Die Umweltrelevanz von Elektronikschrott bei der Deponierung

Somi, Geza

Die Umweltrelevanz von Elektronikschrott bei der Deponierung

Gelötete und leitgeklebte Leiterplatten

von Geza Somi (Autor:in)

Ingenieurwissenschaften - Allgemeines

Zusammenfassung

Inhaltsangabe:Einleitung:
Der Mensch war zu Beginn seiner Entwicklung in ein System von Produzenten, Konsumenten und Destruenten, in welchem alle anfallenden Abfälle anderen Mitgliedern wieder als Lebensgrundlage dienen, integriert. Infolge der Zunahme der Bevölkerungszahl und fortschreitender Zivilisation wurde die Anpassungsfähigkeit dieser natürlichen Abläufe überfordert. Insbesondere im Zuge der industriellen Revolution wurde die Menge des Abfalls und dessen Zusammensetzung zu einem Problem. Der Müll mußte aus Gründen der Hygiene und Toxizität aus der näheren Umgebung des Menschen entfernt werden. Die Beseitigung des Abfalls wurde zu einer zentralen Aufgabe unserer Gesellschaft.
Der traditionelle Umgang mit dem Abfall, nämlich dessen Deponierung (gegebenenfalls mit vorheriger Verbrennung), führte lediglich zu einer räumlichen und zeitlichen Verlagerung der Probleme und ist nach wie vor mit hohen Umweltbelastungen und Kosten verbunden. Deshalb ist es wichtig, nicht allein nachsorgende Umweltschutzmaßnahmen durchzuführen, sondern Perspektiven für eine wirkungsvolle Abfallvermeidungspolitik zu gewinnen und bei der Herstellung oder bereits bei der Konzeptionierung von Produkten anzusetzen.
Elektronikgeräte sind weit verbreitet und besitzen ein vielfältiges Stoffinventar. Nicht zuletzt die immer kürzeren Nutzungszyklen sowie die Tatsache, daß sich umfassende Recyclingkonzepte für Altgeräte erst in der Entwicklung befinden, führen zu einem stetig ansteigenden Elektronikschrottaufkommen, das zur Zeit bei ca.1,8 Mio. t pro Jahr in Deutschland liegen dürfte (Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umweltschutz, 1996). Ein erheblicher Anteil davon wird zusammen mit Siedlungsabfällen erfaßt und deponiert.
Innerhalb der Abfallgruppe des Elektronikschrotts gehören Leiterplatten wegen ihrer komplexen Zusammensetzung und aufgrund enthaltener Schadstoffe zu den verwertungsproblematischsten Bestandteilen. Untersuchungen von Nissen et al. (1999) am Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) haben ergeben, daß das als Verbindungsmaterial zwischen Leiterplatte und Bauteil gebräuchlicherweise eingesetzte bleihaltige Lot ein besonders großes toxisches Potential besitzt.
Ziel dieser Diplomarbeit ist es, den Grad der Umweltgefährdung des bleihaltigen Lotes im Vergleich zum silbergefüllten Leitkleber bei der Deponierung durch die anfallende Schwermetallbelastung des Deponiesickerwassers zu untersuchen. Dazu werden gelötete und geklebte […]

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

ID 1804

Somi, Geza: Die Umweltrelevanz von Elektronikschrott bei der Deponierung: gelötete und

leitgeklebte Leiterplatten / Geza Somi - Hamburg: Diplomarbeiten Agentur, 1999

Zugl.: Berlin, Technische Universität, Diplom, 1999

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Diplomarbeiten Agentur, http://www.diplom.de, Hamburg 2000

Printed in Germany

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis ...i

Abkürzungsverzeichnis ...ii

1. Einleitung ... 1

2. Grundlagen ... 3

2.1 Elektronikschrott ... 3

2.1.1 Allgemeines ... 3

2.1.2 Leiterplatten ... 5

2.2 Deponie... 8

2.2.1 Allgemeines ... 8

2.2.2 Sickerwasser ... 11

3. Verbindungstechniken in der Surface Mount Technology (SMT)... 13

3.1 Löten... 14

3.2 Leitkleben ... 16

4. Untersuchungen zum Umweltverhalten von gelöteten und geklebten

Leiterplatten bei der Deponierung... 18

4.1 Elutionsverfahren... 19

4.1.1 DEV-Verfahren... 25

4.1.2 NEN-Verfahren... 26

4.1.3 TCLP-Verfahren ... 27

5. Experimenteller Teil - Material und Methoden...28

5.1 Probenvorbereitung zur Elution... 29

5.1.1 Probenherstellung ... 29

5.1.2 Probenzerkleinerung ... 31

5.2 Durchführung der Elutionsversuche... 32

5.3 Spektrometrische Methode der Elementanalyse: ICP-OES ... 35

5.3.1 Analysengerät ... 37

5.3.2 Methodik der statistischen Auswertung... 40

5.4 Fehlerbetrachtung... 48

6. Ergebnisse und Diskussion... 52

6.1 Auswertung der Elutionsverfahren... 52

6.2 Vergleich der Untersuchungsergebnisse... 62

7. Umweltrelevanz der gelöteten und geklebten Leiterplatten... 69

8. Zusammenfassung ... 71

9. Literaturverzeichnis... 72

10. Verzeichnis der Tabellen und Abbildungen ... 78

Anhang

Abkürzungsverzeichnis

Abb.

Abbildung

AbfG

Abfallgesetz

BSB

Biochemischer Sauerstoffbedarf in 5 Tagen

CID

Charge Injection Device

CLP-M

Contract Laboratory Program - Modification

CSB

Chemischer Sauerstoffbedarf

Cts/s

Counts per second (Zählrate)

Tag

DEV

Deutsches Einheitsverfahren

DIN

Deutsches Institut für Normung

EDTA

Ethylendiamintetraessigsäure

EPA

Environmental Protection Agency (Umweltbehörde der USA)

FTIR

Fourier Transform Infrared Spectrometry

Stunde

ICP-OES

Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry

Informations-, Büro- und Kommunikationstechnologie

IZM

Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration

Kap.

Kapitel

KrW-/AbfG Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz

L/S

liquid to solid ratio (Verhältnis zwischen Flüssigkeit und Feststoff)

MAK

maximale Arbeitsplatzkonzentration

NEN

Niederländische Einheitsnorm

NNI

Niederländisches Normierungsinstitut

OES

Optical Emission Spectrometry

PBDE

polybromierte Diphenylether

Polyethylen

ppb

parts per billion

ppm

parts per million

RFA

Röntgenfluoreszenzanalyse

R-Satz

Risk-Satz

Sekunde

SMD

Surface Mounted Device (oberflächenmontierbares Bauelement)

SMT

Surface Mount Technology (Oberflächenmontage)

SOT

Small Outline Transistor

Tonne

Tab.

Tabelle

TBBA

Tetrabrombisphenol A

TCLP

Toxicity Characteristic Leaching Procedure

TPI

Toxic Potential Indicator

WGK

Wassergefährdungsklasse

ZVEI

Zentralverband der Elektrotechnik- und Elektronikindustrie

1. Einleitung

Der Mensch war zu Beginn seiner Entwicklung in ein System von Produzenten,

Konsumenten und Destruenten, in welchem alle anfallenden Abfälle anderen

Mitgliedern wieder als Lebensgrundlage dienen, integriert. Infolge der Zunahme der

Bevölkerungszahl und fortschreitender Zivilisation wurde die Anpassungsfähigkeit

dieser natürlichen Abläufe überfordert. Insbesondere im Zuge der industriellen

Revolution wurde die Menge des Abfalls und dessen Zusammensetzung zu einem

Problem. Der Müll mußte aus Gründen der Hygiene und Toxizität aus der näheren

Umgebung des Menschen entfernt werden. Die Beseitigung des Abfalls wurde zu einer

zentralen Aufgabe unserer Gesellschaft.

Der traditionelle Umgang mit dem Abfall, nämlich dessen Deponierung (gegebenenfalls

mit vorheriger Verbrennung), führte lediglich zu einer räumlichen und zeitlichen Verla-

gerung der Probleme und ist nach wie vor mit hohen Umweltbelastungen und Kosten

verbunden. Deshalb ist es wichtig, nicht allein nachsorgende Umweltschutzmaßnahmen

durchzuführen, sondern Perspektiven für eine wirkungsvolle Abfallvermeidungspolitik

zu gewinnen und bei der Herstellung oder bereits bei der Konzeptionierung von

Produkten anzusetzen.

Elektronikgeräte sind weit verbreitet und besitzen ein vielfältiges Stoffinventar. Nicht

zuletzt die immer kürzeren Nutzungszyklen sowie die Tatsache, daß sich umfassende

Recyclingkonzepte für Altgeräte erst in der Entwicklung befinden, führen zu einem ste-

tig ansteigenden Elektronikschrottaufkommen, das zur Zeit bei ca.1,8 Mio. t pro Jahr in

Deutschland liegen dürfte (Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umweltschutz,

1996). Ein erheblicher Anteil davon wird zusammen mit Siedlungsabfällen erfaßt und

deponiert.

Innerhalb der Abfallgruppe des Elektronikschrotts gehören Leiterplatten wegen ihrer

komplexen Zusammensetzung und aufgrund enthaltener Schadstoffe zu den verwer-

tungsproblematischsten Bestandteilen. Untersuchungen von Nissen et al. (1999) am

Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) haben ergeben, daß

das als Verbindungsmaterial zwischen Leiterplatte und Bauteil gebräuchlicherweise

eingesetzte bleihaltige Lot ein besonders großes toxisches Potential besitzt.

Ziel dieser Diplomarbeit ist es, den Grad der Umweltgefährdung des bleihaltigen Lotes

im Vergleich zum silbergefüllten Leitkleber bei der Deponierung durch die anfallende

Schwermetallbelastung des Deponiesickerwassers zu untersuchen. Dazu werden

gelötete und geklebte Leiterplatten unter verschiedenen Bedingungen eluiert und die

anfallenden Eluate analysiert. Es gilt in den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit

herauszustellen, ob eine Substitution des Lotes durch den Leitkleber bezüglich ihres

Deponieverhaltens ökologisch günstig ist.

2. Grundlagen

2.1 Elektronikschrott

Unter Elektronikschrott versteht man alte und ausgediente elektrische und elektronische

Geräte und Anlagen aller Art. Hierzu zählen auch einzelne Komponenten und Bauteile

sowie Geräte, die während der Produktion ausgemustert werden.

2.1.1 Allgemeines

Eine Vielzahl unterschiedlicher Gerätetypen wird mit dem Begriff Elektronikschrott

bezeichnet. Sie können in folgende Hauptgruppen eingeordnet werden:

· Haushaltsgeräte,

· Geräte der Unterhaltungselektronik,

· Geräte und Anlagen der Büro-, Informations- und Kommunikationstechnik,

· Geräte für den Geldverkehr,

· Meß-, Steuerungs- und Regelungsanlagen,

· Entladungslampen,

· Uhren,

· Geräte der Labor- und Medizintechnik,

· Geräte der Bild- und Tonaufzeichnung.

Die mit Abstand größten Einzelanteile kommen nach Schlögl (1995) von den Haushalts-

geräten (43,8%) und den Geräten der Unterhaltungselektronik (18,1%). Bauteile und

verwendete Stoffe in Elektronikgeräten sind angesichts der Bandbreite an Gerätetypen

sehr vielfältig. Die stoffliche Zusammensetzung des Elektronikschrotts ist infolgedessen

stark schwankend und in folgender Tabelle nur ganz allgemein angegeben.

Metalle

Kunststoffe

Glas

Elektronik

Sonstiges

60,9 %

20,6 %

5,4 %

3,1%

10 %

Tab.1: Zusammensetzung des Elektronikschrotts (Ibold, 1993, S. 293)

Exakte Mengenangaben über das Elektronikschrottaufkommen lassen sich aufgrund der

unterschiedlichen Nutzungsdauern der einzelnen Geräte und der breitgefächerten Pro-

duktpalette nur schwer ermitteln (Landesanstalt für Umweltschutz, 1995). Im allgemei-

nen wird auf bundesweite Schätzungen des Zentralverbandes der Elektrotechnik- und

Elektronikindustrie (ZVEI) zurückgegriffen, die auf Verkaufszahlen zurückliegender

Jahre und gerätespezifischer mittlerer Nutzungsdauern basieren (VDE, 1993). Demnach

stammten vom geschätzten Gesamtaufkommen in Höhe von 1,5 Mio. t des 1994 in

Deutschland angefallenen Elektronikschrotts 900.000 t aus privaten Haushalten

(Konsumgüter) und 600.000 t aus dem industriellen und gewerblichen Bereich

(Investitionsgüter).

Die Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umweltschutz (1996) hat für Deutsch-

land ein theoretisches Elektronikschrottaufkommen von 17,5 kg pro Jahr und Einwoh-

ner ermittelt. Die tatsächlich erfaßten Mengen sind zur Zeit noch sehr viel kleiner und in

den einzelnen Stadt- und Landkreisen zum Teil sehr unterschiedlich und abhängig von

der

· Art der getrennten Einsammlung (Hol-/Bringsysteme, Abholhäufigkeit, Länge der

Wege, Sammlung bestimmter Altgeräte)

· Gebührenerhebung (Abgabe gegen Gebühr reduziert die Abgabebereitschaft,

mengenabhängige Erfassung von Hausmüll erhöht die Abgabebereitschaft)

· Größe der bereitgestellten Behälter für Hausmüll (höhere Bereitschaft zur

Entsorgung des Elektronikschrotts über den Hausmüll und Zunahme der

Mülltonnengängigkeit der Altgeräte bei größeren Behältern)

· Einbeziehung von Handel und Reparaturwerkstätten (Erweiterung der Abgabe auf

das Kleingewerbe, Einbeziehung der vom Handel zurückgenommenen und

Zerlegungsbetrieben zugeführten Altgeräte).

Für das Land Brandenburg beispielsweise wurde bei einem berechneten theoretischen

Elektronikschrottaufkommen zwischen 25.000 und 33.000 t pro Jahr und real erfaßten

4.000 t im Jahr 1993 eine Erfassungsquote in Höhe von 12 bis 15 % ermittelt.

Sammlungen bestimmter Gerätetypen der Landesanstalt für Umweltschutz (1995) in

Baden-Württemberg sowie des Niedersächsischen Umweltministeriums (1998) ergaben

Erfassungsquoten zwischen 16 und 28 %. Der Verbleib eines Großteils von Altgeräten

ist demzufolge unbekannt. Es wird davon ausgegangen, daß der überwiegende (insbe-

sondere mülltonnengängige) Teil im Hausmüll landet und mit dem Siedlungsabfall

entsorgt wird. Ziel sollte jedoch im Sinne der Verwertungsmöglichkeiten und der Kreis-

laufwirtschaft eine möglichst breite und vollständige Erfassung des Elektronikschrotts

sein. Dabei können gesetzliche Verpflichtungen im Bereich Industrie/Gewerbe, wie

bereits im Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (1994) und in der bereits lange

geplanten Elektronikschrottverordnung (1992) formuliert, leichter umgesetzt und

kontrolliert werden. Die Motivationsmöglichkeiten für Letztbesitzer von Elektronik-

geräten (im Grunde wir alle) durch Appelle an das Umweltbewußtsein, finanzielle

Anreize oder gesetzliche Vorgaben sind ebenfalls förderlich.

2.1.2 Leiterplatten

Die mit diversen elektronischen Bauteilen bestückten Leiterplatten (Platinen) bilden die

zentrale Komponente elektronischer Geräte. Sie stellen einen Anteil von ca. 3 % am

gesamten Elektronikschrottaufkommen. Nach Töpfer (1993) dürften unter Einbeziehung

der jährlichen Steigerungsraten 1998 in Deutschland schätzungsweise 56.000 t dieser

Fraktion angefallen sein. Die tatsächlich anfallenden Mengen erhöhen sich bei Berück-

sichtigung der aus dem Kfz-Bereich stammenden Elektronik auf 100.000 bis 120.000 t

pro Jahr (Kreibe et al., 1996).

Leiterplatten bestehen aus Trägerplatten mit Kupfer-Leitbahnen, die über Lotverbindun-

gen mit elektronischen Bauteilen bestückt sind (Abb. 1). Je nach Einsatzbereich werden

als Basismaterial glasfaserverstärkte Epoxidharze, Phenolharz-Hartpapiere, Epoxidharz-

Hartpapiere, Fluorpolymere, Polyimide oder Keramik verwendet. Laut Niedersächsi-

schem Umweltministerium (1998) besteht über 90 % des auf dem Markt befindlichen

Basismaterials aus glasfaserverstärktem Epoxidharz (FR4), das ausgezeichnete elektri-

sche Eigenschaften, eine sehr gute Widerstandsfähigkeit gegen Chemikalien und eine

hohe mechanische Dimensionsstabilität besitzt (Rose, 1992). Es enthält Tetrabrom-

Bisphenol A (TBBA) als Flammschutzmittel. Die übrigen Basismaterialien können

andere Flammschutzzusätze wie polybromierte Diphenylether (PBDE) enthalten. Lote

sind Schwermetallegierungen; gebräuchlicherweise enthalten sie Blei und Zinn. Bei

elektronischen Bauteilen, die aus den unterschiedlichsten Inhaltsstoffen bestehen und

von verschiedenen Kunststoffen ummantelt sein können, wird zwischen aktiven Bau-

elementen wie Dioden und Transistoren, passiven Bauelementen wie Kondensatoren

und Widerständen und mechanischen Bauteilen wie Schaltern und Sicherungen

unterschieden.

Üblicherweise besteht eine bestückten Leiterplatte bis zur Hälfte aus inerten

mineralischen Materialien (Glas, Keramik und Oxide). Die andere Hälfte teilen sich

Kunststoffe, Metalle und das dem Basismaterial als flammhemmendes Additiv

zugegebene Brom (Schlögl, 1995).

Abb. 1: bestückte Leiterplatte

(Bilddatenbank des IZM)

Abb. 2: typische stoffliche Zusammensetzung einer

bestückten Leiterplatte (Schlögl, 1995)

Die Rückgewinnung der Metalle (mit einem Gewichtsanteil von 28 % vertreten) bildet

den Hauptanreiz für die Verwertung der Leiterplatten. Besonders dem Edelmetallgehalt

der Leiterplatte wird in diesem Zusammenhang große Aufmerksamkeit zuteil; anderer-

seits wird das Blei, nach Kreibe et al. (1996) immerhin mit einem Anteil von 3 % ver-

treten, in der Abbildung 2 unter dem Balken ,,Sonstiges" maskiert. Blei ist zwar auf-

grund seines niedrigen Preises aus Sicht der Verwertung nicht interessant, doch ist die

natürliche Konzentration von Blei in der Umwelt anthropogen so stark erhöht, daß nach

dem Umweltgutachten des Sachverständigenrates für Umweltfragen (1987) Auswir-

kungen auf Wohlbefinden und die Gesundheit von Menschen nicht mehr ausgeschlos-

sen sind.

Die Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umweltschutz (1996) stellt fest, daß

selbst bei einer versuchten ,,Entgiftung" von Leiterplattenschrott durch Entfernen der als

besonders problematisch angesehenen, schadstoffhaltigen Bauteile das zurückbleibende

Material immer noch eines der Hauptprobleme bei der Entsorgung von Elektronik-

schrott darstellt. Folgende Ursachen werden dafür verantwortlich gemacht:

· große Materialvielfalt aufgrund hoher elektrotechnischer Anforderungen,

· der bis in mikroskopische Dimensionen reichende enge Materialverbund,

· eine fehlende Kennzeichnung bezüglich Material und Inhaltsstoffen,

· die mangelhafte Kenntnis der detaillierten stofflichen Zusammensetzung

elektronischer Komponenten und

· das Vorliegen von toxischen Elementen (Schwermetallen) und Verbindungen

(Flammschutzmittel), die einer geordneten Entsorgung hohe Hürden aufbürdet.

Nissen et al. (1999) haben Leiterplatten ausgehend von der stofflichen Gesamtzusam-

mensetzung einer Umweltbewertung (Toxic Potential Indicator) unterzogen und dabei

festgestellt, daß die bleihaltigen Lote einen bedeutenden Anteil am Schadstoffpotential

der Leiterplatten haben. Die Ermittlung des Schadstoffpotentials basiert auf gesetzlich

verankerten Listen und Einstufungen: der maximalen Arbeitsplatzkonzentration

(MAK), der Wassergefährdungsklasse (WGK) und der Stoffkennzeichnung nach

Anhang I Nr. 3 der Gefahrstoffverordnung (R-Sätze). Es stellen sich nun die Fragen,

wie dieses Potential bei der gebräuchlichen Entsorgungspraxis des anfallenden

Leiterplattenschrotts einzuschätzen ist, ob es zu einer Gefährdung der Umwelt kommen

kann und wie dem begegnet werden soll.

2.2 Deponie

Ein erheblicher Anteil der Leiterplatten gelangt in Form von defekten oder veralteten

Elektronikgeräten ohne Schadstoffentfrachtung über Haus- oder Sperrmüll auf die De-

ponie. Nach wie vor wird ebenfalls eine große Anzahl von beim Recycling teurer

Bauelemente und edelmetallhaltiger Komponenten übrigbleibenden demontierten

Leiterplatten deponiert (Angerer et al., 1993).

2.2.1 Allgemeines

Die oberirdische Ablagerung (Deponie) ist weltweit noch immer das am häufigsten an-

gewandte Entsorgungsverfahren für die verschiedenartigsten Abfälle. Siedlungsabfall-

deponien stellen innerhalb der jeweiligen Naturräume anthropogene, biochemisch in-

stabile, geschichtete Lockersedimente dar, die in ständiger Wechselwirkung mit der

Atmosphäre und Biosphäre bestimmte Wirkungen, wie Grundwasserkontaminationen

durch Sickerwasserfrachten, auf ihre Umgebung ausüben (Czerney, 1996). In der

folgenden Abbildung ist der Querschnitt einer rekultivierten Deponie dargestellt.

Abb. 3: Schema einer endabgedeckten Hangdeponie (Hermann et al., 1995, S. 118)

Bis 1972 waren in der damaligen Bundesrepublik die Kommunen für die Abfallentsor-

gung zuständig. Daraus resultierte eine hohe Zahl an ungeordneten Müllkippen, deren

Anzahl auf ca. 50.000 geschätzt wird (Köller, 1994). Mit der Verabschiedung des Abfall-

gesetztes (1972) wurde die Abfallentsorgung bundesweit geregelt. Die Ablagerung wurde

nur noch auf zugelassenen Abfalldeponien erlaubt; infolgedessen sank deren Anzahl ra-

pide. Laut Umweltbundesamt (1994a) wurden 1993 in Deutschland 546 geordnete Haus-

mülldeponien betrieben. Trotz dieses Rückgangs müssen auch weiterhin umfangreiche

Kapazitäten zur Beseitigung des Müllaufkommens bereitgestellt werden. Mit Besorgnis

wird besonders die Situation in den neuen Bundesländern gesehen (Wollny, 1992; Um-

weltbundesamt, 1994b): es wird von einer großen Anzahl unkontrollierter (wilder) Depo-

nien ausgegangen. Die oftmals fehlende Deponiesickerwassersammlung und damit unter-

lassene Sickerwasserbehandlung führt zu zusätzlichen Umweltbelastungen.

Ein problemloser Entsorgungweg ist jedoch selbst die geordnete Abfalldeponierung

nicht. Aufgrund der Vielzahl an Reaktionen der gemeinsam abgelagerten Stoffe mit-

einander und wegen der mikrobiellen Prozesse im Deponiekörper kann die Deponie als

ein Reaktor angesehen werden (Thomé-Kozmiensky, 1989). Abbildung 4 gibt einen

Überblick über mögliche Reaktionsabläufe. Ein gestrichelter Pfeil weist auf eine

langfristige Umweltrelevanz hin.

Abb. 4: Überblick über mögliche Reaktionen in einer Hausmülldeponie (Elling, 1995, S.

32)

Die Mobilität der Schwermetalle wird demnach durch Lösungsvorgänge (z.B. durch

Komplexbildung), Fällung und Adsorption an reaktiven Oberflächen dominiert.

Bei aller Anstrengung zur Verhinderung von Deponieemissionen durch Verbesserung der

Basisabdichtung, der Endabdeckung sowie der Erfassung und Behandlung von Sicker-

wasser und Deponiegas macht Stief (1989) deutlich, daß Deponien unzweifelhaft poten-

tielle Schadstoffquellen sind und, daß durch die Deponietechnik lediglich beeinflußt

werden kann, wie schnell Schadstoffe aus den abgelagerten Abfällen freigesetzt werden

und wie schnell sich die freigesetzten Schadstoffe vom Deponiestandort wieder in der

Umwelt verteilen.

Die Deponie ist also kein abgekapselter Körper mit stets gleichbleibenden Bedingungen.

Vielmehr läßt sie sich durch die in Tabelle 2 dargestellten Phasen beschreiben.

Tab. 2: Phasen der biologischen Prozesse in Hausmülldeponien (Voigt, 1996, S. 82)

Es bestehen Unklarheiten darüber, wie sich die Mobilisierbarkeit von Inhaltsstoffen durch

die Veränderungen der Milieubedingungen in Deponien im Zeitverlauf entwickelt.

Über das Langzeitverhalten der in Leiterplatten enthaltenen Materialien ist nach Kreibe et

al. (1996) wenig bekannt. Es wird angenommen, daß Edelmetalle und Inertmaterialien

wie Glas und Keramik hauptsächlich im Deponiekörper verbleiben, unedlere Metalle

sowie niedermolekulare Verbindungen wie Flammhemmer, aber auch Kunststoffe

(nachdem sie biologisch abgebaut worden sind und sofern sie nicht in Form von Deponie-

gasen entweichen) hingegen langfristig über das Sickerwasser ausgewaschen werden.

2.2.2 Sickerwasser

Sickerwasser ist im Deponiekörper gebildetes Grundwasser, dessen Fließverhalten durch

die Inhomogenität der abgelagerten Abfälle beeinflußt wird (Rump und Scholz, 1995).

Bei vielen älteren Deponien dringt ein großer Teil des Sickerwassers mangels bestehen-

der Fassungen und Ableitungen an der Deponiebasis unkontrolliert in den Untergrund. In

Deutschland sind nach § 7a WHG Deponiesickerwässer als besonders belastete Abwässer

anzusehen, zu fassen und vor der Verdünnung mit anderen Abwässern nach dem Stand

der Technik zu behandeln.

Die anfallende Sickerwassermenge ist abhängig von

· der Niederschlagsmenge,

· der Verdunstung durch Evaporation und Transpiration,

· dem Oberflächenabfluß,

· dem Wassergehalt des eingelagerten Abfalls,

· den biochemischen Umsetzungsprozessen sowie

· der zeitweisen Wasserrückhaltung durch Abfallbestandteile

Sie schwankt von 0,5 m

/ha

d bei oben abgedichteten Deponien mit Sickerwasserrück-

führung in den Deponiekörper bis zu 7 m

/ha

d bei nicht abgedichteten Deponien ohne

Sickerwasserkreislauf (Doedens, 1989).

Durch eintretendes Grundwasser, durch Reaktionswasser aus mikrobiologischen Prozes-

sen und durch Niederschlagswasser wird der lösliche Teil der deponierten Stoffe mobili-

siert und bildet damit als Sickerwasser ein Schadstoffpotential für die Umwelt (Schnau-

fer, 1994). Die Sickerwasserbeschaffenheit hängt wesentlich von den durch die biochemi-

schen Umsetzungsvorgänge und Milieubedingungen entstehenden und löslich gemachten

Stoffen ab (Theilen, 1995).

Die Sickerwasserzusammensetzung schwankt z.T. erheblich mit der Abbauphase, in der

sich die Deponie befindet. Im Sickerwasser der sauren Phase sind hohe Konzentrationen

organischer Säuren enthalten (einige weitere Kennzeichen: niedriger pH-Wert, hohe

BSB

- und CSB-Werte und erhöhte Metallkonzentrationen); in der Methanphase

verbleiben schwer abbaubare Stoffe wie Huminsäuren (ebenfalls charakteristisch: hohe

Ammonium- und meist verminderte Metallkonzentrationen).

Die in dieser Arbeit betrachteten Lotmetalle können als Bestandteile des Sickerwassers

über das Grundwasser ins Trinkwasser gelangen bzw. das Oberflächengewässer errei-

chen, in aquatischen und terrestrischen biologischen Ketten akkumulieren und (öko-)

toxische Auswirkungen entfalten. In der Literatur finden sich (insbesondere hinsichtlich

des Bleis) eine Reihe von Angaben über Auswirkungen auf die Umwelt und die

menschliche Physiologie (Schmidt und Blum, 1996; Koch, 1995). Die von Deubzer

(1996) zusammengestellten Daten für Blei, Zinn und Silber weisen Blei allgemein die

höchste Toxizität zu. Dessen schädigende Eigenschaften auf die Hämoglobinsynthese

(ab 40 µm/l bei Kindern) oder auf motorische Nerven sind erwiesen. Zinn und das

Leitklebermetall Silber sind entsprechend gering dosiert zum einen in organischen

Zinnverbindungen (wie z.B. Tributylzinn) toxisch, zum anderen wirken vor allem

Silberionen auf aquatische Mikroorganismen schädigend.

Der Ermittlung auslaugbarer Inhaltsstoffe von Abfällen und deren Eliminierung ist eine

große Bedeutung beizumessen. Zur Untersuchung der Auslaugung (Elution) von Haupt-

bestandteilen des Lotes und des Leitklebers werden Elutionsverfahren angewendet, die

durch die ermittelte Mobilität der betrachteten Metalle, eine Abschätzung der zu erwar-

tenden Sickerwasserbelastung erlauben sollen und einen Vergleich der Umweltrelevanz

dieser Verbindungstechniken in der SMT bei der Deponierung zum Ziel haben.

3. Verbindungstechniken in der Surface Mount Technology (SMT)

Die Anforderungen an Verbindungsstellen bestehen vor allem hinsichtlich ihrer elektri-

schen Leitfähigkeit und mechanischen Stabilität, Funktionen, die sie dauerhaft und zu-

verlässig unter in erster Linie ökonomischen und im wachsenden Maß ökologischen

Aspekten erfüllen sollen. Zwei bedeutende Montagetechnologien für Bauelemente auf

Leiterplatten werden in der Elektronikfertigung eingesetzt, wobei der Anteil der SMT

stetige Zuwachsraten gegenüber der traditionellen Durchsteckmontage, auch als THT

(Through Hole Technology) bezeichnet, zu verzeichnen hat (Scheel, 1997).

Die SMT bezeichnet das Verfahren der Oberflächenmontage zur Bestückung und Kon-

taktierung elektronischer Bauelemente auf Leiterplatten Dabei werden, wie in Abbil-

dung 5 dargestellt, die Anschlußflächen der SMDs (Surface Mounted Devices) flach auf

die im allgemeinen kupferkaschierte Oberfläche der Leiterplatte verlötet (bzw. geklebt).

Abb. 5: Lotstellen auf Cu-Pads verbinden ein SMD

mit der Leiterplatte (Bilddatenbank des IZM)

Die SMT gilt nach Nolde (1989) dank ihrer Vorteile in Wirtschaftlichkeit, Zuverlässig-

keit und Miniaturisierung gegenüber der Durchsteckmontage als das Elektronikferti-

gungsverfahren der Zukunft. Die bei dieser Technologie zur elektrischen und mecha-

nischen Verbindung der Bauelemente mit der Leiterplatte eingesetzten Lotpasten und

die mögliche Alternative Leitkleber sind Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit.

3.1 Löten

Das Löten ist ein Fügeverfahren, bei dem zwei Verbindungspartner aus gleich- oder

verschiedenartigen Werkstoffen mit Hilfe eines geschmolzenen Zusatzwerkstoffs, des

Lotes, stoffschlüssig verbunden werden. Der Schmelzpunkt des Lotes liegt dabei unter

dem Schmelzpunkt der Grundwerkstoffe. Die charakteristischen Stadien des Lötvor-

gangs, vom Entfernen störender Oberflächenschichten mittels im Lot enthaltener Fluß-

mittel , über die so ermöglichte Benetzung der Oberflächen, die Ausbreitung des Lotes,

die Interdiffusion und Bildung von Legierungszonen bis hin zur Erstarrung und

Kristallisation des Lotes sind bei Scheel (1997) beschrieben.

Es werden zwei automatisierte Weichlötverfahren (T<450°C) in der Elektronikfertigung

eingesetzt: das Schwall- oder Wellenlöten und das Reflowlöten. Das Schwallöten ist ein

aus der THT bekanntes Badverfahren (Lötzeiten betragen 1-3 sec. bei 240-260°C), bei

dem Flußmittel (bestehend aus klebrigen Harzen zur Verbesserung der Lötbarkeit) und

geschmolzenes Lot während des Lötvorgangs an die Lötstelle gebracht werden.

Beim weit verbreiteten, speziell für die SMT entwickelten und im Rahmen dieser Arbeit

zum Einsatz kommenden Reflowlöten wird erst mittels Sieb- oder Schablonendruck

Lotpaste aufgetragen und die Leiterplatte mit SMDs bestückt; dann erst erfolgt die

Wärmezufuhr im Reflowlötofen (Herrmann, 1991). Zur Veranschaulichung wird dies in

Abbildung 6 skizziert.

Abb. 6: Verfahren für Reflowlöten (Nolde, 1989, S. 41)

1. Drucken

2. Bestücken

3. Reflowlöten

Die diversen Reflowlötverfahren unterscheiden sich in der Art der Wärmezuführung.

Am modernsten und schonendsten ist nach Nolde (1989) das Dampfphasenlöten, das im

experimentellen Teil dieser Arbeit angewendet und im Kap. 5.1 näher erläutert wird.

Lotpasten sind in der Regel Mischungen aus vorlegierten Zinn-Blei-Metallpulvern und

organischen Bestandteilen wie Fluß- und Lösungsmitteln zur Viskositätseinstellung.

Abbildung 7 zeigt eine mikroskopische Aufnahme von Lotpastenpulver. Das Löten

verursacht das Verschmelzen der Kugeln unter Verflüchtigung der organischen

Lotpastenbestandteile.

Abb. 7: SnPb-Lotpastenpulver (Internetseite der Firma

ATZ-EVUS, Bereich III, Metallpulver)

Der Einsatz von Lotpasten ergibt folgende Vorteile, die zur breiten Anwendung des

Reflowlötens in der SMT führen:

· Lot und Flußmittel werden nur an der benötigten Stelle aufgetragen,

· Lot- und Flußmittelmenge sind genau aufeinander abgestimmt,

· keine Verunreinigungen eines Lotbades,

· Stufenlötung durchführbar,

· gleichmäßige, reproduzierbare Lotmenge durch exakte Dosierung und

· hohe Packungsdichte der Lotpaste möglich.

Die mit Abstand am meisten verwendeten Lote in der gesamten Elektronikfertigung

sind Zinn-Blei-Lote. Am häufigsten wird das eutektische SnPb37 eingesetzt. Es besteht

Details

Seiten
Erscheinungsform: Originalausgabe
Jahr: 1999
ISBN (eBook): 9783832418045
ISBN (Paperback): 9783838618043
Dateigröße: 3.8 MB
Sprache: Deutsch
Institution / Hochschule: Technische Universität Berlin – Unbekannt
Note: 1,7
Schlagworte: deponiesicherwasser elutionsverfahren leitkleber

Autor

Geza Somi (Autor:in)