Wissenschaftliche Berichte - FZKA 5854

Stoffströme bei der Herstellung von Leiterplatten

Kurzfassung:

Die Herstellung von Leiterplatten, die praktisch in jedem elektrischen Gerät enthalten sind und daher in großen Mengen produziert werden, stellt ein sehr aufwendiges, komplexes Verfahren dar, das insbesondere für Mehrlagen-Leiterplatten aus vielen Arbeitsgängen aufgebaut ist. Durch die naßchemische Prozeßführung der Leiterplattenherstellung fallen zum Teil erhebliche Mengen an Abprodukten und Abwässern an. Für eine Abschätzung und Bewertung der Umweltbelastungen ist eine Analyse der Stoffumwandlungen und -ströme bei den einzelnen Prozeßschritten erforderlich. Ziel dieser Arbeit war daher die Aufklärung und mengenmäßige Erfassung des Einsatzes und Verbleibs wichtiger Stoffe bei einzelnen Schritten der Herstellung von Leiterplatten. Ein besonderer Schwerpunkt wurde auf die Untersuchung der Kupferströme gelegt.

Für die Herstellung von ca. 4,7 Mio m² fertigen Leiterplatten im Jahre 1993 dürften schätzungsweise 15.000 t Basismaterial (ohne Kupfer) eingesetzt worden sein. Der gesamte Kupfereinsatz kann auf ca. 5.000 t abgeschätzt werden. Hiervon entfallen auf Kupferkaschierungen bzw. -folien etwa 3.700 t, auf galvanisch abgeschiedenes Kupfer etwa 1.200 t und auf chemisch abgeschiedenes Kupfer bei der Metallisierung der Bohrlöcher etwa 70 t. Auf den fertigen Platinen verblieben nur 30 - 40 % der eingesetzten 5.000 t Kupfer. Die restlichen ca. 65 % des eingesetzten Kupfers fielen als Abfälle an. Die mengenmäßig wichtigsten Kupferabfälle waren die kupferhaltigen Ätzlösungen, mit denen schätzungsweise etwa 45 % (ca. 2.200 t) der insgesamt eingesetzten Kupfermenge aus dem Herstellungsprozeß ausgeschleust werden. Die kupferhaltigen Ätzlösungen wurden 1993 zu ca. 99 % extern durch Drittunternehmen, teilweise im Ausland, aufgearbeitet.

Ein internes Recycling der in den Abfällen, Abwässern und Bädern vorhandenen Metalle fand 1993 nur in einem geringen Maße statt. Auch wurde nur ein kleiner Teil der metallhaltigen Abfälle einer Verwertung zugeführt. So wurden Bohr- und Zuschnittsabfälle des kupferkaschierten Basismaterials der Leiterplattenhersteller sowie die metallhaltigen Schlämme größtenteils einer Entsorgung zugeführt. Die derzeit vorhandenen internen Recyclingverfahren zur Aufbereitung der Metallabfälle lassen eine Rückführung in den Leiterplattenherstellungsprozeß nicht zu. Dies liegt daran, daß die Qualität des rückgewonnenen Kupfers bei allen elektrolytischen intern durchgeführten Aufarbeitungen für eine Wiederverwendung im Leiterplattenherstellprozeß nicht ausreicht.

Die Direktmetallisierungs-Verfahren zur Durchkontaktierung von Mehrlagenleiterplatten, die keine chemische Verkupferung mehr benötigen und aus einer geringeren Anzahl von Arbeitsschritten aufgebaut sind, hatten im Jahre 1993 einen Marktanteil von unter 10 % und damit keine Bedeutung für die Stoffströme.

Für die Leiterbilderzeugung wurden schätzungsweise 500 t Resist auf die Leiterplattenvorprodukte aufgebracht, die im weiteren Herstellungsprozeß wieder entfernt wurden und als metallhaltiger Schlamm entsorgt wurden, wobei der Schlamm aus einem Gemisch von (schwer)metallhaltigen Metallhydroxiden und Resist besteht. Seine Masse beträgt ein Vielfaches der Menge an ursprünglich eingesetzten Resists. Die organisch stark belasteten Abwässer aus der Resistverarbeitung konnten nach der Abwasserbehandlung meist nur durch Verdünnen mit anderen Abwässern auf den gesetzlich geforderten Grenzwert für den CSB-Wert von 600 mg O₂/l gebracht werden.

Material Flows in the Production of Printed Circuit Boards

Abstract:

Circuit boards, which can be found in practically every electric appliance and which, consequently, are produced in large quantities, are made in a very sophisticated, complex procedure comprising many steps, especially for multilayer boards. As the production of circuit boards means wet chemical processes, the volumes of waste products and liquid effluents arising can be quite considerable. Analyses of mass conversions and mass flows in each individual process step are required if environmental pollution is to be estimated and evaluated. This study therefore has been conducted to elucidate and assess quantitatively the inventories and the further history of important materials in specific steps of printed circuit production. Special emphasis was put on the mass flows of copper.

Approximately 15,000 t of base materials (excluding copper) were used in 1993 to produce approx. 4.7 million m² of complete circuit boards. The total amount of copper used can be estimated at approx. 5000 t. Of this amount, some 3700 t is for copper cladding and foils, respectively, some 1200 t is for electrodeposited copper, and some 70 t is for chemically deposited copper for in-hole plating. Only 30 - 40% of the the 5000 t of copper consumed remained on the finished circuit boards. The other approx. 65% of the copper turned up as waste. The most important copper waste volumes arose from copper-bearing etching solutions, which took some 45% (some 2200 t) of the total copper inventory from the manufacturing process. In 1993, roughly 99% of the copper-bearing etching solutions were reprocessed externally by third companies, partly abroad.

Very little internal recycling of the metals contained in waste, liquid effluent and baths took place in 1993. Also, only a small portion of the metal-bearing waste was recycled. Most of the waste arising in drilling and paneling the copper-clad base material in circuit board production, as well as most of the metal-bearing sludges, were disposed of as waste. The recycling procedures currently available in-house for reprocessing metal waste do not permit such waste to be returned into the circuit board manufacturing process. The reason is that the quality of recycled copper obtained in internal electrolytic processing is not sufficient for material to be reused in manufacturing printed circuit boards.

The direct metalization processes for through plating of multilayer boards, which no longer require chemical copper deposition and comprise a smaller number of process steps, had a market share of less than 10% in 1993, which makes them insignificant as far as mass flows are concerned.

Pattern generation consumed approximately 500 t of resist on the circuit board preproducts, which was removed in later manufacturing steps and disposed of as metal-bearing sludge, the sludge consisting of a mix of (heavy) metal-bearing metal hydroxides and resist. Its volume is many times the amount of resist originally used. The liquid effluent of resist processing, which is highly polluted with organics, has been brought down to the legal COD limit of 600 mg O₂/l by dilution with other liquid effluents after liquid effluent treatment.