LCA Esettanulmányok
Ólommentes forrasztás LCA vizsgálata Stuttgarti egyetem
1
LCI–– Aatforrások / Hatókör LCI Életút állomás
Adatforrás
Hatókör
Nyersanyag előállítás
Suppliers, USGS, Mining companies (Secondary Data)
Less Emphasis
Forraszanyag előállítás
Solder Suppliers/ Manufacturers, (Primary Data)
Greater Emphasis
Forraszanyag használata
PWB Assemblers and OEMS (Primary Data)
Greater Emphasis
Termék használat, (újrahasználat), fenntartás
PWB Assemblers, OEMS, Other Studies (Secondary data)
Less Emphasis
Életút vége, lerakás
Solder Recyclers, OEMS, Other Studies (Primary and/or Secondary data)
Greater Emphasis
Hatáskategóriák
2
Energiahasználat
Hozzájárulás az üvegházhatáshoz (GWP)
3
Hozzájárulás a savasodáshoz (AP)
Emberi toxikus hatás (HTP)
4
Eredmények a teljes életút figyelembe EPA Center for Clean Products, 2005 vételével
jun
NRR: nemnem-megújuló természeti erőforrások
5
Rákkeltő anyagok
Nem-rákkeltő anyagok
6
7
Nyomtatott huzalozású lemez NYHL, NYÁK, PCB, PWB
• Szinte minden elektronikai termékben megtalálható • Szinte mindig a környezetterhelés fő hozzájárulói között van
8
Technológiai lépések
Környezeti hatások
• Hordozó előállítás
• Hőre nem lágyuló polimer, üvegszálas kompozit • Kezelőfürdők (6(6-8)
– (Fúrás)
• Furatfémezés • Rajzolat kialakítás – – – – –
Fotolitográfia Szitanyomtatás Galvanizálás Maratás Védőlakk felvitel
• Felületkikészítés – Ag, Au, Ni, Sn bevonat
• Beültetés, forrasztás
– Kezelő, öblítő oldatok hulladékai – Kimerült maratók (Cu-tart) – Szerves oldószerek - VOC
• Cianidos fürdők • Ólommentes
LCA eredmények • Adatbázisokban megtalálható: 1 dm2, kiskis-közepes közepes-nagy alkatrész sűrűségű • Probléma: – Nagyon sokféle párhuzamos technológiai megoldás – Kis- közepes- nagyüzemi előállítás – Rétegszám 1-2-4-…-16
• Ipari osztályozás bonyolultsági szint szerint (rajzolatfinomság, furatméret, ~alkatrész~alkatrészsűrűség), együttlaminált vagy szekvenciális technológia
9
LCA eredmények Nagyobb vizsgálatok az RoHS direktíva kapcsán, elsősorban az ólommentes forraszanyagok használatáról Alapvető probléma: Az ólom károsító hatása főképp az életút végén a hulladékká váláskor jelentkezik (krónikus betegségek, ökotoxicitás) Az alternatív forraszok az előállítás során okoznak nagyobb terhelést (nyersanyagenergia-fogyasztás)
Ólommentes forrasztás • Forrasztási technológiák: – Hullámforrasztás – Újraömlesztéses (reflow) Mindkét esetben a teljes panel melegszik
• Új tényezők, következmények: – Többféle forraszösszetétel – Magasabb op, kisebb technológiai ablak, – Nagyobb hőtűrésű műanyagok – Gyengébb nedvesítés ⇒ új felületkikészítési eljárások: Ag, Au, Ni (gyakran cianidos Ag, Au fürdők)
10
1.
N.Warburg IKP University of Stuttgart,
2002
• RoHS előtt 4 évvel, nem volt tapasztalat az életút végéről, ezért a rendszerhatár a nyersanyag felhozataltól a gyárkapuig (a használati fázisban nincs különbség) • Funkcionális egység: 1 kg forrasz (sűrűség(sűrűségkülönbség ~ 15 %) inkább a térfogat a jellemző • Csak reflow, hullám nem • Kétféle ólmozott, 8 ólommentes forrasz: Sn (>90%), Ag, Cu, Zn, Bi • 5 hatáskategória + energiaigény
2. J.R.Geibig, J.R.Geibig, M.L. Socolof: Socolof: Solders in Electronics: A LifeLife-Cycle Assessment EPA,2005 • Egy ólmos és négy ólommentes forrasz • Funkcionális egység 1000 cm2 NYÁK • Teljes életciklus, hulladék kezeléssel együtt • Reflow és hullámforrasztás • GaBi szoftver, 16 hatáskategória, azok között már nem végeztek összehasonlítást
11
3. C.Alvarado Ascencio, J. Madsen: LCA comparison of alternative soldering techniques 2005 Pre • EFSOT projekt (Environment –Friendly Soldering Technology) • Két ólmos, három ólommentes forrasz • Kiterjed a felületkikészítő műveletekre • Eco Eco-indicator 99 alkalmazása, részben továbbfejlesztése az értékelés szakaszban (pl. term. erőforrások fogyása, egészségkárosítás) • Funkcionális egység: 1 cm2 NYÁK, • Reflow és hullámforrasztás
4. O.Deubzer:
Explorative Study into the Sustainable Use and Substitution of Soldering Metals in Electronics PhD Thesis, TU Delft 2007
• •
Fenntarthatóság – ólommentes – ajánlások Vizsgálta: – – – –
Forraszok és felületkikészítő anyagok Fémércek előállítása, forrasz-ötvözetek előállítása Forrasztási technológiák a NYÁK-gyártásban Életút vége, különös figyelemmel a fémekre
•
„Top-down” megközelítés: kiindulás a világ „Topel.ipara által használt össz. forrasz. Ebből vezeti le a kül. technológiai változatokat. ⇒ Globális környezeti következtetések.
•
Régi: „bottom„bottom-up” egyedi folyamatokból globális következtetések.
12
Eredmények
(Warburg)
• A teljes termék környezetterhelésében a forrasz nagyon kis tényező
Szinte minden hatáskategóriában a legnagyobb terhelő az Ag
Az ezüst szerepe • [2] GaBi ezüstre vonatkozó adatait lecserélte DEAM adatbáziséra (ECOBILAN) (Táblázat: Hány hatáskategóriában bizonyult a legnagyobb / legkisebb terhelőnek)
Forrasz paszta
GaBi adatbázis
DEAM adatbázis
Legmagasabb pontszám
Legmagasabb pontszám
Legkisebb pontszám
Legkisebb pontszám
SnPb
6
5
14
0
SAC
10
0
1
1
BSA
0
11
1
15
SABC
0
0
0
0
13
Alternatív kilúgozási teszt • Az ólomtartalmú forraszoknál a legnagyobb hatáspontok a nem rákos betegségek és a vízi toxicitás kategóriákban volt. A klasszikus (EPA) TCLP teszt (Toxicity Characteristic Leaching Procedure) helyett érzékenyebb módszer. Az eredmény: az SnPb forrasz maradt a legmagasabb ponttal, de az érték kb negyedére csökkent. [2]
Hatás kategória
Egység/ funkc. egység
Nemrákos betegs Vízi toxicitás
GaBi adatbázis
Alternatív
SAC
BSA
SABC
SnPb
SnPb
kg nemrákosnemrákostoxikus a.ekviv
1054
5010
7840
88000
24100
kg vizi toxikus a. ekviv
36,4
23,4
38,5
1270
276
A nemesfémek [3] • EFSOT: módszer a fémelőállítás karakterizációs faktorainak számítására: többlet (hozzáadott) energia (surplus energy) energy)
A forraszfémek összesített LCA eredményei
14
Felületkikészítés • Az új forraszok nedvesítése rosszabb a tiszta Cu felületen, kell egy felületi réteg • Ólmozottnál: SnPb (Hot Air solder Levelling) olvadékból • Ólommentesnél: NiAu, Ag, AuPd kémiai redukciós fürdőből, d<1µ d<1µm többi olvadékból
Az összes gyártott NYÁKNYÁKmennyiséghez szükséges felületkikészítés energiaigénye [4]
Reflow forrasztás Sokzónás (ábrán 10) kemence Nagy teljesítményű fűtés (infra) Szerves kötőanyag, gyanta kiég – VOC Legfőbb technológiai paraméter az olvadt állapot ideje, hőprofil Forrasz típus
Kemence teljesítmény (kW) VitronicsVitronics -Soltec
Intel
Átl. energia Átl energ. fogyasztás MJ/kg) hullámforr,
SnPb SAC BSA
8,3 9,1 6,8
23,3 25,2 15,7
412 (?) 447 (?) 297 (?)
58 67 -
SABC
9,1
25,2
447 (?)
-
15
Hulladék újrahasznosítás Életút vége: kevés megbízható adat a visszagyűjtési arányról • EPA [2] szerint: • Lerakás 72% • Égetés 19% • Recycling – Szétszerelés és rézkohó 4,5% – Szabályozatlan 4,5%
• Deubzer [4]: újrahasz újrahasznosítás hatása a primer nyersanyag igényre • Gyártási hulladék recycling – Hullámforrasztásnál nagy – Reflow kevesebb
• EoL hulladék
Kohászati újrahasznosítás során a visszanyerhető fém kitermelési %-a [4]
Csak az EoL hulladékokra
16
EPA összegző táblázat
Pre összegző táblázat
• A hullámforrasztásnál vastagabb a réteg, több anyagot használnak SAC 3: SnAgCu, SnAgCu, 3%Ag ENIG: ~5µ ~5µm redukciós Ni és ~ 0,1µ 0,1µm immerziós Au SAC és SnPb: SnPb: olvadékba merítés és forrólevegős lefújás. ~ 5 5µ µm
17
Fényforrások • Lámpatípusok: – Normál izzók, halogénlámpák – Kisnyomású kisülőlámpák: normál fénycső, kompakt fénycső – Nagynyomású kisülőlámpák: Hg-gőz-, Na-, fémhalogén-, xenon lámpa – Szilárdtest fényforrások: LED, OLED
Követelmények • Fénytechnikai: – Színhőmérséklet (meleg fehér, hideg fehér) – Színvisszaadás CRI ≤ 1 normál izzó CRI = 1, többi kisebb. Megfelelő, ha CRI > 0,8.
• Hatásfok: – Fényhasznosítás: kibocsátott fényáram / felvett teljesítmény lm/w kisülőlámpáknál előtéttel együtt illik megadni
• Élettartam: – Normál izzó – Kisülőlámpák – LED-ek
~1000 óra 10- 20 000 óra 20 – 50 000 óra
18
Környezeti problémák • Alapanyagok – Hg: szinte minden kisülőlámpában < 5 mg/lámpa – Fényporok között toxikus anyagok
• Gyártás döntő része Kínában, nincsenek megbízható környezeti adatok, hosszú szállítás • Hulladék visszagyűjtés, újrahasznosítás • Fényszennyezés (LCA nem tartalmazza)
Hatásfok javulás és generáció váltások Várhatóan versenyben maradó fényforrások: • Kisnyomású HgHg-gőz (egyenes, kompakt) • Fém Fém-halogén • LED Kis és nagynyomású Na lámpák a rossz színvisszaadás miatt csak korlátozott területen használhatók
19
LCA erdmények • 4 vizsgált lámpatípus: – – – –
T5 fénycső Kerámiacsöves fémhalogén LED beépített előtéttel LED előtét nélkül, reflektorral
Mind a négy inkább közületi, nem lakossági használatra • Összehasonlításul
• Mindegyik 100 lm/W közelében (előtéttel együtt), és várhatóan 5-6 éven belül meg is haladják. • Nagyon különböző teljesítmény (12w – 100W)
– 23W-s kompakt fénycső – 100W-s normál izzó 5. Life Cycle Assessment of Ultra-Efficient Lamps (Department for Environment, Food and Rural Affairs)
2009, Defra
LCA cél, hatókör Típus • Ecoinvent adatbázis • Funkcionális egység: 1 Mlm Mlm-óra fényenergia kisugárzása
Izzó
Fényhaszno Élettartam -sítás óra lm/W
CRI
8 – 17
1 000
95 100
Halogén
10 – 30
2 000
95 – 100
• Beszámítva az előtétet, együtt épített lámpaházat
Kompakt
60 – 75
6 15000
70 -90
T5 fénycső
90 – 104
24 000
80 – 90
• Típusonként csak egy termék, egy gyártó, a gyártás zöme Kínában.
T8 fénycső
75 – 96
24 – 70000
80 – 90
LED + előtét
40 – 60
20 000
80
LED
45 – 65
50 000
80
Fémhalogén
75 - 90
12 000
80 - 90
20
LCA eredmények • Leltáradatok az ecoinvent adatbázisból. Ahol nem volt, hasonló anyaggal, technológiai lépéssel helyettesítettek (pl. lámpatest szerelés → LCD monitor szerelés, utóbbi biztos nagyobb terhelés)
LCA eredmények Hatásértékelés összesített adatai
Jelenlegi állapot állapot
2015-re várható
21
LCA eredmények (Rocky Mountain Institute)
Normál izzó és kompakt fénycső összehasonlítás • Hg emisszió • Fénycső gyakori ki/be kapcsolás – 1 óra: 80% élettartam – 15 perc: 30% élettartam 6. L. Ramroth: Comparison of Life-Cycle Analyses of Compact Fluorescent and Incandescent Lamps Based on Rated Life of Compact Fluorescent Lamp 2008
Levi Strauss & Co. San Francisco, CA March 2009
22
23
24
Dell Streak tablet szén szénlábnyom •
Élelmiszer LCA Húsfélék környezetterhelése
25
26
Akkumulátorok Rendszer határok:
COMPARATIVE LIFE LIFE-CYCLE ASSESSMENT OF NICKELNICKEL-CADMIUM (NiCd (NiCd)) BATTERIES USED IN CORDLESS POWER TOOLS (CPTs (CPTs)) VS. THEIR ALTERNATIVES NICKEL NICKELMETAL HYDRIDE (NiMH (NiMH)) AND LITHIUMLITHIUM-ION ((Li Li-ION) ION) BATTERIES • Summary Report
27
Autóakku
28
