Was treibt den Bedarf an halogenfreien Produkten an?

Über Halogene

Die Besorgnis über Halogene in der Elektronik – die fünf oder manchmal sechs chemisch verwandten Elemente der 17. Gruppe des Periodensystems – nimmt zu. Der Fokus liegt dabei auf Brom und Chlor. Von den anderen Halogenen ist Fluor derzeit unbedenklich, Iod wird im Allgemeinen nicht verwendet und Astat, da es ein seltenes radioaktives Element ist, findet nie Anwendung. Das sechste Halogen, Tennessin, wurde bisher nur im Labor hergestellt, zerfällt ebenfalls sehr schnell, seine Eigenschaften sind weitgehend unbekannt, und es wird daher nicht eingesetzt.

Elementares Chlor und Brom sind hochgiftig und kommen in Elektronikbauteilen nicht vor. Organische Bromverbindungen werden jedoch als Flammschutzmittel in Leiterplatten, Vergussmassen, Klebstoffen, Lötstopplacken, Kabelisolierungen und flexiblen Schaltungen eingesetzt. Polyvinylchlorid (PVC) ist weit verbreitet als Isolier- und Dämpfungsmaterial. Brom- und Chlorverbindungen werden hauptsächlich als Flammschutzmittel verwendet, was natürlich sinnvoll ist, um die Auswirkungen brennender Bauteile und damit verbundene Brände zu minimieren. Bei normalem Gebrauch und dem späteren professionellen Recycling von Elektronikgeräten stellen Brom- und Chlorverbindungen keine signifikante Gefahr dar. Problematisch werden sie erst bei der illegalen und unregulierten Verbrennung von Elektronikgeräten, die mitunter zur Rückgewinnung wertvoller Metalle wie Kupfer durchgeführt wird. Bei hohen Temperaturen können Brom- und Chlorverbindungen Dioxine freisetzen, die zu den persistenten organischen Schadstoffen (POP) gehören und als krebserregend gelten, sowie Furane, die giftig und möglicherweise krebserregend sind. Die freigesetzten Mengen dieser Chemikalien vermischen sich jedoch mit Schadstoffen aus vielen anderen Quellen. Die US-Umweltschutzbehörde (EPA) schätzt beispielsweise, dass über 901 µg/m³ 4 t Dioxine über tierische Fette aufgenommen werden [1]. Auch Furane kommen in geringen Mengen in Grundnahrungsmitteln wie Röstkaffee und verarbeiteter Babynahrung vor und werden dort toleriert [2].

Abbildung 1: Die Halogene im Periodensystem

Halogenfrei ist nicht obligatorisch

Anders als bei den RoHS- und REACH-Richtlinien in Europa und ihren internationalen Pendants, die bestimmte Stoffe gesetzlich verbieten, besteht keine gesetzliche Verpflichtung, Halogene aus elektronischen Geräten zu entfernen. Es gibt jedoch Normen mit Empfehlungen. So legt beispielsweise die Norm IEC 61249-2-21 für Leiterplatten Grenzwerte von 900 ppm (Gew.-%) für Brom, 900 ppm für Chlor und 1500 ppm für die Summe beider Stoffe fest. Werden diese Grenzwerte nicht überschritten, darf ein Anbieter die Kennzeichnung ‘halogenfrei’ verwenden. Die Norm JS709C deckt Elektronik im Allgemeinen ab und sieht für andere Materialien als Leiterplatten etwas höhere Grenzwerte vor: 1000 ppm (Gew.-%) für Brom aus bromierten Flammschutzmitteln (BFR) und 1000 ppm (Gew.-%) für Chlor aus chlorierten Flammschutzmitteln (CFR), Polyvinylchlorid (PVC)-Kongeneren und/oder PVC-Blockpolymeren, -Copolymeren oder -Polymerlegierungen. Unter Einhaltung dieser Grenzwerte kann das Material gemäß JS709C als ‘halogenarm’ eingestuft werden. Unter bestimmten Umständen sind höhere Halogengehalte in Kunststoffen zulässig, sofern es sich nicht um Flammschutzmittel, PVC oder PVC-haltige Kunststoffe handelt.

Halogenfreier Kraftstoff mag zwar teurer sein, kann aber auch Leistungsvorteile bieten.

Aufgrund von Gesundheitsbedenken und freiwilligen Grenzwerten in Normen rechnen einige Hersteller mit regulatorischen Vorgaben und fordern von ihren Zulieferern halogenfreie Komponenten, darunter Leiterplatten, Kunststoffe und andere nichtmetallische Werkstoffe. Um dies zu erreichen und gleichzeitig die Entflammbarkeitsklasse einzuhalten, müssen alternative Materialien verwendet werden. Bei Leiterplatten kann beispielsweise Phosphor oder Stickstoff als Flammschutzmittel im Harz eingesetzt werden. Halogenfreie oder umweltfreundliche Formmassen, Klebstoffe und andere Materialien sind ebenfalls erhältlich, erfordern jedoch eine sorgfältige Qualifizierung für Elektronikanwendungen, um die Produktzuverlässigkeit unter allen Umgebungsbedingungen zu gewährleisten. Zu den zu bewertenden Eigenschaften gehören mindestens: Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE), Glasübergangstemperatur (Tg), Feuchtigkeitsaufnahme, Haftfestigkeit und Biegemodul.

Obwohl halogenfreie Materialien in manchen Fällen teurer sein können, beispielsweise Lötpaste und Leiterplatten, können andere Ersatzmaterialien wie Klebstoffe tatsächlich kostengünstiger sein. Insgesamt ist jedoch mit einem geringen Aufpreis für halogenfreie Materialien zu rechnen. Neben den ökologischen Vorteilen bieten halogenfreie Leiterplatten weitere Vorteile: Sie weisen bessere Durchschlagfestigkeitswerte, einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, einen höheren Glasschmelzpunkt (Tg) auf, was höhere Betriebstemperaturen ermöglicht, und eine geringere Feuchtigkeitsaufnahme.

Das Leistungsmodul Flex antwortet

Flex Power Modules hat das Thema der Umstellung von Produkten auf halogenfreie und mit entsprechenden Materialänderungen DC/DC-Wandlerprodukte untersucht. BMR491 und BMR492 Es wurde nachgewiesen, dass die Produkte die Grenzwerte der IEC 61249-2-21 erfüllen. Zuverlässigkeitstests und die Auswertung von Felddaten laufen, und weitere Produkte der Reihe sind für die Umstellung vorgesehen. Produkte für Kunden mit kommerziellen Endanwendungen werden vor solchen für Telekommunikationsanwendungen priorisiert, da die Anwendungsumgebung dort als relativ unzugänglich für Personen gilt und die Entsorgung der Geräte streng kontrolliert wird. Bei besonders kostensensiblen Anwendungen mit hohem Volumen besteht weiterhin die Möglichkeit, ein nicht halogenfreies Produkt anzufordern. Anträge auf eine frühere Umstellung eines bestimmten Produkts auf halogenfrei können je nach Umständen geprüft werden, und neue Produkte in bestimmten Anwendungsbereichen werden von Anfang an halogenfrei entwickelt.

Die Umstellung auf halogenfreie Materialien ist ein Prozess, und es ist zu erwarten, dass in Zukunft weitere Chemikalien – beispielsweise Antimon – ausgeschlossen werden müssen. Flex Power Modules wird auch weiterhin technologisch führend im Bereich der Materialentwicklung sein, um sicherzustellen, dass die Produkte ihrer Kunden so umwelt- und nutzerfreundlich wie möglich bleiben.

[1] https://www.epa.gov/dioxin/learn-about-dioxin

[2] Moro, S.; Chipman, JK; Wegener, JW; Hamberger, C.; Dekant, W.; Mally, A. (2012). “Furan in wärmebehandelten Lebensmitteln: Bildung, Exposition, Toxizität und Aspekte der Risikobewertung” (PDF). Molekulare Ernährung & Lebensmittelforschung. 56 (8): 1197–1211.