen, die mangelhaft positioniert sind gesucht. Die Fehler werden durch automatische, elektrische Messungen ermittelt. Bei grösseren Serien werden die Testgeräte eigens für eine Leiterplatte gefertigt, um den Testablauf zu beschleunigen. Nachdem die bestückte Leiterplatte auf ihre Parameter und Funktionen geprüft wurde, kann sie in das Gerät eingebaut werden.



Abb. 3 Übersicht SMD und THD, Nissen, N., 2002

2.3 Systemgrenzen: Geographie, Technologie und Zeit Die Systemgrenzen bestimmen, welche Prozesse in die Untersuchung miteinbezogen werden. Im Idealfall würden alle Elementarflüsse in das System einbezogen. Bei komplexen Produkten ist dies leider oft nicht realisierbar. Auch bei dieser Arbeit wurde eine engere Systemgrenze gezogen. Die menschliche Arbeitskraft, der Transport und die Lagerung der Elemente, die Produktion der eingesetzten Maschinen und die Bereitstellung der Infrastruktur werden bei den untersuchten Prozessen durch die Systemgrenzen ausgeschlossen. Auch die



Nutzung und die Entsorgung (oder Recycling) der bestückten Leiterplatten wird nicht untersucht (siehe Abb. 4). Betrachtet werden die Lebensläufe der Leiterplatten und der Bauteilen bis zum fertig bestückten Produkt. Dies schließt die Gewinnung der Rohstoffe und Basismaterialen, die Bereitstellung von Energie, sowie die Prozesse der Herstellung und Bestückung der Leiterplatten ein. Wo Daten zu Verbrauch und Bereitstellung von Hilfsstoffen vorhanden sind, werden diese in die Betrachtung miteinbezogen. Die Produktionsorte der elektronischen Komponenten liegen außerhalb der Systemgrenzen. Die Daten zur Gewinnung der Rohstoffe und deren Verarbeitung zu Basismaterialien werden aus in Datenbanken verfügbaren Datensätzen entnommen. Es wird vereinfachend angenommen, dass die in Wirklichkeit verwendeten Rohstoffe mit den Datenbanken gut modelliert werden.

Abb. 4 Darstellung des Systems und der Systemgrenzen. Zu den Gelb hinterlegten Felder wurden Prozessdaten erhoben.

Die Untersuchung der Herstellung und Bestückung der Leiterplatten umschließt nur Fabrikationsorte in der Schweiz und in Deutschland. Die bei der Herstellung benutzen Technologien entsprechen dem durchschnittlichen Stand der Technik. Die Daten dazu stammen aus den Jahren 2005 und 2006. Das Ergebnis dieser Arbeit gibt die Umwelteinwirkungen von 1 kg bestückter Leiterplatte an, wobei die Leiterplatte in Zentraleuropa hergestellt und bestückt wird, die Herkunft der Bauteile aber nicht berücksichtigt ist. Die Rohstoff- und Energiebereitstellung wird mittels Daten aus Datenbanken simuliert.



2.4 Vorgehen In diesem Kapitel wird das Vorgehen bei dieser Arbeit dargestellt. Dies umfasst die durchgeführten Schritte bei der Recherche, Datenerhebung und die Erarbeitung der Modellierung des Systems (bestückte Leiterplatte). Die verwendete Methode zur Abschätzung der Umweltauswirkungen wird im Kapitel Methode separat besprochen. Die bestückten Leiterplatten, welche die Untersuchungsgrundlage für diese Arbeit bilden, wurden jeweils in Zusammenarbeit mit dem Industriebetrieb ausgewählt, welcher die Leiterplatte in seinen Produkten verwendet. Bei der Wahl der drei Leiterplatten wurde darauf geachtet, dass sie sich in Zusammensetzung und Grösse unterscheiden Für die Modellierung der bestückten Leiterplatten wurden Daten zu Prozessen der Herstellung sowie Daten zur chemischen Zusammensetzung der Elemente erhoben und recherchiert. Im Folgenden soll die Vorgehensweise dabei kurz erläutert werden.

Recherche Den Ausgangspunkt der Recherchen bildeten die Bestückungslisten der Leiterplatten. Die mitarbeitenden Industriebetriebe lieferten dazugehörige Kontakte zu Lieferanten und Herstellern von Bauteilen und Platinen. Die Lieferanten und Hersteller wurden dann kontaktiert, und angefragt die chemische Zusammensetzung der betreffenden Produkte sowie den Prozessenergieverbrauch bei der Herstellung dieser Produkte bekannt zu geben. Es wurde versucht, innerhalb aller Gruppen von Bauteilen mindestens Angaben zu einem Bauteil zu erhalten (Siehe Abschnitt Untersuchungsgegenstand). Dazu wurde auch auf den Internetseiten der Hersteller recherchiert.

Datenerhebung Für die wesentlichen Prozesse bei der Herstellung und Bestückung der Leiterplatten, wurden Daten direkt erhoben und in die ökologische Bewertung aufgenommen. Es wurden Industrieunternehmen angefragt, welche die entsprechenden Prozesse durchführen. Die betrachteten Prozessmodule werden in Abb. 5 aufgeführt.

Herstellung Basismaterial

Herstellung Leiterplatten

Bestücken / Löten der Leiterplatten

Herstellung Hartmetallwerkzeuge

Abb. 5 Betrachtete Prozessmodule

Die Daten zu den unterschiedlichen Phasen wurden nicht immer auf die gleiche Weise erhoben. Es werden nun zunächst die angewandten Techniken bei der Erhebung präsentiert. Die Tab. 6 zeigt anschliessend welche Techniken bei welchen Prozessmodulen angewandt wurden. Jahresbilanz: Zur Berechnung der Umwelteinwirkungen wurde der Verbrauch von Material und Energie innerhalb eines Jahres, der während dieses Jahres



produzierten Menge des Produktes gegenübergestellt. Es wurde jeweils pro Betrieb ein Durchschnittsprodukt definiert für das der Verbrauch gelten soll. Es wurde angenommen, dass Abweichungen von diesem Durchschnittsprodukt eine proportionale Änderung des Verbrauchs herbeiführen (siehe Abschnitt Sensitivitäts-analyse). Diese Annahmen sind nötig, weil während eines Jahres oftmals verschiedene Produkte hergestellt werden, aber der betriebliche Aufwand nicht einfach nach den einzelnen Produkten aufgeschlüsselt werden kann. Beispiel: Ein Betrieb hat einen Jahresaufwand von 100 MJ und stellt 100 m2 Leiterplatten her. Der Betrieb stellt 1-lagige bis 20-lagige Leiterplatten her. Im Durchschnitt werden aber Leiterplatten mit 4 Lagen hergestellt. In diesem Fall ergäbe die Untersuchung, dass für eine 4-lagige Leiterplatte pro m2 1 MJ Energie aufgewendet werden muss, für eine 2-lagige 0.5 MJ. Messung / Maschinendaten: Hier wird jeder einzelne Prozess direkt untersucht. Dafür werden die Messungen an den einzelnen Maschinen vorgenommen, während dem sie eine gewisse Anzahl des Produktes bearbeiten. Im Allgemeinen wurde der Energieaufwand und der Materialverbrauch betrachtet. Falls der Stromverbrauch nicht gemessen werden konnte, wurde die Nennleistung der Maschinen aus den Maschinendatenblättern entnommen. Schätzung: Schätzungen die verwendet werden, sind klar deklariert. Sie wurden von Fachexperten vorgenommen. Erhebung durch Autor: Der Autor dieser Arbeit hat die Messungen selbst vorgenommen oder in Zusammenarbeit mit einem Mitarbeiter des Betriebs. Dies geschah nachdem er durch einen Experten in den Prozess eingeführt worden war. Besuch: Bei einem Besuch der Firma wurden das Vorgehen bei der Messung sowie der Zweck der Messung zwischen Autor und verantwortlichem Experten besprochen. Gleichzeitig wurden die Herstellungsprozesse gemeinsam betrachtet. Gewisse Daten wurden von der zuständigen Person im Betrieb bereitgestellt. Tab. 6 Übersicht zur Datenerhebung

Prozess Jahres- bilanz

Messung / Maschinen- Daten

Schätz- ung

Erhebung durch Autor

Besuch

Herstellung Basismaterial Ja Ja Herstellung Hartmetallwerkzeuge:

Ja

Herstellung Leiterplatten: Ja Ja Ja Herstellung Leiterplatten: Ja Ja Ja Ja Ja Herstellung Leiterplatten: Ja Bestücken / Löten: Ja Ja Bestücken / Wellenlöten: Ja Ja Ja Durchkontaktierung Ja Ja Ja



2.5 Modellierung der bestückten Leiterplatte Nachdem angegeben wurde wie bei der Datenbeschaffung vorgegangen wurde, wird in diesem Kapitel aufgezeigt wie diese Daten bei der Modellierung der Vergleichseinheit (1 kg bestückte Leiterplatte) verwendet wurden. Die Modellierung lässt sich in drei Bausteine unterteilen. Es sind dies:

• Elektronische Bauteile, • unbestückte Leiterplatte • Bestückung / Löten der Leiterplatte.

Auf diese Bausteine wird kurz im einzelnen eingegangen.

Elektronische Bauteile Die elektronischen Bauteile wurden zunächst in Gruppen zusammengefasst. Eine Übersicht zum Vorgehen befindet sich in Tab 7. Danach wurden pro Gruppe ein möglichst repräsentatives Bauteil ausgewählt. Die Gruppeneinteilung ist in Tab. 3 (Kapitel 1) aufgeführt. Tab. 7 Vorgehen bei Modellierung der Bauteile

1. Zusammenfassung in Gruppen / Untergruppen 2. Modell-Bauteil pro Gruppe / Untergruppe wählen 3. Modell-Bauteil analysieren 4. Modell-Bauteil für alle Elemente dieser Gruppen verwenden

Vor der Auswahl wurden alle verfügbaren Daten verglichen, und dasjenige Bauteil gewählt, das am ehesten dem Durchschnitt der Gruppe entsprach. Diese ausgewählten Bauteile, von hier an Modell-Bauteile genannt, wurden dann im Modell für alle Bauteile der gleichen Gruppe/Untergruppe verwendet. Es wurden auch Bauteile in das Modell aufgenommen, die nur einmal oder wenige Male enthalten sind. Grob lässt sich sagen, dass kleine Elementen häufiger durch ein Modell-Bauteil vertreten werden, und grössere Elemente seltener. Die Modell-Bauteile werden nach ihrer chemischen Zusammensetzung untersucht, und in die Bewertung aufgenommen. Ein Spezialfall bilden die „grossen“ ICs (integrierten Schaltkreise) dort wurde das Chipgewicht sowie das Gewicht des ganzen Bauteils für jeden IC Einzel betrachtet. Dabei wurde für jede Grösse und Bauform ein „Modell-Bauteil“ verwendet.



Unbestückte Leiterplatte Für die Modellierung wurden die drei Leiterplatten zunächst nach Parametern untersucht und definiert. Diese Parameter befinden sich in Tab. 2 (Abschnitt Untersuchungsgegenstand, Kap.1). Die Produktion der Leiterplatten besteht aus den Produktionsmodulen „Herstellung des Basismaterials“ und „Herstellung der Leiterplatte“. Die dazu erhobenen Daten wurden gemäss den erwähnten Parametern den einzelnen Leiterplatten zugeordnet. Es wurden dabei auch Verluste, Abfall und umsonst bearbeitetes Material, mit eingerechnet. Diese Verluste wurden geschätzt und für alle Leiterplatten als gleich angenommen.

Bestückung / Löten der Leiterplatte Hier wurde die Unterscheidung gemacht zwischen den zwei Löttechnologien Reflow-Löten und Wellenlöten sowie zwischen bleifreiem und bleihaltigem Lötzinn. Die Leiterplattengrösse und der Lötzinnverbrauch wurden ebenfalls in die Modellierung aufgenommen. Den drei Leiterplatten wurden nach diesen Kriterien die erhobenen Daten zugeordnet (Tab. 8). Tab. 8 Berücksichtigte Parameter der Leiterplatten bei der Bestückung

Löttechnologie Lötzinn Lötzinnverbrauch Leiterplattengrösse

Gesamtmodell: Bestückte Leiterplatte Mit Hilfe der beschriebenen Bauteile wurde schlussendlich die Bezugsgröße „1kg bestückte Leiterplatte“ modelliert. Für die Umrechnung der betrachteten Bausteine in diese Grösse wurden die Gewichtsanteile von unbestückter Leiterplatte, der Gesamtheit der elektronischen Bauteilen, und des Lötzinnes an 1 kg untersuchter Leiterplatte bestimmt. Dazu war es nötig, die pro Flächeneinheit erhobenen Daten in pro kg umzurechnen. Anschliessend wurden die Bausteine dann für diese prozentuale Mengen zusammengeführt und bewertet. Aus diesen Bewertungen wurde dann die Bewertung für eine „typische“ Leiterplatte erstellt. Diese entspricht dem Durchschnitt aus den drei zuvor betrachteten Einheiten. Daraus kann abgeleitet werden, dass 1 kg dieser „typische“ Leiterplatte aus je 1/3 kg der betrachteten drei Leiterplatten besteht. Diese wurde den Parametern, die in den Bausteinen benutzen wurden, nicht mehr einheitlich zugeordnet. Dieses Modell ermöglicht es, die Bausteine einzeln oder zusammen zu betrachten.



2.6 Ökobilanz (Methode) Bei dieser Arbeit wird eine „simplified“ Ökobilanzierung durchgeführt. Das Vorgehen richtet sich an der Durchführung einer Ökobilanz nach den Normen 14040. Allerdings werden nicht alle Lebensphasen betrachtet und es werden Vereinfachungen und Abschätzungen vorgenommen oder Datenlücken zugelassen, welche die Exaktheit der Ökobilanzierung verringern, aber die Aussagekraft nicht wesentlich beeinträchtigen sollten. In diesem Abschnitt wird gezeigt, wie eine Ökobilanz definiert ist und es wird die dabei genutzte Bewertungsmethode und Software vorgestellt. Ergänzend zur Ökobilanzsoftware wurde auch ein Programm zur prozessorientierten Analyse angewandt, welches ebenfalls kurz präsentiert wird. Das Vorgehen zur Ökobilanzierung wird durch die ISO – Norm 14040 (DIN EN ISO 14040-14043) angegeben. Ökobilanzen sind Instrumente zur Beurteilung der ökologischen Eigenschaften von Produkten bzw. Dienstleitungen. Bei einer Ökobilanz wird der gesamte Lebensweg „von der Wiege bis zur Bahre“ untersucht. Genauer gesagt werden die physikalischen Input- und Outputflüsse eines Systems für alle Lebensphasen betrachtet und die Ergebnisse in einer Sachbilanz festgehalten. Bei der Sachbilanz ist die Summe der Inputflüsse im Idealfall gleichgross wie die Summe der Outputflüsse. In der Praxis lassen sich jedoch oft nicht alle Flüsse messen, weshalb der Idealfall vielmals nicht exakt definiert werden kann. Die Input- und Outputflüsse werden in einer Ökobilanz nicht nur nach physikalischen Grössen aufgelistet sondern auch nach ihren Auswirkungen auf die Umwelt untersucht. Zu diesem letzten Schritt, den man Wirkungsabschätzung nennt, stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Die für diese Arbeit gewählte Methode (Ecoindicator99) wird weiter unten beschrieben. Die ISO Norm 14040 nennt vier Hauptbestandteile welche in einer Ökobilanz enthalten sein müssen:

1. Festlegung von Ziel und Untersuchungsrahmen 2. Sachbilanz 3. Wirkungsabschätzung 4. Bewertung

Für eine genaue Beschreibung der einzelnen Schritte wird an dieser Stelle auf die ISO Norm 14040ff selbst (DIN EN ISO 14040-14043) und auf Frischknecht (Frischknecht 2001) verwiesen. Hier werden die Bestandteile lediglich kurz umrissen (zur Einführung). Auf die Wirkungsabschätzung wird zusammen mit der Methode (Ecoindicator99) ebenfalls eingegangen.

Ziel und Untersuchungsrahmen Die Ziele sowie die Zielgruppe jeder Ökobilanz müssen schon vor der Durchführung festgelegt werden (siehe Einleitung). Als nächster Schritt wird der Untersuchungs-rahmen definiert (siehe Systemgrenzen). Dazu gehört die Beschreibung des betrachteten Produktsystems, sowie der Systemgrenze. Dadurch wird genau festgelegt welche Einheitsprozesse in der Untersuchung betrachtet werden. Zur Beschreibung des Systems ist es oftmals nötig die Stoffflüsse verschiedenen



Produkten zuzuordnen, man spricht dabei von Allokation. Die Funktionelle Einheit wird ebenfalls zu Beginn definiert. Sie gibt an, auf welche Grösse die Input- und Outputgrössen bezogen werden. In der Regel soll die funktionelle Grösse einen Gebrauchsnutzen darstellen. Die Funktionelle Einheit dieser Arbeit In dieser Arbeit werden bestückte Leiterplatten und elektronische Bauteile untersucht. Für die ökologische Bilanzierung der bestückten Leiterplatte wird die funktionelle Einheit als 1 kg einsetzbereite Applikation definiert. Sie beinhaltet die Leiterplatte sowie die dazugehörigen Bauteile. Die funktionelle Einheit selbst ist eine Komponente eines Produktes, welches in dieser Arbeit allerdings nicht als Ganzes untersucht wird. Die relevanten Bauteile werden ferner einzeln bewertet. Hier wird die Bilanzierung pro Stück vorgenommen. Für die Bewertung von 1 kg einsetzbereiter Applikation wird die Gesamtheit der Bauteile auf die Einheit kg umgerechnet. Der prozentuale Gewichtsanteil der verschiedenen Bauteile ergibt sich dann aus Gewicht und Anzahl der Bauteile pro Applikation im Verhältnis zum Gewicht der gesamten Applikation. Die Produktion des Basismaterials sowie die Herstellung der unbestückten Leiterplatten wird erst für die Einheit 1 m2 Lagenzuschnitt bilanziert. Ein Lagenzuschnitt wird als 1 m2 verarbeitete Leiterplatte, mit zwei Kupferlagen definiert. Außenlagen und Innenlagen werden dabei nicht unterschieden. Das Bestücken, Löten und Testen wird ebenfalls pro Flächeneinheit Leiterplatte festgehalten. Erst für die Gesamtbewertung der Applikationen werden diese Resultate in kg umgerechnet. Allokationen innerhalb des betrachteten Systems Unter Allokation wird die Zuordnung der Stoff- und Energieflüsse zu Produkten und Kuppelprodukten (Nebenprodukten) innerhalb des Produktsystems verstanden. Bei der Herstellung einer bestückten LP entstehen kupferhaltige Nebenprodukte, aus denen Kupfer zurückgewonnen werden kann. Bei der Herstellung von Harz, welches als Basismaterial für Leiterplatten dient, wird durch die Verbrennung restlicher Lacke nutzbare Energie frei. Bei der Herstellung von Epoxydharz kann zudem Salzsäure anfallen. Diese Nebenprodukte konnten nicht quantifiziert werden. Die bei der Herstellung des Harz gewonnene Energie fliesst in den nächsten Prozessschritt, der Herstellung des Basismaterials, ein und erspart dort einen Anteil zugekauften Stroms. Die Energie bleibt demnach im System. Die kupferhaltigen Kuppelprodukte werden vernachlässigt, das bedeutet, dass alles Kupfer, das in die Produktionsprozesse einfliesst, der funktionellen Einheit zugeordnet wird. Die Aufheizung des Lötzinns könnte für verschiedene Produktionsserien durchgeführt werden, aber in dieser Studie wird die Aufheizung einer einzelnen Serie zugeordnet. Bei der Rohstoffgewinnung ist zu beachten, dass bei der Gewinnung eines Metalls, wegen der Vergesellschaftung mit anderen Metallen, noch weitere Metalle gewonnen werden. Bei der Kupfergewinnung können beispielsweise zahlreiche solche Metalle gewonnen werden. Darunter fallen Blei, Zink, Gold und weitere. Auf der anderen



Seite gewinnt man Kupfer u.a. auch in Silberminen (Ayres R.U. et al., 2003). Bei einigen Metallen (wie Kupfer, Aluminium) kann eine beträchtliche Menge wiederverwertet werden (Oetiker, D., 2002). Auch bei der Chip-Herstellung fallen verschiedene Qualitäten von monokristallinem Silizium an, die dann für Chips oder Solarzellen verwendet werden, und deshalb den einzelnen Produkte zugeordnet werden sollte. Bei dieser Arbeit wurde auf eine Aufschlüsselung des Rohmaterials nach diesen Gesichtspunkten verzichtet. An dieser Stelle soll nochmals darauf hingewiesen werden, dass auch die Leiterplattenhersteller ganz verschiedene Leiterplatten herstellen (Unterschiede in Grösse, Dicke, Material, Anzahl Bohrungen, Oberflächenbehandlung etc.), der Aufwand an Energie und Material aber nicht exakt den einzelnen Produkten zugeordnet werden kann. Dies alles sollte bei der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigt werden.

Sachbilanz Die Erstellung der Sachbilanz erfasst im wesentlichen die quantitative Ermittlung der Input- und Outputflüssen des untersuchten Systems. Die Daten werden gesammelt und der Bezug zu den betrachteten Modulen und zur funktionellen Einheit hergestellt. Durch Erkenntnisse, die beim Zusammentragen der Daten entstehen, kann die Systemgrenze noch angepasst werden. Es kann auch notwendig werden, dass Ziel und Untersuchungsrahmen während der Bearbeitung aufgrund zusätzlich gewonnener Informationen ergänzt oder modifiziert werden muss. Bei der Inventarisierung wurden ebenfalls mit der Software POA Prozessdiagramme erstellt, und dadurch die Übersicht bei der Sachbilanz erhöht.

Wirkungsabschätzung Bei der Wirkungsabschätzung werden die Sachbilanzergebnisse mit Kenndaten zu potentiellen Umweltwirkungen verknüpft. Man spricht von Abschätzung weil die Umwelteinwirkungen und das komplexe Zusammenspiel zwischen verschiedenen Ursachen und Wirkungen bisher nicht abschliessend erforscht und verstanden werden konnte. Die Wirkungsabschätzung kann in verschiedene Schritte unterteilt werden:Zunächst wird Auswahl von Wirkungskategorien und Charakterisierungs-modellen vorgenommen. Dann werden die Sachbilanzergebnisse den Wirkungskategorien zugeordnet (Klassifizierung). Als Charakterisierung wird die Berechnung des Wirkungspotentials für die einzelnen Kategorien bezeichnet. Alle Wirkungspotentiale der Sachbilanzergebnisse werden dabei pro Wirkungskategorie zusammengezählt. Weitere (nach ISO 14040 fakultative) Schritte sind die Normierung, Ordnung und Gewichtung. Die Analyse der Datenqualität kann ebenfalls zur Wirkungsabschätzung gezählt werden, da sie das Verständnis der Sensitivität und der Ungenauigkeit der Ergebnisse verbessert.

Auswertung Zur Auswertung gehört die Analyse der Ergebnisse von Sachbilanz und Wirkungsabschätzung. Die Ergebnisse werden kommentiert und interpretiert. Es wird



versucht Empfehlungen abgegeben, die mit den Erkenntnissen der Studie begründet werden können (Dies könnten z.B. Vorschlag sein für ein Produkte ein bestimmtes Material zu benutzen) Zu einer seriösen Auswertung zählt auch die Diskussion der Einschränkungen und Grenzen der durchgeführten Studie. 2.7 Ecoindicator99 Ecoindikatoren sind Zahlen, welche den „ökologischen Fussabdruck“ von Produkten oder Prozessen wiedergeben. Damit lassen sich die Umwelteinwirkungen von Produkten über den gesamten Lebenszyklus darstellen. Die Ergebnisse werden in Ecopunkten angegeben. Sie können als dimensionslose Werte angesehen werden. Der absolute Wert der Ecopunkte ist nicht sehr relevant, da sie hauptsächlich dem Vergleich von verschiedenen Komponenten und Prozessen dienen sollen. Dennoch ist es interessant zu wissen, dass ein Referenzgrösse eines Ecopunkt der „ökologischen Fussabdruck“ von Tausend Durchschnittseinwohner Europas gilt (berechnet für 1992-1996). Die Berechnung des Ecoindikators für ein bestimmtes Produkt oder einen Prozess erfolgt aufgrund der in der Sachbilanzen erhobenen Daten, nach einer festgesetzten Methode. Diese Methode (Ecoindicator 99) ist aus der Methode Ecoindicator 95 (GOEDKOOP 1995) heraus weiterentwickelt worden. Sie ist eine Schadensorientierte Methode. Das heisst, dass zuerst Schutzgüter definiert wurden, deren Beeinträchtigungen durch das untersuchte Produkt (und die Prozesse) berechnet wird. Die Drei Schadenskategorien sind Menschliche Gesundheit, Ökosystem Qualität, und Ressourcenentwertung. Die Verknüpfung der Schadenskategorien mit den Ergebnissen aus der Sachbilanz erfolgt über Schadensmodelle. Die folgende Beschreibung der Schadenskategorien ist aus Goedkoop (Goedkoop et al., 2000) und Faist Emmenegger (Faist Emmenegger et al., 2003) entnommen. Es wurden gewisse Kürzungen vorgenommen. Schäden an der menschlichen Gesundheit werden in DALYs (disability adjusted life years) gemessen, ein Indikator welcher von der Weltgesundheitsorganisation und der Weltbank entwickelt wurde und sowohl vorzeitige Todesfälle als auch Krankheiten unterschiedlicher Schweregrade einschliesst. Schäden an der menschlichen Gesundheit werden für respiratorische und karzinogene Effekte, Effekte infolge der Klimaänderung, des Ozonschichtabbaus und radioaktiver Strahlung quantifiziert. Schäden an der Ökosystemqualität werden in Abhängigkeit des Prozentsatzes der durch die Umweltbelastung verschwundenen Arten ausgedrückt. • Ökotoxizität wird durch den Anteil Arten quantifiziert, der in der Umwelt unter toxischem Stress leben muss (Potentially Affected Fraction, PAF). Da dieser Schaden nicht real beobachtbar ist, muss ein grober Umrechnungsfaktor verwendet werden, um toxischen Stress in tatsächlich beobachtbare Schäden überzuführen. • Versäuerung und Überdüngung werden in einer gemeinsamen Umweltwirkungs-kategorie modelliert. Die Schadensmodellierung erfolgt über die Schäden an Gefässpflanzen. • Schäden durch Landbedarf und Landveränderungen werden basierend auf empirischen Daten über das Auftreten von Gefässpflanzen in Abhängigkeit des Landtyps und der Flächengrösse modelliert. Sowohl der lokale Schaden auf dem



besetzten oder veränderten Gebiet als auch der regionale Schaden am Ökosystem werden berücksichtigt. • Schäden an Ökosystemen infolge von Klimaänderungen, des Ozonschichtabbaus oder der Photooxidantenbildung werden in der Methode nicht berücksichtigt Der Ressourcenverbrauch wird durch einen Indikator gewichtet, der die Qualität der verbleibenden mineralischen und fossilen Ressourcen beschreibt. Der Indikator drückt den Qualitätsverlust mit Hilfe erhöhter Energieverbräuche des zukünftigen Ressourcenabbaus aus. Die abschliessende Gewichtung zwischen diesen drei Kategorien erfolgt auf der Basis der Ergebnisse eines an der ETH Zürich unter Ökobilanz-Experten durchgeführten schriftlichen Panels. Bei der Modellbildung sind Annahmen des Anwenders über Parameter und Modellgrenzen notwendig, die Werturteile beinhalten und die Ergebnisse beeinflussen können. Drei verschiedene Wertemuster für diese Entscheidungen werden in der Methode benutzt, was zu drei in sich konsistenten Schadensmodellen führt. Die Ausgestaltung der Wertemuster erfolgt auf der Basis der Kulturtheorie (siehe dazu auch Hofstetter 1998:41-79) und umfasst die folgenden drei Typen von Entscheidern (stark vereinfacht): • E (Egalitarian): Zukünftige Generationen ebenso wichtig wie heutige (Langzeitperspektive); weit entfernt lebende Menschen ebenso wichtig wie die eigene Familie; minimale wissenschaftliche Indizien der Umweltschädlichkeit eines Schadstoffes reichen aus, um ihn in einer Ökobilanz zu bewerten (vorsichtige Grundhaltung). • I (Individualist): Hier und heute sind sehr wichtig (Kurzzeitperspektive, eigene Familie und nähere Umgebung sind wichtiger als Menschen anderer Regionen); nur wissenschaftlich klar beweisbare Zusammenhänge zwischen Umweltschäden und potenziellen Schadstoffen werden anerkannt (risikofreudige Grundhaltung). • H (Hierarchist): Wägt jeweils zwischen der Gegenwart und der Zukunft, zwischen dem Hier und der Welt und zwischen Risiken und den Nutzen ab. Ein Konsens der Wissenschafterinnen über Zusammenhänge zwischen Umweltschäden und potenziellen Schadstoffen rechtfertigt deren Einbeziehen in Ökobilanzen In dieser Arbeit wurde von der Perspektive der H (Hierachist) ausgegangen. Das Hauptargument dafür ist die Tatsache, dass die Annahmen die darunter gemacht werden wissenschaftlich und politisch akzeptiert sind. In der Sensitivitätsanalyse können die drei Wertemuster verglichen werden. Alle Emissionen, Landinanspruchnahme und -transformationen werden als in Europa auftretend angenommen. Gleiches gilt für die damit verbundenen Schäden, was eine einschränkende Annahme darstellt. Diese Einschränkung wurde aber für Schäden durch Ressourcenverbrauch, und infolge der Emission von Treibhausgasen, ozonschichtabbauenden Stoffen, persistenten karzinogenen Substanzen, anorganischen Luftschadstoffen mit einer weiträumigen Verfrachtung und einigen langlebigen radioaktiven Isotopen nicht gemacht. Die Methode Ecoindicator99 bietet die Möglichkeit, die Ergebnisse als Einzelergebnisse darzustellen. Dazu werden die Ergebnisse aus den drei



Schadenskategorien pro Produkt oder Prozess summiert. Dies bietet eine anschauliche Basis für Vergleiche verschiedener Prozesse oder Produkte. Die Ecoindicator99 Methode wurde gewählt, weil innerhalb der IG exact bereits damit gearbeitet wurde (siehe Oetiker D, 2002). Argumente für die Benutzung des Ecoindikators waren zudem die gute Integration in der Bilanzierungssoftware, dass die Methode dem aktuellen Stand der Wissenschaft entspricht, dass sie die für diese Arbeit wesentlichen Schadens-Kategorien abdeckt und dass diese Methode in der Schweizer Fachliteratur ebenfalls genutzt wird. Die Methode ist eine von vielen verfügbaren Methoden für die Wirkungsabschätzung. Sie ist der Gruppe von Methoden zuzuordnen, die Schadensbezogen, oder Effektorientiert, sind. Es gibt eine Gruppe von Methoden welche von den potentiellen Auswirkungen der Bilanzierten Stoffströmen ausgeht. Sie werden Emissions- und Ressourcenorientiert genannt. Eine dieser Methode (z.B. EDIP/UMIP97) eignete sich dadurch gut, um die Ergebnisse des Ecoindikators zu überprüfen. In dieser Arbeit wird dies in einer kurzen Sensitivitätsanalyse angewandt.

2.8 SimaPro (Bilanzierungssoftware) Bei dieser Ökobilanzierung wurde die Software SimaPro (pré.nl) in der Version 7 eingesetzt. SimaPro ist ein professionelles Werkzeug für die Analyse von Umweltaspekten von Produkten und Dienstleitungen. Es dient zur Erstellung von Bilanzen, und zur Durchführung der Wirkungsabschätzung. Die Resultate, die mithilfe von SimaPro ausgerechnet wurden, dienten als Grundlage für die Interpretation und Auswertung. SimaPro enthält mehrere Datenbanken (siehe Anhang A9), die Sachbilanzen für verschieden Rohstoffe, Prozesse und die Energiebereitstellung enthalten und einfach in das Systemmodell aufgenommen werden können. Daneben ist es möglich beliebig weitere Sachbilanzen einzugeben. Dafür sind in SimaPro Dateneingabetabellen vorhanden, die ausgefüllt werden können. Hierbei können auch Allokationen eingegeben werden. In SimaPro sind mehrere Methoden zur Wirkungsabschätzung enthalten. Für diese Arbeit wurde die Methode Ecoindicator99 verwendet. (siehe Abschnitt Econindicator99). Mittels dieser Methode wird aus den Sachbilanzergebnisse die Wirkungsabschätzung berechnet. Die Ergebnisse werden üblicherweise in Balkendiagrammen dargestellt, die Bilanzergebnisse sind auch in Tabellenform abrufbar. Die Systemmodelle können als Prozessbäume dargestellt werden. Dies erzeugt einen guten Überblick über die Stoffflüsse. Es können auch verschiedene Lebensphasen wie beispielsweise Herstellung und Entsorgung miteinander verknüpft werden. Durch das Verknüpfen der einzelnen Prozesse kann der ganze Lebensweg eines Produktes bewertet werden. SimaPro böte auch die Möglichkeit einer Fehlerberechnung die in dieser Arbeit aber nicht benützt wurde.



Die Resultate und Grafiken lassen sich leicht in andere Formate exportieren und ausdrucken. Insgesamt bewährte sich SimaPro bei der Erstellung dieser Ökobilanz als solides und hilfreiches Arbeitsmittel.

2.9 POAdesigner (Software) Die Software POAdesigner (Gantner, D. ETH Diss in press) wurde in der Version 1.7 verwendet. Es ist ein Programm, dass der Prozessorientierten Analyse dient (Meyer, U.B et al. 2005). Verschiedene Prozesse können miteinander verknüpft werden und Input- und Outputflüsse zugefügt werden. Die Diagramme lassen sich auf verschiedene Ebenen aufteilen, die miteinander verknüpft sind. Der POAdesigner besitzt zusätzlich eine Funktion, welche die Berechnung von Stoffflüssen in einer Einheit ermöglicht. Diese Software bewährte sich als Ergänzung zu SimaPro vor allem bei der Darstellung der Prozessabläufe, durch welche sich das Systemverständnis verbesserte.



3. Resultate Die Resultate sind gegliedert in die Abschnitte „Elektronische Bauteile“, „Leiterplatten Herstellung“, „Löten / Bestücken“ und „bestückte Leiterplatte“. In den ersten drei Abschnitten wird jeweils zuerst die Sachbilanz und anschliessend die Bewertung der Bauteile oder Prozesse gezeigt. Diese Resultate werden im letzen Abschnitt dieses Kapitels für die Bewertung der „bestückten Leiterplatten“ verwendet. Die Bewertungsergebnisse entsprechen den aggregierten Umwelteinwirkungen, welche durch den Ecoindicator99 berechnet wurden (siehe Abschnitt Ecoindicator99). Zur Bewertung der Sachbilanzen werden Datenbanken verwendet. Die Zuordnung der Stoffe zu den Datensätzen ist im Anhang (A3) dokumentiert. Mit Sternchen (*) bezeichnete Inhaltsstoffe wurden nicht bewertet. Um die Übersichtlichkeit zu verbessern, werden die Resultate bereits in diesem Abschnitt kurz diskutiert. Im Kapitel Diskussion (Kap. 4) werden dann die wichtigsten Resultate – in weiter gefasstem Rahmen - erneut besprochen. (Bemerkung zu dieser Version: Die Sachbilanzen zu den Herstellungsprozessen befinden sich in den entsprechenden vertraulichen Anhängen)



3.1 Resultate - Bauteile

Alu-Elektrolyt-Kondensator Sachbilanz

Tab. 9 Sachbilanz Alu-Elektrolyt-Kondensator

Al-Elektrolyt-Kondensator

Komponenten-Bestandteil: Komponenten-Material: Gewicht (%): Passive Komponente Aluminium-Papier 34.5 Ethylene Glykol 27 Papier 7 Gehäuse Aluminium 21 Papier 5.5 P.E.T 2 Abschluss Eisen 3 Total: Gewicht: 0.44 (0.65/4.72) [g] 100 % Bewertung

Abb. 6 Einzelergebnis (Ecoindicator99 Hierarchist/Avarage): Al-Elektrolyt-Kondensator. In

Anhang A3 ist ersichtlich, wie die Stoffe in den Grafiken benannt sind.

Aluminium wird sowohl in der Hülle und hauptsächlich in Form von Aluminiumfolie im Funktionsgebenden Bestandteil dieser elektronischen Komponente verwendet. Diese beide Teile erzeugen die weitaus grösste Umweltbelastung. Ethylenglykol, als gesundheitsgefährdender Stoff bekannt, ist das einzige weitere Material, welches bei einer ökologischen Bewertung von Bedeutung ist. Aus ökologischer Sicht liegt aber der Einfluss von Aluminium über dem des Ethylenglykols. Die Bewertung wurde anhand eines Al-Elektrolyt Kondensator von 0.44g durchgeführt. Dieselbe Zusammensetzung wurde auch für grössere Al-Elektrolyt-Kondensator verwendet. Die Umweltbelastung nimmt dadurch proportional zum Gewicht zu.



Keramik Vielschicht Kondensator Sachbilanz Tab. 10 Sachbilanz Keramik Vielschicht Kondensator (0603SMD

Vielschicht Keramik Kondensator (0603)

Komponenten-Bestandteil: Komponenten-Material: Gewicht (%): Keramik BaTiO3** 81.6 Dotierung* 4.3 Innere Elektroden Nickel 1.6 Kupfer 11.2 Nickel 0.3 Abschluss Zinn 1.0 ** Mittels PZT-Keramik Datensatz bilanziert Total: Gewicht: 5.8 [mg] 100 % Mit (*) bezeichnete Inhaltsstoffe wurden nicht bewertet. Bewertung

: Abb. 7 Einzelergebnis (Ecoindicator99 H/A): Vielschicht Keramik Kondensator

Den grössten Gewichtsanteil und die grössten Umwelteinwirkungen dieses kleinen Bauteils macht das Bariumtitanat aus. Bei der Bewertung wurde das Bariumtitanat durch den Datensatz „PZT Piezoelectric“ Keramik vertreten. Daraus wird klar, dass das Ergebnis möglicherweise von der „Realität“ abweichen kann. Dieser Datensatz vertritt als einziger ein für elektronische Bauteile spezifisches Material. Und es zeigt sich, dass es relativ grosse Umwelteinwirkungen verursacht.



Bedrahteter Widerstand Sachbilanz Tab. 11 Sachbilanz Bedrahteter Widerstand (0204)

Bedrahteter Widerstand (0204)

Komponenten-Bestandteil: Komponenten-Material: Gewicht (%): Substrat Aluminiumoxid 16.06 Siliziumdioxid 1.89 Metallfilm Chrom 0.02 Nickel 0.01 Anschlussdraht Kupfer 61.71 Eisen 12.49 Nickel 0.23 Zinn 3.41 Überzug Epoxydharz 0.19 Polyurethan 1.65 Pigmente 0.98 Total: Gewicht: ca. 0.98 g 100 % Bewertung

Abb. 8 Einzelergebnis (Ecoindicator99 H/A): Bedrahteter Widerstand

Der Anschlussdraht ist fast ausschließlich für die Umwelteinwirkungen verantwortlich. Kupfer und Zinn erreichen zusammen ca. 95 % der Gesamtpunktezahl. Zu bedenken ist bei diesem Bauteil, dass vor oder nach der Montage oft ein beträchtlicher Teil der Anschlussdrähte wegschnitten wird. Bei einer betrachteten Leiterplatte wurde jeweils einer der zwei Drähte praktisch ganz abgeschnitten. Bilanziert wurde aber ein Widerstand mit 2 Anschlussdrähten, da angenommen wird dass beide Drähte „vollständig“ produziert wurden. Diese Widerstände gehören zu den schwereren Bauteilen der betrachteten Komponenten.



MiniMELF Widerstand Sachbilanz Tab. 12 Sachbilanz MiniMELF Widerstand (0204)

MiniMELF Widerstand

(0204) Komponenten-Bestandteil: Komponenten-Material: Gewicht (%): Substrat Aluminiumoxid 36.37 Siliziumdioxid 4.25 Bariumoxide (BaO)* 1.07 Magnesiumoxid 0.91 Metall-Film Chrom 0.24 Nickel 0.24 Aluminium 0.05 Hülle Eisen 45.6 Nickel 0.27 Abschluss Zinn 3.26 Epoxy-Harz 4.51 Siliziumdioxid 3.06 Total: Gewicht: 18.67 [mg] 100 %

Bewertung

Abb. 9 Einzelergebnis (Ecoindicator99 H/A): MiniMELF Widerstand

Die Bewertung dieses kleinen SMD- Widerstandes zeigt als „ökologisch“ wichtigster Inhalts-Stoff Zinn an. Und dies, hauptsächlich wegen der Ressourcen-Beeinträchtigung. Im Anhang (A2) kann anhand dieses Beispiels der Ablauf der Bewertungsschritte des Ecoindicator99 verfolgt werden.



Vergleich Komponentengrösse MiniMELF Widerstände sind innerhalb derselben Leistungsklasse kleiner und leichter als die betrachteten bedrahteten Widerstände. Auf den betrachteten Leiterplatten wurden sie dafür öfters verwendet. Deshalb wird hier ein kleiner Vergleich präsentiert. Der zeigt, dass 100 MiniMELF-Widerstände noch die kleinere ökologische Belastung verursachen, als ein grosser bedrahteter Widerstand. (das Gewichtsverhältnis von bedrahtetem zu MiniMELF beträgt ca. 50 : 1, hauptsächlich durch die Anschlussdrähte verursacht). Daraus lässt sich erkennen, dass der kleine Widerstand sogar pro Gramm weniger Umweltwirkungen aufzeigt, als der bedrahtete. Bei den Kondensatoren sind die Gewichtsverhältnisse etwa gleich wie bei den Widerständen, trotzdem erreicht ein kleiner Keramik Kondensator ca. 1/3 der Umweltbelastung des viel schwereren Alu Elektrolyt Kondensators. Dies weil die bilanzierte Keramik (siehe Abb. 7) eine grosse Umwelteinwirkung bewirkt.

Abb. 10 Einzelergebnis (Ecoindicator99 H/A): Vergleich Bedrahteter

Widerstand (links) mit 100 MiniMELF (0204) Widerständen.

Abb. 11 Einzelergebnis (Ecoindicator99 H/A): Vergleich Kondensatoren



Siebensegmentanzeige Sachbilanz Tab. 13 Sachbilanz Siebensegmentanzeige

LED- Siebensegmentanzeige

(3-fach)

Komponenten-Bestandteil: Komponenten-Material: Gewicht (%): Leiterplatte CEM-3 12.983 Anschlüsse Eisen/Kupfer/Zinn 6.227 Plattierung / Metallisierung Zinn/Kupfer 0.678 Chip GaAsP/GaP* 0.016 Silberpaste Silber* 0.018 Draht Aluminium 0.001 Gehäuse Epoxydharz 40.491 Noryl** 39.585 **Bilanziert wurden PS und PP im Verhältnis 1:1 Total: Gewicht: 6.809 g 100 % Bewertung:

: Abb. 12 Einzelergebnis (Ecoindicator99 H/A): Siebensegmentanzeige

Die Siebensegmentanzeige ist eines der schwersten betrachteten Bauteile dieser Untersuchung. Es enthält eine einfache Leiterplatte (CEM-3), deren Herstellung hier noch zusätzlich zu den Materialen in die Bilanz aufgenommen wurde (Beschriftung: LP Produktion S; Daten aus dieser Arbeit). Allerdings macht diese nur einen verhältnismässig kleinen Teil der Umwelteinwirkungen aus. Einflussreicher sind das Epoxydharz, welches in „Leiterplatte“ und Hülle verwendet wird, sowie das „Noryl“ (Polystyren und Polypropylen). Galliumarsenid und Galliumphosphid aus den LED wurden nicht bilanziert.



Quarz Sachbilanz

Tab. 14 Sachbilanz Quarz

Quarz

Komponenten-Bestandteil: Komponenten-Material: Gewicht (%): Basiskörper Eisen 31.224 Kohlenstoff 0.038 Mangan 0.157 Schwefel 0.014 Phosphor* 0.013Draht Nickel 1.343 Cobalt 0.787 Eisen 2.437 Zinn 0.046 Silber* 0.000 Mangan 0.014 Silizium 0.005Stütze Kupfer 0.937 Eisen 0.004 Zinn 0.004 Silber* 0.007 Mangan 0.259 Nickel 0.231Glas Siliziumdioxid 1.081 Bariumdioxid 0.360Gehäuse Kupfer 36.330 Eisen 0.140 Zinn 0.140 Mangan 0.279 Nickel 10.061 Zinn 8.943 Polyurethan 0.082 Silber* 0.329Kristall Siliziumdioxid 4.529 Silber* 0.206Total: Gewicht: 971.5 mg 100 %



Bewertung:

Abb. 13 Einzelergebnis (Ecoindicator99 H/A): Quarz

Diese Daten wurden für die Bilanzierung zusammengefasst, und nicht nach Komponentenbestandteil bewertet, d.h. es wurde jeweils die Summe der gleichen Stoffe vor der Bewertung berechnet. Trotzdem fällt auf, dass das Kupfer und Nickel, welche diese Bewertung dominieren zum grössten Teil in der Hülle vorkommen. Zu bemerken ist, dass das Silber nicht bewertet wurde. Dazu ist auch der gesamte Kristall nicht exakt bewertet worden. Der Siliziumanteil wurde zwar bewertet, allerdings konnte nicht überprüft werden, wie gut das „Datensatz-Silizium“ das wirklich eingesetzte Silizium beschreibt.



Taster Sachbilanz Tab. 15 Sachbilanz Taster

Taster

Komponenten-Bestandteil: Komponenten-Material: Gewicht (%): Hülle Eisen 18.38 Kontakt Kupfer 2.7 Zinn 0.25 Basis und „Schaltknopf“ Polyamid 35.23 Polydibromstyrene 17.21 Fiberglas 23.49 Zusätze 2.34 Endstück Silber 0.03 Kupfer 0.36 Zinn 0.17 Total: Gewicht: 0.359g 100 % Bewertung

Abb. 14 Einzelergebnis (Ecoindicator99 H/A): Taster

Bei diesem elektronischen Bauteil verursachen die Kunststoffbestandteile der Basiskörpers und des Schaltknopfes die grössten Umwelteinwirkungen. Das Polyamid macht davon den grössten Anteil aus. Die Metalle fallen weniger ins Gewicht. Die Bewertungsresultate zeigen ebenfalls, dass der grösste Anteil des Effekts auf die Ressourcen fällt.



IC (Integrated Circuit) Sachbilanz Tab. 16 Sachbilanz IC, SOT-23, (SOT = Small Outline Technology)

IC, SOT- 23

Komponenten-Bestandteil: Komponenten-Material: Gewicht (%): Leadframe Kupfer 35.00 Eisen 0.86 Zink 0.04 Phosphor 0.01 Gehäuse Siliziumdioxid 39.09 Passivierung Epoxydharz (teilw. Bromiert*) 13.75 Antimontrioxid (Sb2O3)* 1.41 Chip Silizium 4.32 Aluminium 0.03 Die-Kontakt Silber 0.68 Epoxydharz 0.22 Bond-Draht Gold* 0.18 Finishing Zinn 3.82 Silber 0.59 Total: Gewicht: 10.34 mg 100 % Sot-23 bezeichnet die Gehäuseform des ICs. Diese Form von Gehäuse wurde bei den kleinen Halbleitern der betrachteten Leiterplatten am häufigsten aufgefunden. Neben ICs sind auch viele Dioden und Transistoren mit diesem Gehäuse ausgestattet (Nishi Y., 2000). Diese Bewertung gilt deshalb für alle diese Komponenten. Die Halbleiter wurden anders als die anderen Bauteile zweimal bewertet. Einmal wird nur der „Chemical Content“ bewertet, danach werden noch Angaben aus recherchierter Literatur zum Energieverbrauch bei der Herstellung von Siliziumwafern inkl. Diffusion und Passivierung einbezogen. Diese Werte sowie ihre Herkunft sind in Tab. 17 aufgeführt. Tab. 17 Literaturangaben zu Energieverbrauch: Wafer / IC Herstellung

Literaturangaben IC Wafer IC Quelle Angegebener Wert kWh / cm2 kWh / cm2 1.52 kWh/cm2 Wafer 1.52 Williams, E. D., et al. (2002) 92-400 kWh/ Wafer 0.29284441 Krishnan, N., et al. 2004 92-400 kWh/ Wafer 1.27323657 Krishnan, N., et al 2004 200 mm: 3.5 kWh / Die 2.67175573 Yao, M.A. et al. 2004 200 mm:4.9 kWh / Die 1.58064516 Yao, M.A. et al. 2004 1 Kg Wafer: 20 kg silika; 20 MWh 2.33018758 Environmental Protection Service (2000). Si (IC) 35000 MJ/kg 1.13270418 Taiariol, F. et al (2001) 300 mm Wafer: 0.5-0.7 kWh / cm2 0.6

Benchmark: ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors), VHK (2005)

Wafer: 0.42 kWh/cm2 0.42 Reichl, H. (2004) Chip 2.87kWh/cm2 2.87 Elser A, etal (2004) 1200kWh/kg class B 0.1398 Malmodin, J., et al. (2001) 25000kWh/kg classA 2.915 Malmodin, J., et al. (2001) 1 Memory Chip 2.9 kWh (Nicht berücksichtig) Kuehr R.(2004) Durchschnitt 0.96359659 2.50935022



Bewertung

Abb. 15 Einzelergebnis (Ecoindicator99 H/A): IC SOT-23 ohne Energie

Abb. 16 Einzelergebnis (Ecoindicator99 H/A): IC SOT-23 inkl. Energieaufwand.

Die Bewertung des „Chemical Contents“ ergibt, dass Zinn, Kupfer und Epoxydharz die Stoffe sind, welch die Umweltbelastung mitbestimmen. Zieht man nun die Energie hinzu (ca. 0.01kWh pro Bauteil) sieht das Ergebnis sehr anders aus. Die vorhin dominierenden Stoffe Kupfer und Zinn machen zusammen nur noch ca. 10 % des Resultates aus. Nun ist es die Energie, welche die Einheit mit den grössten Auswirkungen auf die Umwelt darstellt. Beachtet man die Schadensbereiche sieht man, dass auch die Verteilung ändert. Im Gegensatz zu den Rohstoffen und Materialien ist jetzt nicht mehr der Ressourcenbereich der am stärksten betroffene, sondern menschliche Gesundheit und auch Ökosystemqualität sind nun stärker betroffen. Bemerkung: Für grosse Halbleiter wurde keine einzelnen Bewertungen durchgeführt. Sie wurden in ihrer Gesamtheit modelliert. (Siehe Kapitel Modellierung, und Abb. 19)



Vergleich Bauteile Als Abschluss dieses Kapitels sollen die bilanzierten Bauteile einander gegenübergestellt werden. Erst einmal die in diesem Kapitel beschriebenen. Für die grossen Bauteile wird eine deutlich größere Umweltauswirkung bilanziert, wobei der Alu- Kondensator im Bezug zum Gesamtgewicht einen kleineren Effekt zu haben scheint, als der bedrahtete Widerstand und die Siebensegmentanzeige. Der Keramik-Kondensator zeigt dafür im Vergleich zu den anderen kleinen Bauteilen (relativ) hohe Werte. Diese Studie beschränkt sich im wesentlichen auf die Bewertung pro Bauteil. Im Vergleich zu Die Resultate der oben besprochenen elektronischen Bauteile sind der Abb. 17 zu entnehmen. In einer weiteren Abbildung (Abb.18) werden alle zu dieser Arbeit untersuchten Bauteile bewertet. (Die „Chemical Content“ Angaben zu den noch nicht besprochenen Bauteile befinden sich im Anhang A6).

Abb. 17 Einzelergebnis (Ecoindicator99 H/A): Vergleich der Bauteile, Sachbilanzen.

Abb. 18 Einzelergebnis (Ecoindicator99 H/A): Vergleich aller betrachteten Bauteile.



Tab. 18 Legende zu Abb. 18

Abkürzung in Abb.18 Bauteil Abkürzung in Abb.18 Bauteil Siebensegme LED-Display Batteriekontakt Batteriehalter Trafo Transformator Kondensator A Alu-Elektrol.

Kondensator Kabel Kabel Muttern Stahl Pressmuttern LCD(matrial LCD ohne

Energieverbrauch Kondensator T Tantalum Elektr.

Kondensator Kondensator E EMI Suppressions

Kondensator Kondensator M Vielschicht Keramik

Kondensator Widerstand b Bedrahteter Widerstand Reflektor Reflektor (Polycarbonat)Ferrite Ferrite-Magnet LED LED Quarz Quarz Widerstand Tf Widerstand Flat Chip Stecker Metall Metallgehäuse Stecker Widerstand Mi Widerstand MiniMELF Stecker Plastik Plastikgehäuse Stecker Sot-23 (Chemi Halbleiter (Bauform

SOT-23), ohne Energie. Es wurden bei den beiden obigen Abbildungen (Abb. 17-18) nur die chemische Zusammensetzung verwendet. Siebensegmentanzeige, Da Transformator, Kabel, LCD, EMI-Supressions-Kondensator und bedrahteter Widerstand die grössten Umwelteinwirkungen bewirken, kann die Umweltbelastung also nicht von der Bauteil-Gruppe, sondern eher von der Grösse der Bauteile abgeleitet werden. Als Abschluss dieses Kapitels wird die Bewertung der Gesamtheit aller Bauteile einer der untersuchten Leiterplatten gezeigt. Dabei wird deutlich, dass der Energieaufwand für die IC-Herstellung einen sehr grossen Teil der Umwelteinwirkungen verursacht. Derselbe Befund ergab sich ebenfalls bei den anderen 2 Leiterplatten (siehe A12)

Abb. 19 Einzelergebnis (Ecoindicator99 H/A) : Vergleich der Bauteilzusammensetzung einer

betrachteten Leiterplatte mit Einbezug der Chipherstellung.



3.2 Resultate - Leiterplatte

Herstellung der Leiterplatten Der Produktionsablauf der Leiterplattenherstellung wird in den folgenden Abbildungen dargestellt. Abb. 20 gibt einen Überblick über die „Abteilungen“ der Leiterplattenhersteller. Die weiteren Abbildungen zeigen die Abläufe innerhalb der „Abteilungen“ auf. Erläuterungen zu den Prozessen befinden sich im Kap. Untersuchungsgegenstand sowie im Anhang (A4). In diesem Abschnitt bilden die Bewertungsresultate das Kernstück. Die Sachbilanzen werden nicht präsentiert. Sie sind in den entsprechenden vertraulichen Anhängen aufgeführt. Prozessinventar

Abb. 20 Übersicht Leiterplattenherstellung (IL=Innenlagen; ML=Multilayer)



Abb. 21 Leiterplattenherstellung: Fotodruck (Energieinputs fehlen): Verbrauchabgabe pro Nutzen sind innerhalb der Prozesse angegeben, Energieinputs sind nicht dargestellt. (N= Nutzen)(

Abb. 22 Leiterplattenherstellung: Verpressen (N= Nutzen; NN= Multilayer Nutzen)



Abb. 23 Leiterplattenherstellung: Mechanik (LP= Leiterplatte; Mdf= Melaninplatte)

Abb. 24 Leiterplattenherstellung: Oberflächenbehandlung:

Ein Prozess der bei diesem Betrieb nicht betrachtet werden konnte, stellt die Durchkontaktierung der Bohrlöcher dar.(NN= Multilayer Nutzen) Es werden nun die Sachbilanzen zweier Hersteller gezeigt und jeweils einzeln bewertet. Die Jahresbilanzdaten wurden um gerechnet und 1 m2 Lagenzuschnitt (2 Kupferlagen) zugeordnet. Dies bedeutet, dass für eine 2-lagige Leiterplatte diese Prozesse einmal angerechnet werden für eine 4-lagige 2 mal usw.. Wichtig für die Bewertung der Leiterplatte ist, dass ca. 30% der produzierten Fläche entsorgt werden muss.



Sachbilanzen Die Sachbilanzen befinden sich in den vertraulichen Anhängen. Bewertungen Bei beiden Herstellern wurde ein Hauptaugenmerk auf den Energieverbrauch gelegt. Beim ersten Hersteller (M) wurden dazu noch die verwendeten Hilfsstoffe einbezogen (ca. 70 %), bei Hersteller (P) die (teilweise geschätzten) Emissionen. Es wird gezeigt, dass bei beiden Herstellern der Energieverbrauch die Hauptauswirkungen auf die Umwelt haben und weder die erfassten Emissionen noch die Hilfsstoffe gleich stark ins Gewicht fallen. Es wird auch sichtbar, dass die Nutzung von Öl rasch ins Gewicht fallen kann (Abb. 26).

Abb. 25 Einzelergebnis (Ecoindicator99): Produktion 1m2 Leiterplatte (1)

Abb. 26 Einzelergebnis (Ecoindicator99): Produktion 1m2 Leiterplatte (2)

Beim der Gegenüberstellung der Bewertungen aller drei betrachteten Leiterplattenfabrikanten zeigen sich doch beträchtliche Unterschiede (Daten zum dritten Hersteller (3): siehe Anhang A12). Das hohe Resultat des dritten Herstellers



(3) ist auf die Verwendung eines Strom-Datensatzes, für Europäische Verhältnisse anstatt dem der Schweizer Situation entsprechenden „Strommix“. Der Wasserverbrauch wirkt sich dagegen kaum aus. Auffallend ist die tiefe Bilanz des Herstellers (2), welcher deutlich effizienter produziert.

Abb. 27 Einzelergebnis (Ecoindicator99): Vergleich der Produktion (1m2) dreier

Leiterplattenhersteller



Zum Energieverbrauch wurden weitere Betrachtungen durchgeführt. So können a) die energieintensivsten Prozesse, der Produktionslinie, bei Hersteller (1) und zweitens die energieintensivsten Bereiche von Hersteller (2) aufgezeigt werden. Es sind die Module dargestellt, welche mehr als 5 % des Gesamtverbrauchs ausmachen. Die vollständigen Angaben zum Energieverbrauch befinden sich im Anhang (A12) Bei Hersteller (1) werden keine Durchkontaktierung und Galvanik durchgeführt.

Energieverbrauch Smd THT

0200400600800

1000

Kle

baut

omat

(dur

chfa

hrt)

Bes

tück

ungs

auto

mat

Löte

n m

itR

eflo

wof

en

Test

enWesentliche Prozesse

kJ/N

utze

n

Reihe1

Abb. 28 Energieaufwändigste Prozesse bei Hersteller (M)

Energie : Aufwändigste Prozesse

02468

101214

Vor

beha

ndlu

ngB

ürst

en

Vor

beha

ndlu

ngM

acet

chbo

nd

Vak

uum

verp

ress

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Boh

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Sie

bdru

ckau

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LS E

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icke

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Aus

härte

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entu

aler

Ant

eil a

n G

esam

tver

brau

ch

Abb. 29 Energieaufwändigste „Bereiche“ der Leiterplattenherstellung bei Hersteller (P)



Durchkontaktieren (Kupferanreicherung) Ein Prozess der einzeln etwas genauer angeschaut wurde stellt das Durchkontaktieren der Bohrlöcher dar (Beschreibung im Anhang A4). Dabei werden auch die Kupferkaschierungen noch mit ca. 30 Mikrometer Kupfer angereichert. Bewertung

Abb. 30 Einzelergebnis (Ecoindicator99): Durchkontaktieren

Das aufgetragene Kupfer trägt die grössten Umwelteinwirkungen, durch die Aufwand bei der Rohstoff-Gewinnung bereits in sich. Im Unterschied zu den Betrachtungen der Leiterplattenhersteller wird hier das zugeführte Kupfer mitbilanziert. Bei der Bewertung der Leiterplatten wird das Kupfer separat berechnet. Daneben verursachen die Chemikalien knapp höhere Umwelteinwirkungen als die benötigte Energie.



FR4 Basismaterial Die Angaben zum Stromverbrauch wurden nicht gemacht, sondern nur der Preis für die Energie pro produziertem m2 Basismaterial. Daraus wurde dann die aufgewendete Energie ausgerechnet. Preisannahmen wurden von (http://www.verivox.de/power/Calculator am 12. 8. 2006) übernommen. Diese Werte wurden vom Hersteller weder bestätigt noch widerlegt. (> relativ grosse Unsicherheit) Bewertung:

Abb. 31 Einzelergebnis (Ecoindicator99): Produktion FR4 Material mit Kupferkaschierung

Die Bewertung zeigt, dass die Materialien hier den Stromverbrauch in ihrer Umwelteinwirkungen übertreffen. Gerade das Kupfer für die Kaschierung spielt eine grosse Rolle. Die Herstellung der Epoxydharz / Glasfasern Materials findet im selben Betrieb statt.


http://www.verivox.de/power/Calculator


Hartmetall-Werkzeug (Bohrer) Die Werkzeuge zur Bearbeitung der Leiterplatten müssen aus Hartmetall sein. Um diese herzustellen, werden spezielle Stoffe in energieintensiven (Sinterprozess) Prozessen bearbeitet. Bewertung:

Abb. 32 Einzelergebnis (Ecoindicator99): Produktion Hartmetall Werkzeug

Die Verarbeitung der Materialien braucht hier eine solche Menge an Strom, dass die Bereitstellung der nötigen Energie, bereits einen grossteil der Umwelteinwirkungen ausmacht. Bei der Herstellung wird nur die Rohlingsfertigung (Durchmesser schleifen) Spiralisation (Nuten und Spitzengeometrie) betrachtet. Die Bereitstellung der Inhaltsstoffe zur Fertigung des Hartmetalls wurden nach ihrem prozentualem Gewichtsanteil einzeln bewertet. Die Bewertung des Werkzeugverschleisses, bei der Leiterplattenherstellung zeigt, dass das Hartmetall dennoch nur einen geringen Einfluss auf die Bilanz hat (Abb.25). In Abb. 32 lässt sich erkennen, dass Kobalt für die Ökosystem potentiell gefährdend ist.



3.3 Resultate - Löten / Bestücken In diesem Abschnitt werden die Bilanzen und Bewertungen der verschiedenen Prozesse der Bestückung angeführt. Zu Beginn wird eine SMD – Bestückungslinie mit beidseitigem Reflow- Lötprozess analysiert.

Abb. 33 Energiefluss SMD Bestücken / Löten (Energieangaben pro Nutzen: Achtung J steht für

Kilojoule, Materialflüsse sind im Anhang (A12) dargestellt.



Bewertungen

Abb. 34 Einzelergebnis (Ecoindicator99): SMD Bestückung inkl. Löten und

Materialbereitstellung (Bauteile)

Die Verpackung die hier angerechnet wird, kommt mit den Bauteilen angeliefert, und besteht aus ca. 90 % Polystyren (-Blister) und 10 % Karton. Es zeigt sich, dass die Produktion dieser Materialien (wobei allfälliges Recycling sowie die Entsorgung ausgeklammert werden) doch einen beachtlichen Anteil ausmachen. Die Materialien Blei und Zinn des Lötzinns stellen den grössten Einfluss auf die Umwelt dar. In erster Linie sind Ressourcen betroffen.

Die beiden Datensätze zum Reflow /Wellenlöten werden - ohne Verpackung und ohne Bestückung- miteinander verglichen (Abb.35,36). Es zeigt sich ein sehr übereinstimmendes Bild. Ein Grund dafür ist die starke Gewichtung des Zinns, und die verhältnismässig geringe Gewichtung des Bleis im Lot durch den Ecoindicator99. Ein Effekt der höheren Löttemperatur des Bleifrei-Prozesses kann durch die erhobenen Daten wegen unterschiedlichem Datenumfangs, nicht nachgewiesen werden.



Abb. 35 Einzelergebnis (Ecoindicator99): Lötprozess Reflow / Wellen (Bleihaltiges Lot)

Abb. 36 Einzelergebnis (Ecoindicator99): Lötprozess Reflow / Wellen (Bleifreies Lot)



Der unten angeführt Vergleich zeigt, dass „einseitig Reflow- einseitig Wellelöten“deutlich Energieintensiver ist, als beidseitiges Reflow- Löten, wenn man die Aufheizung des Lotbades mit einbezieht. Das Aufheizen wurde nicht einbezogen bei den Betrachtungen des „bleifreien“ Prozesses (rechts in der Abb.37). Der Klebeprozess wurde nicht in die Betrachtung einbezogen. Die Abb. 41 zeigt auf, welch grosser Anteil die Aufheizung ausmachen kann. Es ist zu bemerken, dass hier vorausgesetzt wird, dass die Aufheizung für die Produktion von 33 Nutzen angerechnet wird.

Abb. 37 Einzelergebnis (Ecoindicator99): Vergleich Lötprozess Reflow / Wellen (Bleifreies Lot,

1m2 Nutzen)

Aufheizen vs. Betriebszeit pro Nutzen

0500

10001500200025003000350040004500

BetriebszeitMaschine

Aufheizen (1x proAuftrag)

Total

Ener

giev

erbr

auch

[kJ]

Reflow (2)Wellen (1)Reflow / Wellen

Abb. 38 Vergleich des Energieverbrauchs der Prozesse während des Lötens (SnPb) und für die Aufheizung des Lötzinns bei einem Auftrag von 33 Nutzen, auf einen Nutzen berechnet (0.013m2)



Testen und Reparieren Das Testen und Reparieren der fertigen Leiterplatte wurde nur einmal untersucht (Sachbilanz in Anhang A12). Es hat einen sehr kleinen Anteil am Gesamtergebnis. Im folgenden wird das Testen im Vergleich zur SMD Bestückung betrachtet. Das Testen braucht weniger als 10 % der Energie, welche für das Löten benutzt wird. Dazu führt sicherlich auch die Tatsache, dass die betrachtete Leiterplatte praktisch nie defekt war.

Energieverbrauch SMD-Reflow-Linie

0200400600800

1000

Kleb

auto

mat

(dur

chfa

hrt)

Best

ücku

ngs

auto

mat

Topa

z

Löte

n m

itR

eflo

wof

en

Test

en

Wesentliche Prozesse

kJ/N

utze

n

Abb. 39 Energieverbrauch der Prozesse der SMD-Reflow Linie (Testen= Testen und Reparieren)



3.4 Resultate - Bestückte Leiterplatte Zu guter Letzt werden die oben bewerteten Prozesse und Bauteile zusammen-geführt, um die bestückten Leiterplatten als ganzes zu bewerten. Die ökologischen Bewertungen der drei Leiterplatten werden nebeneinander gezeigt. Alle Prozesse wurden nach den spezifischen Parameter der einzelnen Leiterplatten berechnet, so wie es im Kapitel Modellierung beschrieben wurde. Das Ergebnis bezieht sich auf die Funktionelle Einheit 1 kg der bestückten Leiterplatten., also nicht auf eine einzelne Leiterplatte.

Abb. 40 Einzelergebnis (Ecoindicator99): Vergleich der betrachteten Leiterplatten. Der rechte Balken entspricht dem Durchschnitt.

Dabei sind die Umwelteinwirkungen von zwei Leiterplatten ungefähr gleich gross (LP2 etwas grösser als LP1). Die dritte Leiterplatte zeigt deutlich geringere Umwelteinwirkungen, ca. 1/3 so starke. Die vierte Säule zeigt den durchschnittlichen Wert aus den drei Untersuchungen an. Die Wirkungskategorien „Menschliche Gesundheit“ und „Ressourcen“ sind deutlich stärker betroffen als die „Ökosystemqualität“.



Anhand des Resultates der Durchschnitts- Leiterplatte können einige Betrachtungen gemacht werden zu den einzelne Einflussfaktoren. Die Durchschnittsleiterplatte wurde auch nach den Modulen Elektronischen Bauteile, unbestückte Leiterplatte, und Bestücken / Löten“ untersucht. Das Resultat zeigt, dass die Leiterplatte den grössten Einfluss hat, die elektronischen Bauteile insgesamt aber ebenfalls einen grossen Einfluss auf das Ergebnis der ökologischen Bewertung haben.

Abb. 41 Einzelergebnis (Ecoindicator99): Gegenüberstellung Leiterplatte (Herstellung und

Material); Bauteile (inkl. Energieaufwand für Chip Produktion) sowie Lötprozesse

Wird feiner unterteilt in die betrachteten Prozesse, wie in Abb.42, können die Beiträge an die Umweltbelastung der einzelnen Bereiche besser zugeordnet werden.

Abb. 42 Einzelergebnis (Ecoindicator99): Gegenüberstellung Leiterplatte (Herstellung und Material); Bauteile (inkl. Energieaufwand für Chip Produktion) sowie Lötprozesse

Zur Erinnerung: FR4, und die Bauteile enthalten ebenfalls Kupfer, Der Balken des Kupfers entspricht also nicht der Gesamtmenge des verwendeten Kupfers, sondern nur der Kupferkaschierung und der Kupferanreicherung.



Abbildung 43 zeigt den Einfluss des Energieverbrauchs. (Energieverbrauch bei LP Herstellung , Bestücken / Löten und Chipproduktion). Die Energie macht demnach mehr als 2/3 des Gesamtergebnisses aus.

Abb. 43 Einzelergebnis (Ecoindicator99): Betrachtung der Durchschnittsleiterplatte.



4. Diskussion

Zum Vergleich der drei Leiterplatten Die drei betrachteten, Leiterplatten unterscheiden sich in ihrem Anwendungs-bereichen deutlich. Eine Labor-Waage mit einem Stromzähler und einem Küchengerät vergleichen? Wird ins Innere dieser Geräte geblickt, fallen einem auf den ersten Blick Ähnlichkeiten bei den verwendeten Leiterplatten auf, doch bei genauerer Betrachtung ebensoviel Unterschiede. Bei dieser Studie, welche diese Leiterplatten untersuchte, wurde deshalb von Beginn weg darauf hingewiesen, dass das Resultat nicht eine Aussage wie: „diese Leiterplatte ist „ökologisch“ besser als die andere“ sein wird. Trotzdem soll an dieser Stelle ausgenutzt werden, dass drei Leiterplatten gleichzeitig bewertet wurden, um einige Vergleiche anzuführen.



Tab. 19 Vergleich der bestückten Leiterplatten

Kriterium LP 2 LP 3 LP1 Ökologischen Umwelteinwirkungen

Gross Klein Mittel - Gross

Leiterplatten-Grösse Klein Mittel- Gross Gross Bestückung Zweiseitig dicht Einseitig grosszügig Einseitig dicht Anteil „grosse“ ICs / cm2 Viele Wenige Einige- Viele Anzahl kleine Halbleiter Einige Einige Viele Lp Gesamtdicke (mm) 1.6 1.6 0.8 Anzahl Lagen 6 2 4 Löttechnologie Reflow / Reflow Reflow / Wellenl. Reflow /Wellenl. Anzahl Leiter- Lagen: Die Umwelteinwirkungen bei dieser Arbeit grösser bei höherer Lagenanzahl. Bei weniger Lagen fällt weniger (Energie-)Aufwand bei der Produktion der Leiterplatte.an. (Siehe Abschnitt 3.3 ). Dazu kommt, dass Kupfer eingespart werden kann (Kupfer pro cm2). (Man beachte: Hier werden eventuelle Flächeneinsparungen aufgrund mehrlagigen Leiterplattenaufbaus nicht besprochen) Bestückung: Die hier betrachteten Leiterplatten geben den Hinweis, dass eine weniger dichte Bestückung eine Verminderung der Umweltumwirkungen pro kg bestückter Leiterplatte ergeben. Wird eine Leiterplatte dicht bestückt, kann angenommen werden, dass die Bauteile einen grösseren Anteil am Gesamtgewicht der Leiterplatte ausmachen. Da aber gezeigt wurde, dass sich verschiedenen Bauteile in ihrer Grösse und Umwelteinwirkungen deutlich unterscheiden können, kann durch dieses Kriterium nicht direkt bestimmt werden, ob die Menge der Umwelteinwirkungen eher gross oder klein sein wird. Anteil Halbleiter: Mit dem vermehrten Einsatz von „grossen“ ICs / cm2 ICs steigt die Umweltbelastung. Bei den Integrierten Bauteilen wurden auch der Energieaufwand in die Betrachtung miteinbezogen. Dabei zeigte sich, dass dieser die Umweltbilanz deutlich beeinflusst. Die Energieaufwand ist für einen grossen Teil der Umweltbelastung der Bauteile verantwortlich. Bei den grösseren ICs (2.88-42.8mg Chipgewicht) tritt der Effekt deutlich stärker auf als bei den kleinen Halbleitern. Gesamtdicke der Leiterplatte: Der Dicke der Leiterplatte kann bei dieser Studie kein entscheidender Einfluss auf das Ergebnis nachgewiesen werden. Die Gesamtdicke wird nicht durch die Anzahl Leiterlagen definiert. Und dem Basismaterial (FR4 / Prepreg) fällt bei den vorhandenen Daten und der verwendeten Bewertungsmethode ein vergleichsweise kleinerer Anteil an der Umweltbelastung zu als den Kupferleiterplatten. Trotzdem ist davon auszugehen, dass eine Einsparung von Material durch dünnere Leiterplatte die Umweltbilanz der einzelnen Leiterplatte beeinflusst. Löttechnologie. Die Löttechnologie beeinflusst das Gesamtergebnis der bestückten Leiterplatten nicht in starkem Masse. Es wurde zwar festgestellt, dass der beidseitige Reflow- Prozess weniger Energie verbraucht, doch dieser Effekt scheint nicht entscheidend bei der Betrachtung der Gesamtumwelteinwirkungen. Bei dichter Bestückung können mehr Bauteile gleichzeitig gelötet werden als bei loser Bestückung. Der Prozess wurde jedoch nicht



der Anzahl Bauteilen zugeordnet sondern einem kg Applikation. Pro kg bestückter Leiterplatte wird bei dichter Bestückung auch mehr Zinn gebraucht, was die Bilanz wieder verschlechtert. Insgesamt unterschieden sich die drei Leiterplatten gleichzeitig in zu vielen Aspekten als dass für die einzelnen Parameter mit Sicherheit eine Aussage gemacht werden kann. Auch der Gewichtsanteil der bestückten Leiterplatte an einem Gesamtprodukt oder der Anwendungsbereich sind keine guten Indikatoren für die Ökobilanz einer bestückten Leiterplatte. Aus dieser Studie lässt sich lediglich (vage) vermuten, dass Küchengeräte, beziehungsweise voluminöse Elektro-Produkte über Leiterplatten mit einer geringeren Umweltbelastung pro kg bestückter Leiterplatte verfügen. Diese Hypothese müsste überprüft werden. Einen Effekt kann sicherlich die „Komplexität“ einer Schaltung bewirken, da eine Zunahme an integrierten Schaltungen die Umweltbelastung erhöhen. Aufgrund obiger Aussagen ist es nicht einfach, die Endresultate der Durchschnittsleiterplatte dieser Arbeit für andere Leiterplatten zu verwenden. Eine Abweichung mit Faktor von mindestens zwei müsste einkalkuliert werden. Die bewerteten Teilprozesse und elektronischen Komponenten ließen sich einzeln jedoch relativ einfach weiteren Leiterplatten zuordnen um weitere Bewertungen zu erarbeiten. Zahlreichen Bewertungen wurden im letzten Kapitel einzeln dargestellt und zum Schluss des Kapitels für die Bewertung der untersuchten bestückten Leiterplatten (pro kg) sowie der daraus berechneten Durchschnittsplatine zusammengeführt: Zur Berechnung der Gesamtumwelteinwirkungen wurde für jede Leiterplatte ein Modell für die benötigte Menge der betrachteten Prozesse und Bauteile berechnet. Dabei zeigten die Leiterplatten in allen Bereichen Differenzen und es wurde deutlich, dass die Modellierung der Leiterplatten sehr komplex ist. Die Bewertungen der drei modellierten Leiterplatten zeigte, dass die Umweltbelastung der einzelnen bestückten Leiterplatten pro kg Applikation bis um einen Faktor 3 auseinanderliegen. Aus der Betrachtung der elektronischen Bauteile lässt sich die Erkenntnis ziehen, dass das Bauteilgewicht einen wesentlichen Faktor der Umweltbelastung darstellt. Schwere Bauteile tragen mehr zur Umweltbelastung bei als leichte. Allerdings zeigt das Beispiel des Vielschicht Keramik Kondensators, dass der Einfluss kleiner Bauteile nicht immer verschwindend klein sein muss. Als die Materialien, die bei der ökologische Bewertung des chemical content bestimmend sind, wurden Epoxydharz, Polyamid, Piezelektrische Keramik, Kupfer, Aluminium, Zinn und Zink erkannt. Mit Ausnahme des Zinns waren diese Stoffe dann entscheidend, wenn sie auch den grössten Gewichtsanteil der Komponenten ausmachten. Das Zinn wird auch in kleiner Menge durch den Ecoindicator99 stark gewichtet. Für zwei weitere Materialien, wie Gold und Silber, für welche man ebenfalls in kleinen Mengen relativ grosse Umweltwirkungen erwarten könnte (Weideman, B. 2003; Singhal, P. et a.l 2004), konnte keine Bewertung durchgeführt werden, da keine Datensätze vorhanden waren. Aus diesem Grund muss das Ergebnis des Quarzes sowie der Halbleiter mit Vorsicht betrachtet werden, dort könnten in der Realität höhere Werte entstehen. Dasselbe gilt für die zwei Leiterplatten, welche



vergoldete Oberflächen besitzen. Eine weitere Einschränkung der Resultate ergibt sich daraus, dass das als Flammschutzmittel beigemischte Brom (und Antimontrioxid), nicht bewertet werden konnten, da die verfügbaren Datenbanken keine Angaben dazu enthielten. Diese Einschränkungen gelten auch für die Leiterplatten. Die Siliziumchips sind sehr kleine Bestandteile der Halbleiter-Bauteile. Wird der Energieaufwand bei der Herstellung zusätzlich zum chemical content in die Umweltbilanz miteinbezogen, tragen sie in sehr grossem Masse zur Umweltbilanz der elektronischen Bauteile (und damit der ganzen bestückten Leiterplatte) bei. Diese Erkenntnis wird auch in einer ökologischen Bewertung (Hermann, C. et al. 2001) gewonnen, wo die ICs in den verschiedenen Wirkungskategorien 50–90 % der Auswirkungen ausmachen. Es mussten bei dieser Arbeit allerdings Annahmen zu den Chipgewichten vorgenommen werden (Siehe Kapitel Modellierung), und bei der Literaturrecherche zum Energie-aufwand wurde eine relative grosse Streuung der angegebenen Werte entdeckt (Tab. 17). Im Gegensatz zu den Halbleitern sind zum Energieverbrauch bei der Herstellung der übrigen Bauteile keine Daten veröffentlicht worden. Eine Aussage dazu findet sich in der bereits erwähnten Vergleichsstudie zu bestückten Leiterplatten (Hermann, C. et al. 2001). Dort wird geschätzt, dass die Umwelteinwirkungen passiver Bauteile im Verhältnis von ca. 50:50 durch das Material und die Produktionsprozesse verursacht werden, wobei auch erwähnt wird, dass die passiven Bauteile im Vergleich zu den Halbleitern dennoch deutlich weniger ins Gewicht fallen. Als relevante Bauteile sind demnach Halbleiter und andere grosse Bauteile zu nennen. Aus den betrachteten Bauteilen lässt sich nicht abschließend sagen, ob es eine Gruppe von Bauteilen gibt - neben den Halbleitern – die generell für eine höhere Umweltbelastung sorgen. Dazu müssten pro Gruppe weitere Vertreter betrachtet werden. Es wurden viele Daten zum Energieaufwand bei der Leiterplattenherstellung erhoben, die zeigten, dass die Bereitstellung der nötigen Energie eine wesentliche Ursache für die Umweltbelastung ist. Die Vergleich dreier Jahresbilanzen zeigte etwa einen Unterschied vom Faktor zwei auf bei der benötigten Energie für die Produktion eines Leiterplattenzuschnitts. Die Ursachen dafür konnten nicht genau erkundet werden. Es könnte ein Zusammenhang mit der durchschnittlich produzierten Leiterplatten bestehen, v.a. der durchschnittlichen Lagenanzahl. Der Betrieb, welcher Leiterplatten mit durchschnittlich höherer Anzahl Lagen herstellt weist einen deutlich geringeren Energieverbrauch auf. Der Energieaufwand bei der Herstellung der Leiterplatten und Halbleiter macht ca. 2/3 der Gesamt Ecopunktezahl aus. Die Recherche zu den Energieverbrauchen zahlte sich also aus, und es zeigt sich, dass vereinfachte ökologische Bewertungen die nur auf dem „Chemical Content“ basieren, einen wichtigen Teil der Umweltbeeinträchtigung vernachlässigen. Die Wichtigkeit der Energie bei Herstellung von Leiterplatten bestätigt eine Studie (Andrae et al. 2005), welche diesen Prozessen relevante Beiträge zum Globalen-Klimaerwärmung-Potentials eines digitalen Systemtelefons nachweist.



Die Betrachtung des kupferkaschierten FR4 Materials ergab, dass die Kupferkaschierungen den kristischsten Bestandteil darstellt. Das als Flammschutzmittel verwendete Brom (TBBPA= Tetrabrombisphenol A) konnte allerdings nicht bewertet werden, ein Stoff der schon verschiedentlich als umweltgefährdend bezeichnet wurde. (Möller et al. 2004 ; Alonso et al. 2004; Bergendahl A. 2004 ; Muller et al. 1999). Auch deshalb wird über den Einsatz neuer Technologien diskutiert. Es werden Anstrengungen unternommen, die bromierten Stoffe zu ersetzen, und nach neuem geeignetem Basismaterial geforscht. Die Abb. 44 wiest darauf hin, dass eine Alternative zum FR4 Basismaterial, das HTT- Basismaterial (HTT= Hoch Temperatur Thermoplaste) die Umweltbelastung von Leiterplatten verringern kann.

Abb. 44 Untersuchung der ökologischen Performance des HTT-Basismaterials; Carl-Otto

Gensch, Öko-Institut e.V.

Die Verwendung des HTT- Materials kann laut einer Studie (Möller, M. et al. 2004, steht im Zusammenhang mit Abb. 44) die Umweltbelastung halbieren, dies aufgrund der höheren Ressourceneffizienz (Schäumung) beim Substrat und des effizienteren Produktionsprozesses. Dazu muss dieses Material nicht mit bromierten Flammschutzmitteln angereichert werden. In der Abb. 44 wird dargestellt, dass bei FR4 Platten die Wirkung des Kupferanteils deutlich geringer ist als die der Polymermatrix. Die Resultate dieser Arbeit deuten auf einen stärkeren Einfluss des Kupfers hin. Aus der erwähnten Studie geht nicht hervor welche Prozesse bei der Bewertung berücksichtigt wurden. Bei der Betrachtung in dieser Arbeit zeigen die Produktionsprozesse (bis zur fertigen unbestückten Leiterplatte) ebenfalls einen größeren Einfluss auf das Ergebnis. Die genaue Betrachtung einer SMD - Bestückung mit beidseitigem Reflow-Löten hat gezeigt, dass eine grosse Menge an Energie für das Aufheizen des Lötzinns gebraucht wird. Dort besteht die Möglichkeit, durch höhere Serienzahlen oder durch konstante Nutzung der Maschinen Verluste einzusparen. Dieses Vorgehen hat sich wohl in den meisten Betrieben durchgesetzt. Die durchgeführte Studie beinhaltet sowohl Resultate zu Lötprozessen, welche mit bleihaltigem Lot durchgeführt werden, als auch solche mit bleifreiem. Doch die unterschiedlichen Datengrundlagen erlauben keinen abschliessenden Vergleich. Die



Bearbeitung der Leiterplatten in verschieden grossen Nutzen erschwerte den Vergleich. Zu bleifreiem und bleihaltigem Lot wurden bereits einige ökologische Vergleichsstudien durchgeführt, welche aufzeigen, dass bleifreie Lote eine grössere Auswirkung auf die Umwelt bei den Herstellungsprozessen und dem Ressourcenabbau aufzeigen, die Toxizität und Entsorgung der beiden Lote untersuchten diese Studien aber nicht im Detail (Alonso et al. 2004). Bei dieser Arbeit zeigt sich dass sich die Lötzinnwahl bis zur Fertigstellung der bestückten Leiterplatte das Ergebnis nicht wesentlich beeinflusst.

Methode und Vorgehen Die Durchführung der (vereinfachten) Ökobilanzierung zu bestückten Leiterplatten ergab eine Vielzahl von interessanten und verlässlichen Aussagen, welche aufgrund der Datenqualität und der anerkannten Bewertungsmethode zustande kamen. Es zeigte sich, dass der Aufwand zur Beschaffung der Sachbilanzen für ein so komplexes Produkt mit einem sehr großen Aufwand verbunden sind. Vergleicht man das Vorgehen bei dieser Studie mit den Vorgaben an eine Ökobilanz (gemäss ISO 14040ff) kann folgendes kritisch bemerkt werden:

⇒ Es werden nicht alle Phasen des Lebenszyklus der funktionellen Einheit betrachtet, sondern nur die Lebensphasen bis zur Fertigstellung.

⇒ Zur Mehrheit der Produkte wurden die Sachbilanzen nicht vollständig

durchgeführt. Es wurde ein Schwerpunkt auf die Energieintensität und die Materialzusammensetzung gelegt. Emissionen und Teilprodukten wurden in den selbst erfassten Prozessen oft vernachlässigt.

⇒ Allokationen wurden nicht exakt (nach physikalischen Parametern)

vollzogen.

⇒ Die funktionelle Einheit ist nicht auf ihre Funktion hin definiert, sondern auf eine Masseneinheit (1 kg).

⇒ Die bestückten Leiterplatten werden modelliert, d.h. es werden nicht alle

Bestandteile detailliert betrachtet. Die Bewertungsmethode Ecoindicator99, beinhaltet viele Werteurteile und Annahmen, die zwar von Experten gemacht wurden, aber trotzdem ein hundertprozentig objektives Resultat nicht ermöglichen. Als Methode zur Berechnung von Vergleichswerten, und zum Aufspüren von einigen kritischen Punkten eignete sich diese Methode dennoch. Es ist allerdings zu bemerken, dass die Bewertungs-methode, im speziellen über die Toxikologie von Stoffen, viele Umwelteffekte nicht modellieren kann, da die wissenschaftlichen Erkenntnisse dazu fehlen. Diese Arbeit hat gezeigt, dass durch engagierte Nachfrage Partner für die Erhebung von Umweltrelevanten Daten gewonnen werden können. Es stellte sich aber auch heraus, dass der Hersteller eines Gerätes, welches eine Leiterplatte enthält, selbst nicht immer einfach an Daten zur Herstellung der Leiterplatten und der Bauteile kommt. So weiß er in der Regel über die Produktionsbedingungen vieler Komponenten nicht Bescheid.



Die Anfrage der Hersteller über Lieferanten hat sich bewährt, um die chemische Zusammensetzung der elektronischen Bauteilen in Erfahrung zu bringen. Es zeigte sich, dass sich Datenblätter zu den Inhaltsstoffen weitgehend erhältlich sind. Zum Energieaufwand bei der Herstellung von elektronischen Bauteilen war auf diesem Weg nichts zu erfahren. Viele Hersteller geben an, selbst keine „Zahlen“ darüber zu besitzen. Die Datenerhebung wurde jeweils den Möglichkeiten bei den verschiedenen Betrieben angepasst. Ein einheitlicheres Vorgehen bei der Erhebung könnte die Konsistenz der Daten erhöhen. Es könnte zudem der Vorgang der Datenerhebung optimieret werden. Die Suche nach „Datenlieferanten“ während der Durchführung ergab eine grosse Unsicherheit darüber, welche Daten schlussendlich verfügbar sein werden, und erschwerte damit die Organisation der Arbeit.



Datenqualität Wichtig ist bei Ökobilanzierungen die Qualität der verfügbaren Daten. In der Tab. 20 wird die Datenqualität bewertet. Es zeigen sich erhebliche Differenzen, so wurden Daten aus Schätzungen, aus Fachliteratur und aus exakten Messungen verwendet. Für die meisten Module war die Datengrundlage gut bis sehr gut. Es ist aber kritisch zu bemerken, dass die Daten oft nur für ein Produkt erarbeitet wurden. Bei der Herstellung der Leiterplatten konnte an drei Standorten Daten erarbeitet werden, dies erhöhte die Daten-Sicherheit, und zeigte in etwa auf, wie gross die Differenzen sein können (Abb. 30, Abschnitt 3.2). Um die Datenqualität zu erhöhen müssten weitere Messungen durchgeführt, und weitere Industriepartner für die Mitarbeit gewonnen werden. Tab. 20 Datenqualität

Prozess Bewertung Anzahl Quellen Reflowlöten (Blei) & & & 1 Wellenlöten (Blei) & & 1 Wellenlöten (Bleifrei) & & 1 Reflowlöten (Bleifrei) & 1 SMD bestücken & & & 2 Testen & & 1 Herstellung LP*-Basismaterial & 1 LP Herstellung & &-&&& 3 LP Durchkontaktieren && 1 Au/Ni Galvanisierung && 1 Leiterplatten (Chemical Content) & & 1 Hartmetallwerkzeug & 1 Bauteile (Chemical Content) & & -&&& DIV(1-3 pro Bauteil). Bauteile (Energieaufwand) < &* DIV.(1-3 pro Bauteil) ICs (Energieaufwand) & 6 (Literatur) *ungenügende Daten wurden nicht verwendet. -> Datenlücke (*LP= Leiterpaltte)

Aufgrund fehlender Daten wurden, wie bereits angesprochen einige Stoffe nicht in die Bewertung aufgenommen. Zu den elektronischen Komponenten fehlten mehrheitlich die Angaben zum Prozessenergieverbrauch bei der Herstellung ebenfalls, weshalb dieser Aspekt aus dem System ausgeschlossen wurde (Ausnahme Halbleiter). In all diesen Fällen wurde auf Schätzungen verzichtet. Ein weiterer Punkt, der erwähnt werden sollte, ist, dass die Prozesse zur Leiterplattenherstellung nicht an den wirklichen Produktionsstätten betrachtet wurden, woraus sich ebenfalls eine Unsicherheit ergibt.

Sensitivitätsanalyse Bewertung Die Bewertung der Umwelteinwirkungen wurden mit Ecoindicator99 durchgeführt. Es ist sinnvoll das Ergebnis einmal mit dem Ergebnis einer anderen Bewertungsmethode zu vergleichen. Hier wird die EDIP/Umip97-Methode (Hauschild, M. & Wenzel, H, 1998) als Vergleichsmethode verwendet. In den Abb. 45-46 werden die Bewertungs-Resultate des „Chemical Content“ des bedrahteten Widerstandes aufgezeigt. Es ist erkennbar, dass das Kupfer bei beiden Methoden



am stärksten gewichtet wird. Aber das Zinn wird von der EDIP/Umip97- Methode nicht bewertet, ein deutliches Beispiel dafür, dass mit der Wahl der Bewertungsmethode das Ergebnis beeinflusst wird.

Abb. 45 Einzelergebnis (Ecoindicator99) des bedrahteten Widerstandes.

Abb. 46 Einzelergebnis (EDIP/Umip 97) des bedrahteten Widerstandes : Diese Methode verwendet die Zusammenfassung in Menschl. Gesundheit, Ökosystemqualität und Ressourcen nicht.



Die Durchschnittsleiterplatte wurde ebenfalls mit den beiden Methoden bewertet. Bei dieser Analyse, sind wieder gute Übereinstimmungen zu erkennen. Das Resultat weist auf eine ähnlichen Bewertung des Verbrauchs von Energie durch die beiden Methoden hin. Die Edip/Umip 97 Methode bewertet Kupfer (und wohl die anderen Ressourcen) weniger stark. Der Energieverbrauch erhält ein noch größeres Gewicht.

Abb. 47 Einzelergebnis (Ecoindicator99) der Durchschnitts-Leiterplatte

Abb. 48 Einzelergebnis (EDIP/Umip 97) der Durchschnitts-Leiterplatte

Allokation zu Lagenzuschnitt An dieser Stelle wird eine Betrachtung angefügt, welche die Sensitivität der Allokation der Jahresbilanzen auf 1m2 Lagenzuschnitt betrachtet. Damit soll gezeigt werden, dass der Energieverbrauch nicht proportional mit der Anzahl Lage-zuschnitten zunimmt. Schaut man sich den Energieverbrauch der Produktions-maschinen an, erkennt man, dass sich in der Realität bei hoher Lagenzahl gewisse Einsparungen erzielen lassen, erstens durch die Effizienzsteigerung der Mechanik- und Verpressungsprozesse, und zweitens, weil der Aufwand der abschließenden Behandlungen der Leiterplattenoberfläche (wie Veredlung, Kupferanreicherung, Druckprozesse usw.) nicht wesentlich von der Lagenanzahl abhängen.



Energieaufwand vs Anzahl Lagen

2 4 612

20

30

40

0

10

20

30

40

50

60

Anzahl lagen

Energie proLagenzuschnitt[kWh/m²]

Abb. 49 Verhältnis des Energieaufwandes pro Lagenzuschnitt zur Gesamtzahl der Lagen

Diese Betrachtung gibt nur einen möglichen Trend an, um genauere Aussagen machen zu können, müsste sie noch vertieft werden. Sie zeigt aber auf, dass dieangewandte Modellierung der Leiterplattenherstellung auf einer Annahme beruht, die gewisse Unsicherheiten enthält.

Ausblick Der hohe Beitrag der Energie zur Umweltbelastung einer einsatzbereiten Leiterplatte, zeigt auf, dass die Wahl des verwendeten Energiequellen einen erheblichen Effekt auf die Umweltbilanz einer Leiterplatte haben kann. Die Einführung der RoHS- Richtlinie hat wohl einen wichtigen Beitrag dafür geleistet, dass Angaben zur chemischen Zusammensetzung der Bauteile relativ leicht erhältlich sind. Die neue Rahmenrichtlinie EuP fokussiert auf die Energieeffizienz beim Gebrauch der Elektro(nik)-Geräten. Daneben wären wohl (verbindliche) Anforderungen an die Dokumentation des Herstellungsvorganges nötig, um die Daten zum Energieaufwand transparenter und leichter zugänglich zu machen. Diese Arbeit zeigte aber auch, dass dafür viel Aufwand betrieben werden muss, und dass bei der Vielzahl von produzierten Produkten eine exakte Allokation des Energieverbrauchs zu den einzelnen Produkten schwierig bis unmöglich ist. Die Wahl der Funktionellen Einheit als 1 kg. hat einen Vergleich der Leiterplatten ermöglicht. Es ist aber schwierig die Ergebnisse in detail nachvollziehen zu können, und Empfehlungen daraus abzuleiten. Es wäre interessant die einzelnen Aspekte nochmals genauer zu untersuchen. Und eventuell eine andere Vergleichsgröße zu wählen. Es bleibt schwierig verschiedene Leiterplatten zu vergleichen. Die andere Möglichkeit wäre für jede Leiterplatte die einzelnen Prozesse zu betrachten, um so für jede Leiterplatte spezifische Erkenntnisse zu gewinnen. Das weitere Voranschreiten der Miniaturisierung der Elektronik bringt aus ökologischer Sicht Vorteile mit sich. „Der positive Trend durch die Verkleinerung der Elektronik hat allerdings auf die Gesamtheit der Elektronik nur einen geringen



Einfluss. Betrachtet man die stofflichen Inhalte der pro Jahr eingesetzten IC-Gehäuse so überwiegt die Zunahme der Stückzahlen eindeutig die Abnahme von Material- und Energieeinsatz durch Miniaturisierung“ (Nissen N, 2002). Eine bessere Erschließung der Lebensläufe von elektronischen Bauteilen ist nötig, um die ökologische Bewertung genauer durchführen zu können. Durch die neuen gesetzlichen Rahmenbedingungen sind die Hersteller mehr an der Herkunft der Bauteile interessiert. Vermehrte Zusammenarbeit von Elektronikentwicklern und Umweltexperten um mögliche Lösungen zu erreichen wären sinnvoll, um aus der Bewertung vermehrt Lösungsstrategien zu entwickeln. Als Basismaterial der Leiterplatten wäre ein recyclierbares Material wünschenswert. Eine einfache Trennung von Trägermaterial und Kupferlagen könnte die Menge des recyclierbares Restes erhöhen, und dadurch die Umweltbilanz verbessern. Generell bringen Einsparungen des Kupfers relevante ökologische Verbesserungen mit sich. Der grosse Beitrag den die ICs am an die Umweltbelastung verursachen, ist ein Argument, um die Anstrengungen voranzutreiben, elektronische Schaltungen mit möglicht wenigen ICs herzustellen. Der Transport, die Lagerung und Verpackung der Bauteile könnten einen Anteil an der Umweltperformance von bestückten Leiterplatten haben. Dies müsste genauer untersucht werden.



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Anhang

Inhaltsverzeichnis Anhang

A1 Beschreibung der Funktion elektronischer Bauteile

A2 Ablauf einerEcoindicatorbeweretung

A3 Verwendete Prozesse und ihre Ecopunkte

A4 Leiterplattenherstellung

A5 Elektronische Bauteile Stoffübersicht

A6 Sachbilanzen

A7 Homepages der partizipierenden Firmen

A8 Anfrageblätter Bauteile-Hersteller

A9 Beschreibung der benutzen Datenbanken

A10 Vergleich: 1kg Leiterplatte mit 1kg Kupfer

A11 Aufgabenstellung

A12 Vertrauliche Anhänge



A1 Beschreibung der Funktion elektronischer Bauteile Passive Bauteile Ein Kondensator wird verwendet zur Speicherung von elektrischer Energie in einem elektrischen Feld. Er besteht aus zwei Leiteroberflächen, den Elektroden, die durch einen dazwischenliegenden Isolator, das Dielektrikum, getrennt sind. Diese Bauteile werden in elektronischen Schaltungen in SMD und THD Technologie verwendet. Ein Widerstand erzeugt einen ohmschen Widerstand in elektrischen und elektronischen Schaltungen. Die wichtigsten Technologien stellen Schichtwiderstand, Drahtwiderstand und Potentiometer (Veränderbarer Widerstand)( Bezth, K. & Beuth, O. 2000). Ein Schalter ist ein Bauteil, durch welches eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt oder getrennt werden kann. Mit einem Taster kann eine Schalterfunktion ausgeübt werden. Ein Transformator dient dazu elektrische Wechselspannungen zu transformieren, also zu erhöhen oder verringern. Sie bestehen aus Drahtspulen auf einem Eisenkern die sich in einem magnetischen Feld befinden. Aktive Bauteile (Halbleiter) Als Halbleiter wird vorwiegend dotiertes Silizium eingesetzt. Silizium ist eines der häufigsten Elemente der Erdkruste, allerdings muss es für die Verwendung als Halbleiter in reiner kristalliner Form bezogen werden. Eine Diode erzeugt eine Gleichrichtung des Stroms da sie nur in einer Richtung durchlässig ist. In die andere Richtung sperrt die Diode bis zur sogenannten Durchbruchsspannung. Eine Leuchtdiode (LED für Light Emitting Diode) strahlt Licht ab, während durch die Diode Strom in Durchlassrichtung fließt. Ein Transistor wird zum Schalten und zum Verstärken von elektrischen Strömen und Spannungen verwendet. Eine Fotodiode kann Licht in einen elektrischen Strom umwandeln. An einem p-n-Übergang, der sich hinter einer transparenten Elektrode befindet. geschieht dies durch den „Inneren Fotoeffekt“. Eine integrierte Schaltung, (IC für integrated circuit) ist eine elektronische Schaltung, die auf einem einzigen Stück Halbleitersubstrat (Chip) integriert ist. Die Größe des Substrats beträgt dabei i.d.R. nur wenige Quadratmillimeter und ist noch erheblich kleiner als das umgebende Gehäuse des ICs, welches die eigentlichen elektrischen Anschlüsse zum Verlöten bereithält. Integrierte Schaltkreise bilden heute die Grundlage jeglicher komplexer Elektronik, insbesondere der Computertechnik. Die integrierten Schaltungen (ICs) bestimmen die Funktion einer Leiterplatte (eines elektronischen Gerätes). Ein Flüssigkristallanzeige (LCD für liquid crystal display), ist ein (Flach-) Bildschirm, bei dem zur Bilddarstellung spezielle Flüssigkristalle genutzt werden. Diese Flüssigkristalle können die Polarisationsrichtung von Licht beeinflussen. Eine LED-Siebensegmentanzeige zeigt die dezimalen Ziffern 0 ... 9 durch Kombination von sieben Leuchtdioden an. Die hier untersuchten Anzeigen bestehen aus vier nebeneinander liegenden Siebensegmentanzeigen. Ein Drehgeber ist ein drehbahrer Encoder welcher eine Drehung oder Position in einen Code von elektronischen Impulsen umwandelt.A : Bauteilbewertung Leiterplatten


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A2 Ablauf einerEcoindicatorbeweretung

Abb. A1 Ecoindicator99: Charakterisierung (1)

Abb. A2: Ecoindicator99:Schadensabschätzung (Zsmf. in Schadenskategorien)(2)

Abb. A1 Ecoindicator99:Normalisierung (Multiplikation mit Normalisierungsfaktoren)(3)



Abb. A2 Ecoindicator99:Gewichtung (Multiplikation mit Gewichtungsfaktoren)(4)

Abb. A3 Ecoindicator99:Einzelergebnis (5)



A3 Verwendete Prozesse und ihre Ecopunkte Tab. A1 Stoffe und die dafür verwendeten Datensätze in Simapro

Stoff Cas NR Datansatz Schadenskategorie: Ecoind99-Punkte Verwendet Total Menschl.

Gesundheit Ökosystem-Qualität

Ressourcen

Aluminium 7429-90-5 Aluminium 0% recycled ETH S

0.764 0.413 0.0461 0.304

Aluminiumoxid 1322-28-1 Aluminium oxide

0.14 0.0573 0.00402 0.0783

Aluminium-Papier - Aluminium Foil B250

0.583 0.261 0.0232 0.299

Antimontrioxid (Sb2O3)

1309-64-4 *

B202 Barioumdioxide

1404-29-6 *

Barium Titanate 12047-27-7

PZT Piezo-electric ceramic

14.3 6.18 0.59 7.58

Blei 7439-92-1 Lead ETH S 0.638 0.141 0.379 0.118Brom 7726-95-6 Chlorine

ETH S 0.0382 0.0195 0.0046 0.0141

CEM-3 - * Chrom 7440-47-3 Chromium

ETH S 0.949 0.441 0.056 0.452

Kobalt 7440-48-4 Cobalt I 6.34 0.141 5.95 0.244Dotierungsstoffe - * Eisen 7439-89-6 Crude iron

ETH S 0.078 0.0382 0.014 0.0258

Stahl - X10Cr13 (mart 410) I

0.127 0.0452 0.0119 0.0703

Epoxydharz 25068-38-6

Ethylene Glycol 107-21-1 Ethylene oxide/glycol ETH S

0.341 0.081 0.0122 0.248

Fiberglas 65997-17-3

Glass fibre I 0.048 0.0148 0.00457 0.0287

GaAsP/GaP - * Gold 7440-57-5 * Kohlenstoff 12424-49-

6 *

Kupfer 7440-31-5 Copper

ETH S 1.4 0.285 0.0686 1.05

Kupferlegierung - CuNi10Fe I 2.46 1.19 0.139 1.14Magnesiumoxide 1309-48-4 Manganese

ETH S 0.243 0.122 0.0332 0.0885

Mangan 7439-96-5 Manganese ETH S

0.243 0.122 0.0332 0.0885

Metallaluminat - * Nickel 7440-02-0 Nickel I 3.84 2.58 0.16 1.1Noryl - Mischung

PS/PP

P.E.T 25038-59-9

PET ETH S 0.442 0.0964 0.0149 0.33

Papier - Phosphor 77423-14-



0 Polyproylene - PP ETH S 0.173 0.034 0.271 Pigmente - * Polyamid 169284-

22-4 PA 6 I 0.656 0.098 0.0145 0.544

Polycarbonat - PC ETH S 0.497 0.0987 0.0167 0.382Polydibromstyrene 148993-

99-1 PS (HIPS) I 0.362 0.0679 0.00915 0.285

Polyphtalamid - PA 6 I 0.656 0.098 0.0145 0.544Polyurethan 65916-86-

1 PUR hardfoam ETH S

0.412 0.216 0.033 0.163

Schwefel 505-60-7 Sulphur I 2.84E-14 5.64E-15 1.91E-15 2.09E-14Silber 7440-22-4 * Silberpaste - * Silikonkarbid 409-21-2 Silicon

Carbide 0.207 Silizium 7440-66-6 Silicon I 0.258 0.0981 0.014 0.146Siliziumdioxid 14808-60-

7 Sand ETH S

0.000948 0.000247 0.000315 0.000386

Tantalum 7440-31-5 * Teflon (-spacer) - * Titandioxide 13463-67-

7 * Wolfram 7440-33-7 Tungsten I 0.89 0.35 0.244 0.296Zink 7440-66-6 Zinc I 0.427 0.147 0.0552 0.225Zinn 7440-31-5 Tin I 16.5 0.248 0.0316 16.2Zusätze - *



Tab. A2 Hilfsstoffe und Energie und die dafür verwendeten Datensätze in Simapro

Stoff Cas NR

Datansatz Schadenskategorie: Ecoind99-Punkte

Verwendet Total Menschl. Gesundheit

Ökosystem-Qualität

Ressourcen

Salzsäure 7647-01-0

HCl ETH S 0.0389 0.0198 0.00469 0.0144

Schwefelsäure 7664-93-9

H2SO4 ETH S 0.0216 0.0115 0.00134 0.00869

Ammoniak 1336-21-6

Ammonia 0.0481 0.00198 0.0000681 0.0461

Anorganische Chemikalien

- Chemicals inorganic ETH S

0.051 0.0223 0.0044 0.0243

Organischen Chemikalien

- Chemicals organic ETH S

0.0978 0.0425 0.00926 0.046

Soda (Na2CO3·10H2O)

497-19-8

Soda ETH S 0.0415 0.0246 0.00296 0.0139

NaOH 1310-73-2

NaOH ETH S 0.0382 0.0195 0.0046 0.0141

Formaldehyd 50-00-0 Formaldehyde ETH S

0.253 0.009 0.00172 0.242

Wasser - Water decarbonized ETH S

2.63E-06

1.17E-06 3.62E-07 0.0000011

Melamine - Melamine I 0.217 0.0119 0.00226 0.203P.E.T Film - PET film A 0.515 0.207 0.0211 0.287Karton - Packaging

carton ETH S 0.0601 0.0256 0.00746 0.0271

Elektrizität Strom - Electricity LV use in CH + imports S

2730 1120 781 834

Elektrizität Strom

Electricity LV use UCPTE S

7260 3730 891 2640

Gas - Heat gas B250 0.00407 0.000526 0.0000327 0.00351Öl - Heat industrial

furnace lowS CH S

6030 1190 432 4410

Wasserstoffoperoxid 7722-84-1

*

VOC - Voc Emission 0.0168 0.0168 CO 2 124-38-

9 CO2 Em. 0.0057 0.0057

NO* - Nitric oxide Em.

4.25 3.57 0.686

CLO - *


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