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Elektronik-Recycling: Elektronische Baugruppen für 'grüne' Fernseher


Mit dem Vordringen der Elektronik in Haushalte und Unternehmen stellt sich ein Abfallproblem neuer Art: Immer mehr Systeme werden für immer kürzere Zeit eingesetzt und immer weitere entwickelt; demgemäß wächst die Menge ausgemusterter Geräte.

Ökologisch durchdachte Kon-struk-tionskonzepte und umweltgerechte Materialzusammenstellungen wie auch Herstellungsprozesse sollen helfen, diese schließlich als Schrott anfallenden Produkte umweltgerecht aufzuarbeiten oder zu entsorgen. Das Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie fördert dazu das Verbundprojekt "Grüner Fernseher", das als Beispiel dienen kann: Fernsehgeräte werden in Massen produziert und enthalten unter anderem analoge und digitale Baugruppen sowie Hochfrequenz- und Leistungs-Elektronik. An dem Projekt beteiligen sich namhafte Hersteller; die Forschungsschwerpunkte sind entsprechend der Kompetenz verteilt. Um Fehlentwicklungen zu vermeiden, werden alle Arbeiten fortwährend durch das Öko-Institut Freiburg begutachtet.

Umweltverträglich und für eine Kreislaufwirtschaft geeignet ist ein Produkt dann, wenn es ohne negative Folgen für ein Ökosystem hergestellt und eingesetzt sowie nach seinem bestimmungsgemäßen Gebrauch komplett oder doch zu wesentlichen Teilen wiederverwendet werden kann. Nun sind Fernseher in der Regel sehr lange in Gebrauch, ältere nutzt man oft noch als Zweitgerät; deshalb ist in diesem Falle das Materialrecycling am ehesten praktikabel. Damit sich künftig solchermaßen eigens ausgelegte Geräte auch verkaufen, dürfen sie freilich weder teurer noch schlechter als die konventionellen sein.


Leiterplatten – ein Problemfall

Eine der kritischsten Komponenten aller elektronischen Baugruppen ist die Leiterplatte, auf der jeweils bestimmte Bauelemente befestigt und elektrisch verbunden sind. Herkömmlich setzt sie sich aus zwei Hauptfraktionen zusammen – dem aus verschiedenen Harzen und verstärkenden Materialien wie Glasmatten oder Papier hergestellten Träger sowie den elektrischen Leitungen, die meist aus Kupfer mittels chemischer oder mechanischer Prozesse möglichst fest aufgebracht werden.

Von Nachteil sind die schlecht wärmeleitenden, brennbaren Duroplaste (also bei Erwärmung nicht formbaren Kunststoffe) des Grundkörpers, denn alle elektronischen Bauelemente – insbesondere hochintegrierte Halbleiter – erzeugen Wärme. Damit sich der Träger nicht entzündet, werden dem Kunststoff ökologisch bedenkliche Flamm-hemmer beigemischt. Diese Substanzen emittieren beispielsweise unter Hitze ein Gas, das Flammen erstickt. Man verwendet seit der gesetzlichen Beschränkung für

polychlorierte Biphenyle (PCBs) zum Beispiel orga-nische Bromverbindungen wie Tetra-brom-biphenol mit Zusätzen von Antimontrioxid. Diese Verbindungen setzen aber bei einem Brand oder nach Ausmustern des Geräts in Müllverbrennungsanlagen Halogenwasserstoffe und unter ungünstigen Umständen sogar

Di-oxine und Furane frei.

Eine Alternative wären hochwertige Thermoplaste (also unter Wärme verformbare Kunststoffe) wie Polyimid. Sie sind jedoch für viele Anwendungen, insbesondere solche in der Unterhaltungselektronik, zu teuer. Eine nicht chemisch flammgeschützte Leiterplatte sollte deswegen insgesamt kostengünstiger, zudem nicht brennbar, frei von Schadstoffen und einfach nach wiederverwertbaren Stoffgruppen zu trennen sein.


Sandwich-Bauweise

Eine vielversprechende Möglichkeit, Flammhemmer zu vermeiden, ist das Stapeln kostengünstiger Materialien zu einem leicht trennbaren Verbund, einem Sandwich (Bild 1 links). Statt alle Funktionen mit einem Werkstoff erfüllen zu wollen, weist man sie nun verschiedenen Schichten zu. Dann läßt sich jede optimieren, etwa hinsichtlich Materialwahl und Fertigungsver-fah-ren sowie besserer Wertstofftrennung beim Recycling.

Stabilität gibt insbesondere ein Metallkörper aus Aluminium oder Stahl. Für die elektrische Isolierung genügt eine dünne Folie etwa aus aluminiumoxid-

gefülltem Silikon. Diese Werkstoffkombination leitet auch gut Wärme ab. Der Verbund wird auf dem Metallkörper aufgebaut; unter Umständen kann dazu das Gerätegehäuse selbst dienen. Darin verteilt sich die durch die Silikonfolie transportierte Wärme in der Ebene. Die Betriebstemperatur läßt sich so reduzieren, Flammhemmer sind dann nicht mehr erforderlich, und die elektronischen Bauelemente halten länger (Bild 2).

Allerdings würde der Metallkörper elektronische Komponenten leitend verbinden, wenn man ihre Kontakte wie gewöhnlich durch Bohrungen hindurchsteckte; sie müssen also auf die isolierende Folie montiert werden. Ist eine solche Platine bestückt, empfiehlt es sich, sie mit einem Formschaumteil zu stützen. Damit wird auch die Folie an den Metallträger gepreßt und so ein optimal wärmeleitender Kontakt hergestellt. Des weiteren sind Montage und Demon-tage einfacher, und ein formstabiler Schaum-stoff wie expandiertes Polypropylen schützt die Bauelemente gegen mechanische Einwirkungen, was sich mit Klemmen oder Kleben nicht erreichen ließe. Dieses von der Firma DMT Böblingen entwickelte Konzept spart zudem konstruktive Elemente; es wird bereits von Hewlett Packard in der Serienfertigung von Arbeitsplatzrechnern genutzt. Das Blech des Verbundes kompensiert die unerwünschte Wärmedämmung des Schaumstoffs.


Strukturieren und Bestücken

Als Strukturieren bezeichnet man das Herstellen der Leiterbahnen auf dem Träger. Üblich sind chemische Verfahren, mit denen man entweder Metallschichten aufbringt oder überall dort, wo keine elektrischen Leitungen verlaufen sollen, bereits vorhandene metallisierte Basismaterialien entfernt.

Zur Umweltentlastung sollte man zwar auf diese chemikalienintensiven Prozesse grundsätzlich verzichten; ökologisch ideal wäre es, Leiterzüge mit Siebdrucktechniken aufzubringen. Doch sind geeignete polymere Leitpasten selten lötbar, so daß man Transistoren und andere Teile aufkleben müßte; das ist derzeit noch wenig gebräuchlich und demzufolge auch teuer. Obendrein haben die Pasten einen mehr als zehnfach höheren elektrischen Widerstand als lötbare Kupferschichten.

Mit polymeren Silber-Leitpasten zu strukturieren eignet sich immerhin für relativ anspruchslose Platinen sowie für weitere Schichten von Multilayer-Leiterplatten: Bis zu 50 Ebenen erfordern manche komplexen Schaltungen, damit alle Elemente kurzschlußfrei zu verdrahten sind. Für die erste Ebene kann man bei Sandwich-Bauweise eine noch auf der Silikonfolie befindliche Kupferschicht durch Ätzen strukturieren, so daß sich Bauelemente durch Löten kontaktieren lassen und Schaltungsteile zu realisieren sind, die einen niedrigen Leitungswiderstand erfordern. Dieses Verfahren befindet das Freiburger Öko-Institut zwar nicht als umweltfreundlich, aber als vertretbar, sofern die eingesetzten Chemikalien und das Kupfer wiedergewonnen werden. Weitere Verdrahtungsebenen kann man dann durch Aufdrucken von Leitpasten erzeugen (Bild 3). Ein ähnliches Vorgehen ist aus der Hybridtechnik bekannt, wobei Leitungen und passive Bauelemente wie Widerstände und Kondensatoren auf Trägerplatten aus Glas oder Keramik aufgedruckt werden. Nur die mit jedem neuen Kreuzen der Leitungen wachsenden Unebenheiten beziehungsweise der zu ihrem Ausgleich zu betreibende Aufwand begrenzen die Anzahl der möglichen Ebenen.

Auch Widerstände kann man durch Aufdrucken spezieller Polymerpasten fertigen und somit solche einsparen, die aus mehreren Materialien bestehen und gelötet werden müssen; weil sie nur zwei statt vier Kontaktstellen haben, arbeiten sie zudem zuverlässiger. Techniken, um Kondensatoren und Spulen aufzudrucken, werden derzeit noch erforscht.

Zu beachten ist, daß die Isolierfolie aufgrund ihrer geringen Dicke von Hochspannung leichter durchschlagen wird als ein herkömmlicher Harzträger und daß eine Stahlplatine gegen elektromagnetische Wellen als Tiefpaß wirkt, also höhere Frequenzen ausfiltert. Deswegen wird eine Fläche aus dem Metallträger ausgestanzt und dann für das Hochspannungsteil etwa Keramik als wärmeleitendes und isolierendes Material eingelegt; der gleiche Werkstoff oder ein einfacher Luftspalt eignet sich aufgrund der geringen resultierenden Kapazität für Hochfrequenz-Baugruppen.


Das Projekt im Überblick

Die Förderung des Projekts "Grüner Fernseher" endet im Januar 1999. Das vorgestellte Konzept, die herkömmliche starre Leiterplatte durch einen Verbund aus flexibler Folie und Metallträger zu ersetzen, entwickeln die Technischen Universitäten Dresden und Ilmenau in Zusammenarbeit mit der Firma Loewe-Opta in Kronach, die einen funktionierenden Prototyp bereits vorgestellt hat (Bild 1 rechts).

Die Unternehmen Grundig in Fürth und Thomson in Villingen-Schwenningen arbeiten alternativ dazu an einem spritzgegossenen Schaltungsträger, der leicht zu demontieren und wiederverwertbar sein soll. Thomson sucht außerdem durch neue Schaltungstechnik die Gebrauchsdauer zu erhöhen und den Stromverbrauch etwa im Stand-by-Betrieb zu senken. Die Firma Nokia in Straubing optimiert den Wirkungsgrad von Lautsprechern, so daß nur noch die halbe elektrische Leistung benötigt wird; zudem sollen die Baumaterialien vollständig zu verwerten sein. Als führender Vertreter im Bildschirm-Bau entwickelt Philips Components in Aachen eine Glasrezeptur für Bildröhren, aus denen man beim Recyceln erneut Schirme herstellen kann; bislang gewinnt man ein minderwertiges Glas, das nur für den Bildschirmkonus geeignet ist.



Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1998, Seite 111
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 1998

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 1998

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