Tekst referatu w formacie - Przemysłowy Instytut Elektroniki

I Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna „EKOLOGIA W ELEKTRONICE”
Przemysłowy Instytut Elektroniki
Warszawa, 16-17.10.2000
KLUCZOWE ASPEKTY EKOLOGICZNOŚCI
WYROBÓW ELEKTRONICZNYCH POWSZECHNEGO
UŻYTKU NA PRZYKŁADZIE TELEFONÓW
PRZENOŚNYCH
Witold KORNACKI
Przemysłowy Instytut Elektroniki
00-241 Warszawa, ul.Długa 44/50, tel: 831-61-73, e-mail: [email protected]
W pracy przedstawiono podstawowe zagadnienia związane z ekologicznością
wybranych przedstawicieli wyrobów elektronicznych powszechnego użytku na
przykładzie telefonów komórkowych i bezprzewodowych, analizując wpływ
konstrukcji i technologii wykonania podstawowych modułów tych aparatów
telefonicznych
1. WSTĘP
W artykule skoncentrowano się na prezentacji takich podstawowych aspektów
ekologiczności wyrobów elektronicznych powszechnego użytku, jak:
• masa wyrobu
• zużycie energii na etapie poszczególnych faz życia wyrobu
• ryzyko związane z oddziaływaniem na środowisko i zdrowie ludzi
• oszczędność materiałów oraz energii w procesie produkcji, eksploatacji i
likwidacji wyrobu
• łatwość ponownego wykorzystania wyrobu
na przykładzie charakterystyki telefonów przenośnych (komórkowych i bezprzewodowych) firmy Philips, podobnych pod względem funkcjonalnym i
wprowadzonych na rynek w porównywalnym okresie czasu, co do których zebrano
szereg informacji o ich ekologiczności.
Wyniki tych porównań przedstawiono na podstawie badań wykonanych przez Philips
Consumer Electronics i Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration [3].
20
Telefony przenośne wybrano ze względu na ich rosnącą popularność i powszechność
stosowania, co tym samym rzutuje jednocześnie na ich rosnący negatywny wpływ na
środowisko.
Podstawowe dane dotyczące masy obudowy, płytek drukowanych, wyświetlaczy,
baterii, kabli połączeniowych i adaptera, jak również powierzchni płytek drukowanych i
liczby elementów dla poszczególnych aparatów telefonicznych przedstawiono w tabeli
1.
Tabela 1. Porównanie masy przykładowych telefonów komórkowych i bezprzewodowych
Komórkowe
Fizz
Genie
(1996)
(1997)
Słuchawka
Masa obudowy (g)
Bezprzewodowe
Dect2
Xalio
(1996)
(1997)
62.0
21.1
76.9
92.4
Elektronika:
Masa płytek drukowanych
PWB (g)
Powierzchnia płytek
drukowanych (cm2)
Liczba elementów
Masa wyświetlacza (g)
73.4
50.2
74.4
43.4
128
> 400
11.0
115
> 500
5.5
68
> 350
5.3
60
> 250
4.1
Masa baterii (g)
83.0
24.0
64.3
35.2
301.1
173.1
129.9
58.9
102
> 300
72.4
296.6
776.1
Stacja bazowa
Masa obudowy (g)
Elektronika:
Masa płytek drukowanych
PWB (g)
Powierzchnia elementów
(cm2)
Liczba elementów
Kable połączeniowe (g)
Adapter (g)
Masa całkowita (g)
96.6
118.0
202
> 850
72.4
391.0
326.0
218.8
1115.3
Analizowane wyroby składają się z takich podstawowych zespołów, jak:
• wymienne lub ładowalne źródło zasilania (baterie, akumulatory)
• wyświetlacz ciekłokrystaliczny LCD
• obudowa
• płytki drukowane z układami sterowania.
2. ŹRÓDŁA ZASILANIA
Akumulatory stosowane w analizowanych telefonach przedstawiono w tabeli 2.
Najbardziej popularne i zarazem najtańsze są akumulatory NiCd, choć rośnie
21
popularność akumulatorów litowych czy wodorotlenkowych. Akumulatory litowojonowe charakteryzują się niską masą i objętością jak również zdolnością do
dostarczenia względnie najwyższej wartości napięcia zasilającego w stosunku do innych
materiałów elektrod. Mają one też wyższą trwałość ze względu na niewystępowanie w
nich efektu “pamięciowego”, skracającego czas życia akumulatorów NiCd, co ogranicza
też zarazem ich negatywne oddziaływanie na środowisko.
Korzystnie przedstawiają się też parametry ogniw wodorotlenkowych z powodu
płaskiej konstrukcji, wysokich wartości napięć zasilania i długiego czasu eksploatacji
(tabela 2).
Tabela 2. Porównanie parametrów akumulatorów w wybranych telefonach
Telefony komórkowe
Fizz
Genie
Typ
Masa (g)
Napięcie (V)
Pojemność (mAh)
Przechowywana energia (Wh)
Gęstość energii (Wh/g)
NiCd
84
4.8
400
1.92
0.023
Li-Ion
24
3.6
550
1.98
0.083
Telefony bezprzewodowe
Dect2
Xalio
NiCd
64
3.6
700
2.52
0.039
NiCd
35
3.6
300
1.08
0.031
Pobór energii przez rozpatrywane urządzenia jest bardzo istotny z punktu widzenia
ich oddziaływania na środowisko, przy czym ważne jest przy tym uwzględnienie poboru
energii w poszczególnych, typowych cyklach eksploatacyjnych, np. praca, czuwanie
“stand-by”, ładowanie (tabela 3) z jednoczesnym uwzględnieniem czasu trwania
poszczególnych faz eksploatacji (tabela 4).
Tabela 3. Pobór mocy w trakcie użytkowania
Czas użytkowania (lata)
Praca
Pobór mocy (W)
Czas pracy (h/d)
Czuwanie “stand-by”
Pobór mocy (W)
Czas czuwania (h/d)
Ładowanie
Pobór mocy (W)
Czas ładowania (h/d)
Telefony komórkowe
Fizz
Genie
2
2
Telefony bezprzewodowe
Dect2
Xalio
5
5
1.9
1
1.9
1
3.6
1
3.2
1
0.053
23
0.035
23
2.9
22
2.7
22
3.0
1
3.0
1
22
Tabela 4. Zużycie energii przykładowych telefonów w ciągu roku w kWh
Telefony komórkowe
Telefony bezprzewodowe
Fizz
Genie
Praca
0.7
0.7
1.3
1.2
Czuwanie “stand-by”
0.4
0.3
23.3
21.7
1.1
1.1
Ładowanie
Dect2
Xalio
Z przedstawionych przykładów widać wyraźnie, że sumaryczny pobór mocy w
okresie eksploatacji jest najmniejszy dla telefonów komórkowych, na co wpływa przede
wszystkim pobór mocy w stanie czuwania.
3. WYŚWIETLACZE
Każde z analizowanych urządzeń wyposażone jest w wyświetlacz ciekłokrystaliczny
LCD, o różnej konstrukcji i różnym składzie chemicznym (cząsteczki organiczne z
domieszką związków aromatycznych), których oddziaływanie na środowisko w
momencie ich składowania w postaci odpadów jest trudne do określenia.
Na Politechnice Berlińskiej [3] wykonano na pobranych próbkach bioluminescencyjny
test bakteryjny, który potwierdził toksyczność związków stosowanych w analizowanych
wyświetlaczach oraz wykazał zróżnicowanie tego efektu w zależności od rodzaju
konstrukcji zastosowanego wyświetlacza (od silnego do bardzo małego efektu
toksycznego).
Dotychczasowe wyniki badań nad szkodliwością oddziaływania na otoczenie
wskaźników LCD wskazują na konieczność szczególnie ostrożnego trybu postępowania
w trakcie składowania ich na wysypiskach odpadów. Firma Vicor Co. w raporcie [3]
zaproponowała metodę ich unieszkodliwiania poprzez rozkład katalityczny na związki
CO2, halogenki, tlenki azotu i wodę po operacji ich uprzedniego oddzielenia od
pozostałych części obudowy, rozdrobnienia i próżniowej separacji związków
ciekłokrystalicznych w próżni.
W przypadku braku możliwości ich chemicznego unieszkodliwienia wyświetlacze
LCD powinny być składowane na składowiskach podziemnych (koszt około 2500-3000
USD za tonę).
Nowe konstrukcje wyświetlaczy LCD na elastycznych foliach polimerowych
zapowiadają się w tym kontekście bardzo interesująco, umożliwiając znaczne obniżenie
ich toksyczności przy korzystnych parametrach jakości obrazu i cenie.
4. OBUDOWA I ADAPTER
Obudowy prezentowanych telefonów wykonane są z mieszaniny poliwęglanów i
tworzywa ABS. Odpowiadające im masy określono w tabeli 1. Uwagę zwraca bardzo
mała masa telefonu komórkowego Genie, wynikająca z wysokiego stopnia
miniaturyzacji i mniejszej grubości ścianek obudowy. W przypadku telefonów
komórkowych adapter (ładowarka) potrzebny jest tylko w momencie ładowania
natomiast w przypadku telefonu przenośnego jest on dołączony na stałe, pobierając przy
tym energię. Zwraca uwagę także znaczne zróżnicowanie masy adapterów.
23
Generalnie można stwierdzić, że zużycie zasobów a więc i tym samym masa
materiałów, które należy zutylizować w momencie zakończenia fazy eksploatacji jest
znacznie mniejsza w przypadku telefonów komórkowych w porównaniu z aparatami
przenośnymi. Ponieważ zmienność mody praktycznie uniemożliwia powtórne
wykorzystanie obudów aparatów należy więc zapewnić optymalne warunki do
recyklingu obudów poprzez dobór odpowiednich materiałów i takie zaprojektowanie
konstrukcji, aby umożliwić prosty, szybki i tani demontaż. Ciekawym pomysłem jest w
tym przypadku wykorzystanie polimerów z pamięcią kształtu, umożliwiających aktywny
demontaż (automatyczny rozpad obudowy po doprowadzeniu jej do temperatury
progowej, zwykle około 100oC).
5. PŁYTKI DRUKOWANE
Płytki drukowane, ze względu na wielość różnych związków chemicznych, które
zawierają, często o bardzo niepożądanym oddziaływaniu ekologicznym, wymagają
szczególnej uwagi. Również duże zużycie zasobów (energii, materiałów) na etapie ich
produkcji skłania do poświęcenia im szczególnej troski. Wagowo najwięcej znaczą
związki dwutlenku krzemu, zawarte w laminatach z włókien szklanych i ich
wypełniaczach, żywice epoksydowe ze związkami zmniejszającymi palność oraz miedź,
tworząca ścieżki przewodzące. Jednakże z punktu widzenia ekologii najgroźniejszy jest
ołów, zawarty w stopach lutowniczych oraz materiały zmniejszające palność,
zawierające związki bromu.
W celu porównania toksyczności stosowanych materiałów, zwłaszcza do produkcji
płytek drukowanych, w [3] zaproponowano wykorzystanie wskaźnika TPI – potencjału
toksycznego (ang. Toxic Potential Indicator), umożliwiającego ocenę w skali od 0 do
100 toksyczności 1 mg badanej substancji.
5.1. Podłoża
W klasycznych płytkach drukowanych FR-4 szczególnie szkodliwe jest
oddziaływanie związków bromu, zawartych w materiałach zmniejszających palność,
ponieważ włókna szklane i utwardzone żywice epoksydowe mają stosunkowo nieduży
wskaźnik TPI. Prowadzi to do preferowania płytek drukowanych FR-P, w których
związki bromu zawarte w materiałach zmniejszających palność zastąpiono fosforem
przy pozostawieniu pozostałych elementów konstrukcyjnych i
procesu
technologicznego bez zmian.
Inną korzystną modyfikacją jest wykonywanie płytek drukowanych na podłożu
poliamidowym, nie wymagającym (ze względu na wysoką temperaturę zapłonu około
250o C i własności samogaszenia) stosowania materiałów zmniejszających palność.
Ze względu na zmniejszoną masę i objętość folii PI ich szkodliwe oddziaływanie ulega
dodatkowej redukcji.
Płytki na podłożu ceramicznym, mimo ich niskiej toksyczności, wymagają dużo
więcej energii na etapie ich wytwarzania, co ogranicza ich wykorzystanie do zastosowań
specjalnych. Natomiast wcześniej opisane płytki FR-P czy na podłożu foliowym
poliamidowym PI przy cenie wyższej o około 10% od płytek FR-4 stanowią interesującą
dla nich alternatywę w wielu zastosowaniach. Z punktu widzenia ekologiczności i
kosztów optymalne wydają się być płytki na elastycznym podłożu foliowym, stwarzając
dzięki swej małej masie i elastyczności dodatkowe możliwości redukcji wymiarów i
masy obudów.
24
5.2. Stopy lutownicze
Klasyczny stop lutowniczy cynowo-ołowiowy (SnPb37) charakteryzuje się wysokim
wskaźnikiem toksyczności TPI=7.84 mg-1. Szkodliwy wpływ ołowiu na środowisko jest
powszechnie znany, a w świetle nowych regulacji prawnych Unii Europejskiej należy się
liczyć z rychłą koniecznością jego eliminacji ze stosowania w urządzeniach
elektronicznych [1][2].
Obecnie wielu producentów pracuje nad nowymi stopami lutowniczymi nie
zawierającymi związków ołowiu, np. opartymi o stopy cyna-bizmut, cyna-srebro czy
cyna-miedź. W przypadku stopu cyna-bizmut należy zachować duży sceptycyzm, gdyż
bizmut wytwarzany jest jako produkt uboczny przy rafinacji ołowiu co zmniejsza jego
szansę na stanie się dopuszczalną alternatywą dla stopów ołowiowych.. Z kolei stopy
SnAg2 cechują się co prawda znacznie zmniejszonym potencjałem toksyczności ale
jednocześnie posiadają temperaturę topnienia około 220oC co ogranicza ich stosowanie
do elementów odpornych na podwyższoną temperaturę lutowania. Podobna sytuacja
dotyczy stopów SnCu, które posiadają jeszcze niższy potencjał toksyczności przy
temperaturze topnienia około 227oC . Ze stosowaniem stopów bezołowiowych związane
są też inne problemy, np. gorsza zwilżalność czy konieczność użycia innej konstrukcji
pieców lutowniczych. Z drugiej strony użycie tych stopów z elementami odpornymi na
podwyższoną temperaturę umożliwia opracowanie nowych układów elektronicznych o
wymaganej wysokiej niezawodności w zastosowaniach, które przy aktualnie
stosowanych stopach byłyby znacznie utrudnione.
Obecnie firma Nortel w Kanadzie opracowała konstrukcję pierwszego telefonu
“bezołowiowego” wykorzystującego stop cyna-miedź [3][4].
5.3. Komponenty
Płytki drukowane zawierają dużą rozmaitość elementów elektronicznych, o różnej
masie i składzie chemicznym, wynikającym z odmiennej konstrukcji, technologii czy
realizowanych funkcji. W związku z tym indeks TPI dla elementów elektronicznych
zmienia się w szerokim zakresie. Wysokie wartości TPI wynikają z dużej masy
względnie nietoksycznych materiałów bądź ze względnie niedużej masy ale o dużej
toksyczności jednostkowej.
Zawartość składników standardowego układu scalonego do montażu
powierzchniowego w obudowie SO20 i masie 511mg przedstawiono w tabeli 5 z
podaniem toksyczności jego podstawowych materiałów składowych.
Zminiaturyzowane wersje nowych opracowań układów scalonych oraz nowe
technologie ich wykonania, np. “flip chip”, cechują się mniejszą zawartością materiałów,
a tym samym mniejszą szkodliwością dla środowiska.
Specyficzny problem związany jest z elementami typu kondensatory czy rezystory,
wykonanymi w technologii SMD, dla których wskaźniki toksyczności TPI ze względu
na ich małą masę mają niewielką wartość jednostkową, ale ze względu na częste
występowanie tych elementów na płytkach drukowanych w dużych ilościach sumaryczny wskaźnik TPI osiąga wartość znaczną.
25
Tabela 5. Skład standardowego układu scalonego do montażu powierzchniowego w obudowie
SO20 i masie 511mg o wskaźniku IZM-TPI=862. Istotne materiały: Sb2O3, Cu, TBBA
Element
Ażur
Obudowa
Materiał
Masa (mg)
TPI/mg
TPI
Cu
123
1.63
200
SnPb2O
2
5.11
10
Żywica
86.6
0
SiO2
266.4
0
Sb2O3
14.8
42.3
626
7
TBBA
2.2
3.0
Struktura
Si
15
0
Doprowadzenia
Au
0.5
0
Klej
Ag
0.5
37.8
19
6. OCENA OGÓLNA
Przedstawiona analiza ekologiczności czterech telefonicznych aparatów przenośnych
wskazuje na mniej szkodliwe oddziaływanie na środowisko aparatów telefonii
komórkowej w porównaniu z telefonami bezprzewodowymi. Wynika to głównie z ich
mniejszej masy (wyjątek: LCD, elektronika) i zmniejszonego poboru mocy, głównie w
stanie czuwania. Korzystny efekt odgrywa też w przypadku telefonów komórkowych
stosowanie bardziej efektywnych źródeł zasilania, np. akumulatorów litowo-jonowych.
Dodatkowo różnice te są zaznaczone różnym stopniem oddziaływania ekologicznego
w poszczególnych fazach życia produktu, mierzonym wartością Eko-Wskaźnika w
wymiarze rocznym. Można jednak wyrazić obawę, że na obecnym etapie rozwoju postęp
technologiczny i konstrukcyjny telefonicznych aparatów przenośnych, wpływający na
poprawę ich parametrów jakościowych i obniżenie jednostkowego ujemnego
oddziaływania na środowisko, mierzonego przykładowo wartością Eko-Wskaźnika, w
wymiarze globalnym, wpływając na wzrost liczby produkowanych aparatów, może
ostatecznie wpływać na te środowisko w sposób ujemny.
Tabela 6. Wpływ na środowisko przykładowych telefonów w punktach wartości Eko-Wskaźnika
w stosunku rocznym
Fazy życia Produktu
Telefony komórkowe
Telefony bezprzewodowe
Fizz
Genie
Dect2
Xalio
Produkcja
21.9
11.5
15.5
10.9
Pakowanie/transport
1.0
0.8
0.3
0.7
Użytkowanie
0.9
0.8
19.8
18.4
Utylizacja
4.4
1.4
3.4
2.1
28.2
14.5
39.0
32.1
Suma
26
LITERATURA
1.
Al-Okush H., Caudill R.J., Thomas V.: Understanding the Real Impact of DFE Guidelines: A
Case Study of Four Generations of Telephones - Report 0-7803-5495-8/99 IEEE 1999.
2.
Ram A.A.P., Dekers J.M.R., Stevels A.L.N.: Recyclability of Consumer Electronics Proceedings Innovation 98, Vienna 1998.
3.
Ram B. Et all.: Environmental Performance of Mobile Products - Report 0-7803-5495-8/99
IEEE 1999.
4.
Yan P., Zhou M.C., Sebastian D.: Multi-lifecycle Product and Process Development:
Selection of Optimal Production, Usage and Recovery Processes - Report 0-7803-5495-8/99
IEEE 1999.
KEY ASPECTS OF ECOLOGICAL IMPACT OF
ELECTRONIC PRODUCTS RELATED TO
THE MOBILE PHONES APPLICATIONS
This paper presents the basic problems related to the ecological impact of some
selected electronic products, such as cellular and cordless phones. The analysis of the
design and manufacturing technology of basic phone modules as well as some general
conclusions on environmental aspects of mobile phones applications have been also
shown.
27