AZ RoHS ÉS KÖVETKEZMÉNYEI

Átírás

1 AZ RoHS ÉS KÖVETKEZMÉNYEI Elıadja: Horváth Barbara BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY Az RoHS-direktíva elıírásai Veszélyes anyagok elektromos és elektronikus berendezésekben való alkalmazásának korlátozásáról július 1. (EU tagállamaiban) Pb, Hg, Cd, Cr/VI/, PBB, PBDE Max. 0,1 tömegszázalék (Cd: 0,01 %) Importáláskor az Európán kívüli elektronikai és elektromos berendezéseket gyártóknak is be kell tartaniuk ezeket a szabályokat Érinti: Háztartási nagygépek Háztartási kisgépek IT és távközlési berendezések Szórakoztató elektronikai cikkek Világítótestek Elektromos és elektronikus szerszámok (kiv. nagymérető ipari) Játékok, szabadidıs, sportfelszerelések Adagoló automaták Kivétel: Már meglévı készülékek és berendezésekhez gyártott alkatrészek Termékek, melyek egy készülék újbóli forgalomba hozatalához szükségesek Orvosi berendezések (errıl még viták folynak) Fegyverek, muníció, harci anyagok 2/35 következményei 1

2 RoHS által tiltott anyagok 3/35 Az RoHS által tiltott anyagok felhasználásai Ólom (Pb): -forraszanyag -festékanyag (vörös) Kadmium (Cd) -stabilizátor -felületvédelem -festékanyag (sárga) Higany (Hg): -mérıeszközök -higanygızlámpák -amalgám Hat vegyértékő króm (Cr /VI/) -alkatrészek kimenetének passziválására -korrózióálló festékekben Polibrómozott bifenil (PBB), Polibrómozott difenil-éter (PBDE) -égéskésleltetı 4/35 következményei 2

3 Az RoHS által tiltott anyagok egészségügyi veszélyei Ólom (Pb): -gátolja a vér vörösvérsejtjeinek felépülését -gyermekeknél szellemi visszamaradottság -rákkeltı hatás -egyéb szellemi és testi tünetek Kadmium (Cd) -kumulatív méreg -vesében halmozódik fel -vese és szívelégtelenség -rendkívüli csonttörékenység -rákkeltı hatás -itai itai betegség Japánban Higany (Hg): -gátolja a fitoplanktonban végbemenı fotoszintézist -heveny és idült mérgezés -ideggyulladás, emlékezetkihagyás -rák különféle változatai Hat vegyértékő króm (Cr /VI/) -erısen rákkeltı hatású -asztmatikus allergia -genetikai módosító hatással bír -belélegzése a legveszélyesebb Polibrómozott bifenil (PBB), Polibrómozott difenil-éter (PBDE) -felhalmozódnak az élı szervezetben -máj és idegrendszer fejlıdési zavarai -hatással vannak a pajzsmirigy hormonjaira -rákkeltı 5/35 Ólommentes forrasztás RoHS (számunkra) legfontosabb eredménye: Ólommentes forrasztás Olvadáspontja magasabb (magasabb megömlesztési hımérséklet) Felületi feszültsége nagyobb (rosszabb a terülés, ill. a nedvesítési sebesség is kisebb a forrasztási hımérsékleten, így hosszabb ideig tart a forrasztás) Nagyobb a viszkozitás (megnı a gázzárványok elıfordulásának esélye) Drágább (magas óntartalom miatt) Sőrősége kisebb (kb. 7,5 kg/dm 3, szemben az eddigi 8,4 kg/dm 3 -rel) -> jobb a fajlagos anyagfelhasználás. 6/35 következményei 3

4 Ólommentes forrasztás ellenérvei Negatív behatás a termék minıségében és megbízhatóságában, valamint a teljesítmény magas költségei miatt fıleg kis vállalatoknál anyagiak miatt a szigorú feltételek csıdöt okozhatnak. Az ólommentes forrasztás nagyon drága újjászervezést és beállítást igényel a gépsorokban. Az ólommentes forrasztás miatti magasabb forrasztáspont miatt az alkatrészekben magasabb arányú a meghibásodás a nagyobb forrasztási hımérséklet miatt Nem ismert a hosszútávú hatása az ólommentes forraszoknak, kérdéses, hogy évek multán romlik-e a megbízhatósága az elektronikai alkatrészeknek 7/35 Ólommentes forrasztás ellenérvei Ón pestis: ón allotrópiájának következménye; hőtés során kb. 13 C alatt a gyémántrácsú ón tetragonális rácsúvá alakul (nagyon lassú folyamat), és az átalakulást kísérı fajlagos térfogat okozta feszültségek hatására a tárgy szétporlik Az ólmot helyettesítı arany illetve ezüst bányászásakor hatalmas mennyiségő higany-szennyezıdés szabadul fel. Életciklus analízisek mutatják, hogy annak ellenére, hogy az ólom mérgezı hatása megszőnik, az ólommentes forrasztás is igen környezetszennyezı hatású. 8/35 következményei 4

5 Az ólommentes forrasztás környezetre gyakorolt hatása Életciklus szakaszok: INPUT ÉLETCIKLUS SZAKASZOK OUTPUT Nyersanyag kinyerés (elıkészítés) Erıforrás Alapanyag Energia Anyag feldolgozás (elıkészítés) Termékgyártás Termékhasználat (alkalmazás) Hulladéklerakás (end-of-life) Hulladék Termék Emisszió Tanulmányban vizsgált forraszanyagok: SnPb SnCu SAC SABC 63% Sn / 37% Pb 99,2% Sn / 0,8% Cu 95,5% Sn / 3,9% Ag / 0,6% Cu 96% Sn/ 2,5% Ag /1% Bi /0.5% Cu 9/35 Az ólommentes forrasztás környezetre gyakorolt hatása 16 kategória: 1-3. Különbözı forrás szükségletek 1. Nem megújuló forrás használata 2. Megújuló forrás használata 3. Energiahasználat 4. Szükséges hulladéklerakási terület 5-8. Levegıbe kibocsátott gázok hatásai 5. Globális felmelegedés 6. Sztratoszferikus ózoncsökkenés 7. Fotókémiai szmog 8. Savas esı képzıdés 9. Levegıbe kibocsátott szilárd szennyezık Vízbe kibocsátott szennyezık 10.Víz eutrofizálódás 11.Víz minıség Egészségügyi hatások 12.Foglalkoztatottak egészségromlása (nem rákos) 13.Foglalkoztatottak egészségromlása (rákos) 14.Közegészség károsítás (nem rákos) 15.Közegészség károsítás (rákos) 16.Vizek ökoszennyezése 10/35 következményei 5

6 1-3. Különbözı forrás szükségletek 1. Nem megújuló forrás használata: tipikusan abiotikus folyamatok útján létrejött anyagok, mint az ásványok vagy fosszilis energiaforrások. 2. Megújuló forrás használata: olyan természetes források, amiket újból lehet termelni, mint a faáruk, állati és növényi alapanyagok, víz. 3. Energiahasználat : Az összes elektromos és üzemanyag alapú használat szükségességét 4. Szükséges hulladéklerakási terület: A kialakult szilárd, veszélyes és rádióaktív hulladék mennyiségén alapul [m3]. A szilárd hulladékot a városi szemét és építési hulladékok közé teszik egy kijelölt hulladéklerakóhelyre (ami egy természeti erıforrásnak tekinthetı). A veszélyes hulladékot egy kijelölt, speciális hulladéklerakó területre viszik. 11/ Levegıbe kibocsátott gázok hatásai 5. Globális felmelegedés Elmúlt 150 évben 0,6-0,8 C-kal n ıtt a Föld felszínközeli hımérséklete Következményei: globális éghajlatváltozás, csapadékeloszlás, vegetációs zónák eltolódása, valamint jégolvadás miatt a tengerszint emelkedés. A széndioxid (CO2) és a többi ártalmas gázok felgyülemlése üvegházhatást okoz. Ennek mértéke az anyag GWP faktora (Global Warming Potential): egy adott gáz globális felmelegedést okozó hatása a széndioxid ugyanilyen hatásához viszonyítva, egy 100 éves periódusra vetítve (a széndioxid GWP értéke 1). 12/35 következményei 6

7 5-8. Levegıbe kibocsátott gázok hatásai 6. Sztratoszferikus ózoncsökkenés Az utóbbi években a földi élet számára veszélyes ultraibolya sugárzás nagy részét kiszőrı sztratoszferikus ózonréteg globálisan is vékonyodik. Az ózon csaknem teljesen elnyeli az érkezı ultraviola sugárzást, aminek földfelszíni erısödése károsíthatja az emberek és állatok egészségét, a földi és vízi ökoszisztémákat, a biokémiai körforgást és az anyagokat. Olyan megbetegedéseket okoz, mint a bırrák és a szürke hályog. Vegyszerek, mint például a klór-fluor-karbonok (CFC-k CF 2 Cl 2, CFCl 3 ) az atmoszférába kerülve ózont károsító vegyi reakciókba lépnek: Cl + O 3 ClO + O 2 ClO + O 3 Cl + 2 O 2 Ennek mértéke az anyag ODP faktora (Ozone Depletion Potential ): egy adott gáz sztratoszferikus ózoncsökkenést okozó hatása a CFC-11 ugyanilyen hatásához viszonyítva (a CFC-11 ODP értéke 1). 13/ Levegıbe kibocsátott gázok hatásai 7. Fotókémiai szmog Kialakulásának feltételei: Erıs napsugárzás (UV-sugárzás) Kibocsátott szennyezések (No x, szénhidrogének, CO) Gyenge légmozgás Fıleg fosszilis tüzelıanyagok emissziójából keletkezik A napfény reakcióba lép olyan kibocsátott vegyszerekkel, mint a hidrokarbon és nitrogén oxid. Nagyobb koncentrátumban ez egészségkárosodást okoz, növénymérgezést, illetve bizonyos anyagokat károsít. Egy anyag a POCP faktora (Photochemical Oxidant Creation ): egy adott vegyszer fotokémiai szmogot okozó hatása az etilén ugyanilyen hatásához viszonyítva. 14/35 következményei 7

8 5-8. Levegıbe kibocsátott gázok hatásai 8. Savas esı képzıdés Alapvetıen megváltozott ph-értékő csapadék. Ez a talajba érve kivonja a tápanyagokat (Ca, Mg, K), ill. kioldja a nehézfémeket, belemosva a talajvízbe azt növények állatok mi. Az elsavasodás értékek az olyan vegyszerek kibocsátásának mennyiségét mérik, ami hozzájárulnak ahhoz, hogy elpárologva lecsapódjon, majd savas esıt képezzen. Ezért elsısorban a kéndioxid (SO2) és a nitrogénoxidok (NOx) okolhatók. Egy anyag AP (Acidification Potentials) faktora megadja az adott anyag adott mennyiségébıl képzıdı hidrogén-ion számot, ami savas esıt okoz, ami ekvivalens az adott anyag a kéndioxid (SO2) ezen értékéhez viszonyítva. 15/35 9. Levegıbe kibocsátott szilárd szennyezık Levegıbe kibocsátott és felgyülemlı szilárd szennyezıkre vonatkozik. Ezek fıként az égéstermékekbıl (pernye, korom) valamint a talajfelszínrıl, cementiparból, kohászatból és egyéb más ipari porból származnak. A 0,25 10 µm mérettartomány az, ami leginkább károsítja a légzıszerveket, 10 µm feletti részecskéket a felsı légutak visszatartják, és a 0,25 µm alattiakat pedig kilélegezzük. Viszont a 0,25-10 µm közötti tartomány (PM 10 ) a tüdıben reked, és szilikózist okozhat, aminek hatására a tüdı légzı felülete lecsökken és az erek egy része elzáródik. Elısegítı körülmények: szélcsendes idıjárás magas légnyomás magas relatív páratartalom C közötti hımérséklet légszennyezés: SO 2, por, korom 16/35 következményei 8

9 Vízbe kibocsátott szennyezık 10. Víz eutrofizálódás Eutrofizáció: növényi tápanyagok hatására egy adott víztestben a növények elszaporodnak. Fıként a nitrogén és a foszfor szennyezés hatására alakul ki. A partmenti vizek tápanyagokkal való túlterhelése túlzott fitoplankton növekedést eredményez (virágzás). - Hatása: Egész vízfelszínt elborítja, és meggátolja, hogy a fény az alsóbb vizeket is elérje. Ez megállítja a mélyebb rétegekben a növények növekedését, és csökkenti a biológiai diverzitást. 17/ Vízbe kibocsátott szennyezık 11. Víz minıség A természetes vizekbe eresztett szennyvíz oxigénhiányt és zavarosságot okoz a vízben. Két érték van, ami meghatározza ennek a kategóriának az értékét: BOD (Biochemical Oxygen Demand) ami megadja, hogy mennyi oxigén szükséges ahhoz, hogy biológiailag szétbomlassza a szerves anyagokat a vízben; illetve a TSS (Total Suspended Solids), ami hulladékanyagok összmennyiségét takarja. 18/35 következményei 9

10 Egészségügyi hatások Egészségügyi szempontok Az emberi egészségre a krónikus, hosszú idın át ismétlıdı behatás ártalmas. Ezek a hatások lehetnek rákkeltık, mérgezıek, okozhatnak fejlıdési rendellenességeket, idegrendszeri betegségeket, immunbetegségeket, viselkedési problémákat és sugárzási betegségeket. Az egészségügyi hatásokat egyik csoportosítási módja: rákkeltı és nem-rákkeltı (azaz mérgezı). Ezeket mind a foglalkoztatottaknál, mind a közegészség szempontjából vizsgálni kell. A közegészség szempontjából az életciklus folyamatok során fıleg az output-okat kell vizsgálni, mivel a kibocsátott szennyezıdések a lakosságot érintik. A foglalkoztatottaknál fıleg az input-okat kell figyelni, mivel ık találkoznak a feldolgozott anyagokból származó szennyezıkkel. 19/ Egészségügyi hatások 12. Foglalkoztatottak egészségromlása (nem rákos): A kategória értékét a technológiai folyamatok során felhasznált anyagok mérgezési hatása adja meg. A mérgek fıleg orális vagy inhalálás útján kerülnek a szervezetbe. 13. Foglalkoztatottak egészségromlása (rákos): A kategória értékét a technológiai folyamatok során felhasznált anyagok rákkeltı hatása adja meg. A mérgek fıleg orális vagy inhalálás útján kerülnek a szervezetbe. A pontértékeket a rákos betegségek kialakulásának hazárd faktorával (HV) határozzuk meg. Néhány anyagnak kutatások alapján meghatározták a HV faktorát, az ebbıl a szempontból ismeretlen hatású anyagokat a Nemzetközi Rákkutatási Ügynökség (IARC) WOE (Weight of Evidence) kategóriákba csoportosított 20/35 következményei 10

11 Egészségügyi hatások 14. Közegészség károsítás (nem rákos) : Az ebben a kategóriában szereplı értékek azoknak a lakosoknak az egészség károsodását mutatják, akik közel élnek olyan létesítményekhez, ahol folyamatosan mérgezı anyagokat bocsátanak ki. A pontérték nagysága a mérgezı vegyszer fajtájától és mennyiségétıl függ, amit a levegıbe, vízbe és a talajba bocsátanak. 15. Közegészség károsítás (rákos) : Az ebben a kategóriában szereplı értékek azoknak a lakosoknak az egészség károsodását mutatják, akik közel élnek olyan létesítményekhez, ahol folyamatosan rákkeltı anyagokat bocsátanak ki. A pontérték nagysága a rákkeltı vegyszer fajtájától és mennyiségétıl függ, amit a levegıbe, vízbe és a talajba bocsátanak. 16. Vizek ökoszennyezése: A nem emberi élı organizmusokat érı kémiai behatásokra utalnak. A szennyezést leginkább olyan organizmusokon lehet lemérni, amik a tengerben élnek, így halakat vettek mintának. 21/35 Egy hatás pontértékének számítása n IS Globális felmelegedés: GW = ( EFGWP AmtGG ) i i= 1 IS GW - az adott i gáz pontértéke globális felmelegedés szempontjából[kg/1000cm 3 ] EF GWP - az adott i gáz GWP faktora Amt GG - a kibocsátott globális felmelegedést okozó i gáz mennyisége [kg/1000cm 3 ] 22/35 következményei 11

12 Az ólommentes forrasztás környezetre gyakorolt hatása Újraömlesztéses forrasztás 23/35 Az ólommentes forrasztás környezetre gyakorolt hatása Hullámforrasztás 24/35 következményei 12

13 RoHS analízis XRF készülékkel XRF (X-Ray Fluorescense) Roncsolásmentes vizsgálat. Röntgensugárzást bocsát a vizsgálandó mintára, amely így az anyagra jellemzı karakterisztikus röntgensugárzást bocsátja vissza. Melyik tiltott anyag mérhetı vele? Egyértelmően vizsgálható: ólom, kadmium és a higany. Króm és a bróm esetén csak magát az anyagot mutatja ki, a szerkezetét nem! Ha a bróm ill. króm tömegszázaléka < 0,1%, akkor egészen biztos, hogy a megengedett szintnél kevesebb található a vizsgált mintában. Ha a bróm ill. króm tömegszázaléka > 0,1 %, akkor az eredményünk az RoHS kompatibilitás szempontjából kétséges. Ilyenkor jó megoldás a GC-MS (Gas Chromatography Mass Spectrometry) mérés, amivel konkrétan megvizsgálhatjuk az adott anyag molekuláris szerkezetét. Ez viszont roncsolásos vizsgálat. 25/35 RoHS analízis XRF készülékkel Ólommentes forrasztás 26/35 következményei 13

14 RoHS analízis XRF készülékkel Ólmos forrasztás 27/35 Bevonatok Nyákokon Az Sn/Pb bevonatok lecserélıdtek ólommentesre: Ólommentes HASL (Hot Air Solder Leveling) Immerziós Sn Immerziós Ag OSP (Organic Solderability Preservative) ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) 28/35 következményei 14

15 Bevonatok Nyákokon Réz oxidációja elleni védelem A bevonat megırzi a felület jó forraszthatóságát forrasz ENIG Imm. Ag bevonat OSP Imm. Sn HASL 29/35 HASL (Hot Air Solder Level) Bevonat SnCu SnCuAg stb. Elınye Többszörösen forrasztható Sokáig tárolható Olcsó Hátránya Egyenetlen felület Bevonó-medencét korrodálja panel folyasztószer 1. lépés 2. lépés fúvóka olvasztott forrasz 30/35 következményei 15

16 OSP (Organic Solderability Preservative) Bevonat Víz-bázisú szerves elegy: Benzotriazol Benzimidazol Elınye Egyszerő technológia Nagyon olcsó Sima felület Majdnem láthatatlan Hátránya Korlátozott tárolhatóság Korlátozott számú forraszthatóság Néhány fajta flux-szal nem kompatibilis solder finishing 31/35 ENIG (Electroless Nickel/Immersion Gold) solder Bevonat Ni + Au finishing Elınye Többszörösen forrasztható Sokáig tárolható Jó nedvesítés Hátránya Bonyolult technológia Black pad effektus Drága 32/35 következményei 16

17 Kémiai technológiák Árammentes ( kémiai ) fémbevonat-készítés Me n+ + redukáló anyag = Me pl. CuSO 4 + 4NaOH + 2HCHO = Cu+2HCOONa + Na 2 SO 4 + H 2 + 2H 2 O A hordozó felületét aktiválni kell. Mővelete a kémiai redukción alapul, amit az aktiváló részecskék inicializálnak. Fı felhasználása, hogy fémezze az elszigetelt furatok falát. Immerziós lerakódás Me2 Me2 k + + ke Me1 n + + ne Me1 Me2 Me1 n+ Nincs szüksége se tápra, se aktiválóra. A munkadarab anyaga (Me2, csak fém lehet) oxidálódik, az elektronjait transzmittálja az Me1n+ -ba, ami így redukálódik és lerakódik a munkadarab felületére. A folyamat feltéle, hogy az Me2 normál potenciálja negatívabb legyen, mint az Me1-é. 33/35 Immerziós ezüst 2Ag + + Cu 2Ag + Cu 2+ solder Bevonat Ag Elınye Egyszerő technológia Olcsó Többszörösen forrasztható Hátránya Korlátozott tárolhatóság (vákuumcsomagolás kell) Kloridos vagy szulfidos atmoszféra oxidálja finishing 34/35 következményei 17

18 Immerziós ón Sn Cu Sn + 2Cu + solder Bevonat Sn Elınye Egyszerő technológia Olcsó Hátránya Whisker kialakulás veszélye Korlátozott tárolhatóság Korlátozott számú forraszthatóság Whisker finishing 35/35 következményei 18