Entwicklung eines ökologischen Bewertungsmodells zur Beurteilung elektronischer Systeme

Development of an environmental evaluation method for the assessment of electronic systems

  • In dieser Arbeit wird eine Methode für die Umweltbewertung elektronischer Systeme vorgestellt. Dieses System soll bereits etablierte Bewertungssysteme, wie die mittlerweile in der Öffentlichkeit bekannte Ökobilanzierung, nicht ersetzen, sondern durch eine modulare Grundstruktur bisherige Ansätze geeignet ergänzen und die Anwendbarkeit in der Praxis erhöhen. Der Hauptschwachpunkt der Ökobilanz und verwandter Systeme ist der immense Aufwand zur Datenrecherche, um für ein komplexes ElektronikprodukIn dieser Arbeit wird eine Methode für die Umweltbewertung elektronischer Systeme vorgestellt. Dieses System soll bereits etablierte Bewertungssysteme, wie die mittlerweile in der Öffentlichkeit bekannte Ökobilanzierung, nicht ersetzen, sondern durch eine modulare Grundstruktur bisherige Ansätze geeignet ergänzen und die Anwendbarkeit in der Praxis erhöhen. Der Hauptschwachpunkt der Ökobilanz und verwandter Systeme ist der immense Aufwand zur Datenrecherche, um für ein komplexes Elektronikprodukt alle beteiligten Prozesse über den gesamten Lebensweg zu bilanzieren. Zudem ist die übliche Ergebnisdarstellung in Form von Äquivalenzwerten zu einzelnen Umweltwirkungen (z.B. CO2-Äquivalente für Global Warming Potential GWP oder zu deutsch Treibhauspotential) für den Einsatz in der Produktoptimierung nur schwer zu vermitteln. Die primären neuen Ansatzpunkte sind daher, für Ingenieure und Designer besser verständliche Bewertungsergebnisse zu erreichen und Bewertungsmodule zu schaffen, die mit verringertem Datenaufwand Antworten auf umweltrelevante Fragen während der Produktentwicklung geben können. Die wichtigsten Einzelfragestellungen, wie sie auch bereits vermehrt in der Industrie gestellt werden, betreffen die Umweltgefährdung durch in der Elektronikindustrie eingesetzte Stoffe, den Energiebedarf der Unternehmen und ihrer Produkte sowie die Recyclingfähigkeit von Elektronik bzw. deren umweltgerechte Entsorgung bei bestmöglicher Ressourcenschonung. Bereits aus der stofflichen Zusammensetzung eines elektronischen Produktes können Umweltbewertungen anhand der genannten Fragestellungen abgeleitet werden. Mit den Verfahrensmodulen dieser Stufe beschäftigt sich die Arbeit zentral, zumal die Bestimmung der Inhaltsstoffe von Elektronik für sich noch eine grosse Menge an Forschungsbedarf erkennen lässt. Elektronikunternehmen besitzen derzeit meist nur rudimentäre Kenntnisse über die Inhaltsstoffe ihrer Produkte bzw. der vielen zugekauften Komponenten, für die sie gegenüber den Kunden und dem Gesetzgeber die Produktverantwortung zu übernehmen haben. Neu entwickelt wurde das Bewertungsmodul zur schnellen Einschätzung der Umweltrelevanz der Inhaltsstoffe von Produkten. Der so genannte Toxic Potential Indicator (TPI) fasst die Angaben von Sicherheitsdatenblättern numerisch zusammen und kann somit für praktisch alle Materialien der Elektronik mit geringem Aufwand ermittelt werden. Darauf aufbauend werden komplexere Bewertungsmodule vorgeschlagen, welche neben den stofflichen Informationen auch Angaben zum strukturellen Aufbau des Produktes (zum Beispiel zur Untersuchung der Demontagefähigkeit) und Angaben zu den Prozessabfolgen der Herstellung, des Produktgebrauchs und der Entsorgung benötigen. Liegen zu allen Phasen des Produktlebens hinreichende Prozessinformationen zu Stoff- und Energieflüssen inklusive der Emissionsmengen vor, kann ein fließender Übergang zur Ökobilanzmethodik vorgesehen werden. Die ersten Schritte der modularen Bewertung - Vergleichseinheiten und deren Inhaltsstoffe bestimmen, Toxizitätsbewertung der Inhaltsstoffe und energetische Vorbewertung der Inhaltsstoffe - werden an Beispielszenarien mit diversen Bauelementtypen und verschiedenen Baugruppentypen durchgeführt. Als komplexes Beispiel werden Umweltparameter der Elektronikminiaturisierung untersucht mit einem Schwerpunkt auf dem Vergleich moderner IC-Gehäuse-Varianten (unter Anderem Flip Chip und Chip Scale Packages gegenüber DIP-, SO- oder QFP-Gehäusen). Dabei tritt als ein Ergebnis eine befürchtete generelle Zunahme der Schadstoffe in modernerer Elektronik nicht ein. Der Trend der Miniaturisierung, also der Minimierung von Material- und Energieeinsatz, um eine vorgegebene Funktion zu erfüllen, überwiegt die teilweise ansteigende Toxizität neuer Materialkombinationen. Lediglich der prozentuale Anteil umweltrelevanter Stoffe in elektronischen Produkten kann in Einzelfällen ansteigen. Berücksichtigt man die Zunahme von Produktions- und Verkaufszahlen in der Elektronikindustrie, so wird klar, dass die Umweltrelevanz der Elektronikbranche insgesamt - trotz der starken Miniaturisierung - noch steigt. Nur wenn bei jeder Technologieentwicklung, bei jeder Produktentwicklung und bei jeder Investitionsentscheidung eine schnell rückkoppelnde Umweltbetrachtung durchgeführt wird, kann der effektive Trend in der Elektronikindustrie für die Umwelt positiv gestaltet werden. Die modulare Bewertung, die in dieser Arbeit entwickelt, vorgestellt und eingesetzt wird, trägt an einigen bisher vernachlässigten neuralgischen Punkten der Entscheidungskette dazu bei.show moreshow less
  • In this work, a method for the environmental evaluation of electronic systems is presented. The proposed method is not intended to replace existing assessment systems, such as the Life Cycle Assessment methodology, but rather to enhance the practical usability through a modular approach. The main weak point of life cycle assessments and similar systems is the immense amount of data needed to model all processes along the life cycle of a complex electronic product. Additionally, the format of resIn this work, a method for the environmental evaluation of electronic systems is presented. The proposed method is not intended to replace existing assessment systems, such as the Life Cycle Assessment methodology, but rather to enhance the practical usability through a modular approach. The main weak point of life cycle assessments and similar systems is the immense amount of data needed to model all processes along the life cycle of a complex electronic product. Additionally, the format of results as equivalence values for environmental impacts (e.g. CO2 equivalents for the Global Warming Potential GWP) are often not very suitable for direct use in product optimisation. The primary aims are consequently to achieve evaluation results, which are better suited for engineers and designers, and to define new assessment modules, which can be used to answer relevant environmental questions during the product design cycle with a reduced need for detailed data. The most prominent environmental questions, asked by industry and science alike, concern the potential environmental impact of substances used in electronics and the high energy consumption of electronics companies and their products. Another concern is the recyclability of electronics or more general the environmentally correct disposal with maximum overall resource conservation. The material composition of electronic products is a logical starting point to give first answers to these questions. The thesis focuses on evaluation modules building on this data level, keeping in mind that the identification and quantification of these materials is a research field in itself. Currently, most electronics companies will have only rudimentary knowledge of the substances contained in their products or in the many externally supplied components therein. Nonetheless, they have to bear the product responsibility towards their customers and towards the various regulatory bodies. A new evaluation module for the estimation of the environmental relevance of product constituents has been developed. The so-called Toxic Potential Indicator (TPI) summarises various data entries from material safety data sheets into one number. Based on the broad availability of those data sheets TPI values can be generated efficiently for most materials used in electronic products. Around and based on this fast screening module, more complex evaluation parts are shown, which additionally to the product material list take structural information (e.g. for disassembly investigations) and partial process flows from production, product use and disposal into account. Where sufficient data for all phases of the life cycle are available, a continuous transition to life cycle analysis is envisioned. The first steps of the modular evaluation system - definition of comparison units and their constituents, toxicity screening and materials based energy evaluations - are demonstrated with scenarios covering various electronic component types and different assembly types. As a more complex example, environmental implications of the miniaturisation of electronics are investigated, with emphasis on modern IC packaging technologies (e.g. flip chip or chip scale packages compared to the conventional DIP, SO and QFP packages). The results do not show a purported general increase of toxic substances in modern electronic appliances. The trend of the miniaturisation, i.e. the minimisation of material and energy expenditure to achieve a given function, outweighs the potential increase of toxicity through new material combinations. Thus the percentage of environmentally relevant substances, but not the cumulative evaluation will increase, and only in some cases. When the steep increase of production volumes in the electronics industry is entered into the equation, it becomes obvious, however, that the environmental relevance of the sector as a whole is rising despite the steady miniaturisation trend. Environmental assessments with fast feedback loops have to be incorporated into all technology developments, into product design and even in production investment decisions to turn the effective environmental trend in the electronics industry in a positive direction. The modular evaluation system developed, presented and demonstrated in this work will contribute to this at some of the previously neglected points of decision-making processes.show moreshow less

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Metadaten
Author: Nils Frederik Nissen
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-2309
Advisor:Prof. Dr.-Ing. Herbert Reichl
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2001/07/11
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Date of final exam:2001/02/15
Release Date:2001/07/11
Tag:Umwelt Bewertung Elektronik IC-Packaging Ökobilanz
Environment Assessment Electronic IC-Packaging LCA
Institutes:Fachbereich 12 - Elektrotechnik -ohne Zuordnung zu einem Institut-
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)