Baskılı devre kartı (BDK) üretiminde yaşam döngüsü değerlendirmesi
Life cycle assessment of printed circuit board manufacturing
Yazar: ELİF ÖZKAN
Danışman: PROF. DR. FATMA FATOŞ BABUNA ; ÖĞR. GÖR. NİLAY ELGİNÖZ KANAT
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Teknolojinin gelişmesi ile elektrikli ve elektronik eşyaların (EEE) hayatımızdaki yeri giderek fazlalaşmıştır. Öte yandan, teknolojide gelişme hızının da artması, elektronik ekipmanların kullanım ömrünü azaltmıştır. Bu durum, atık elektrikli ve elektronik eşyaların (AEEE) miktarında da ciddi artışlara sebep olmaktadır.
Baskılı devre kartları (BDK) elektrikli ve elektronik eşyaların (EEE) vazgeçilmez bir parçasıdır. EEE'lerin hayatımızdaki yerinin artması ile BDK üretimi de hızlı bir şekilde artmaktadır. BDK'lerin hem üretim aşaması hem de ürün ömrü tamamlandıktan sonraki bertaraf aşaması çevre üzerinde olumsuz etkilere sahiptir.
Sürdürülebilirlik kavramının giderek önem kazandığı günümüzde, üreticilere de büyük sorumluluklar düşmektedir. Özellikle Avrupa Birliği'nin Atık Elektrikli ve Elektronik Eşyalar (AEEE) Direktifi üreticilere ürünlerinin atık halini aldıktan sonraki aşama için çok fazla sorumluluklar yüklemekte, üreticileri çevresel etkileri azaltılmış ürünler üretmeye teşvik etmektedir.
Yukarıda belirtildiği gibi, sürdürülebilirlik kavramının tüm iş süreçlerinde öncelikli olarak yer alması, üretilen ürün ve hizmetlerin çevresel etkilerinin analizi ve azaltılması konusunu da ön plana taşımıştır. Bu kapsamda Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi (YDD) metodu, bir ürün ya da hizmetin çevresel etkilerinin belirlenmesinde oldukça sık başvurulan bir analiz haline gelmiştir. YDD, bir ürün veya hizmetin, ömür çevrimi boyunca oluşan tüm çevresel etkilerini sayısal veriler ile değerlendiren bir analiz yöntemidir. YDD, bütüncül bir yaklaşım ile değerlendirme yapıyor olması açısından büyük öneme sahip bir metottur. YDD, bir teknoloji değildir, bize çevresel etkilerin nasıl azaltılacağı bilgisini sağlamaz; ancak çevresel etkilerin hangi prosesten ne kadar kaynaklandığını sayısal değerler ile göstererek çevresel etkilerin yüksek olduğu alanları, diğer bir değiş ile odaklanılması gereken proses parçalarını belirtir. Sürdürülebilir üretim ve hizmet sağlama aşamasında karar verici mercilere yol gösteren çok önemli bir yaklaşımdır.
YDD'nin kapsamı ve uygulama adımları ISO 14040 serisi standardı ile tanımlanmıştır.
Bu bilgiler doğrultusunda, bu tez çalışmasında baskılı devre kartı (BDK) üretiminden kaynaklanan çevresel etkilerin YDD yaklaşımı ile belirlenmesi ve çevresel etkileri azaltma önerilerinin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Böylece, bu sektörde üretim yapan üreticilere, karar verici mercilere ve konu üstüne akademik çalışmalar yapan araştırmacılara yol göstermek amaçlanmıştır. Bu kapsamda Türkiye' de üretim yapan bir baskılı devre kartı (BDK) üretim tesisi incelenerek çalışma gerçekleştirilmiştir.
Çalışma, toplanan bilgilerin üretim yapan bir tesisten alınmış olması ve Türkiye'ye ait güncel verileri sunması nedeniyle önemlidir. Ülkemizde yerel veriler üstünden gerçekleştirilmiş YDD çalışmalarının son derece sınırlı olması çalışmanın değerini artırmaktadır.
BDK üretimi için gerekli ilk malzeme BDK'nin üzerine basılacağı yüzeyi bakır kaplı levhadır; fakat bu levhanın üretimi incelenen fabrikanın içerisinde gerçekleştirilmemekte, levha dışarıdan temin edilmektedir. Levhanın fabrikaya gelmesinden sonra devrenin basım adımları fabrikada gerçekleştirilmektedir; ancak hem literatürle karşılaştırmak hem de fabrikada gerçekleştirilen bakır geri kazanımı prosesi için gerekli bakırın YDD modeline girişini sağlamak amaçları ile, lehvanın üretim aşaması da basit bir şekilde modellenmiştir. BDK, tek başına kullanılabilen bir ekipman olmadığı için "kullanım fazı" bu çalışmaya dahil edilmemiştir.
Bu bilgiler doğrultusunda, BDK'nin YDD çalışması bakır yüzeyli levhanın üretilmesi, BDK üretimi ve ürün ömrü sonu olmak üzere üç adımda modellenmiştir. BDK'lerin ürün ömrü sonunda, içerisindeki değerli metallerin alınması çok önemli; ancak bir o kadar da karmaşık bir prosestir. Bu sebeple ürün ömrü dolan BDK'lerin yakma tesisinde bertaraf edildiği kabul edilmiş, YDD modeli o şekilde kurulmuştur.
Çalışmanın işlevsel birimi "1 m2 BDK" olarak belirlenmiştir, tüm çevresel etkiler 1 m2 BDK için hesaplanmıştır. YDD çalışması GaBi bilgisayar programı, Ecoinvent veri tabanı ve CML 2001 hesaplama yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Çalışmanın sonucunda, belirlenen on bir çevresel etki kategorisinden dokuz tanesinde; küresel ısınma potansiyeli, asidifikasyon potansiyeli, ötrofikasyon potansiyeli, abiyotik element ve fosil tükenme potansiyelleri, insan toksisitesi potansiyeli, deniz suyu ekotoksisitesi potansiyeli, fotokimyasal ozon oluşturma potansiyeli ve karasal ekotoksisite potansiyeli kategorilerinde bakır yüzeyli levhanın üretimi prosesinin, diğer proseslerden daha yüksek etkiye sahip olduğu görülmüştür. Bunun en önemli sebebi, bu proseste bakır, cam yünü gibi hammadde ve malzemelerin tüketiliyor olmasıdır. Daha önce belirtildiği gibi, bu adımın incelenen fabrika içerisinde gerçekleştirilmiyor olması sebebi ile bu konuda bir iyileştirme önerisi getirilmemiştir.
Fabrikada yürütülen BDK üretim hattı tatlısu ekotoksisitesi potansiyeli ve ozon tabakasının incelmesi potansiyeli etki kategorilerinde diğer ana proseslere göre daha yüksek etkiye sahiptir.
Bunların yanında BDK üretiminin tüm adımları, tüm çevresel etki kategorilerinde değerlendirilmiştir. Değerlendirmeler sonucunda bakır aşındırma prosesinin, birçok çevresel etki kategorisinde en yüksek etkiye sahip olduğu gözlenmiştir. Bakır aşındırma prosesinde kullanılan ekipmanın veriminin düşük olması sebebi ile bu proseste çok fazla hidroklorik asit (HCl) tüketilmekte ve aşındırılan bakırın büyük bir kısmı geri kazanılamamaktadır. Tüketilen HCl, çevresel etki kategorilerinde yüksek etki çıkmasına sebep olmaktadır.
Koruyucu kaplama prosesinin de çevresel etkilerinin yüksek olduğu gözlenmiştir. Bu proseste kullanılan lehim çubuk, birçok çevresel kategoride etkiye sebep olmuştur.
Çalışmada taşımacılığın çevresel etki potansiyelleri üzerindeki etkisine de bakılmıştır. Üretim için gerekli hammadde ve malzemelerin, çalışmanın yapıldığı fabrikaya taşınması, BDK üretiminden kaynaklanan atıkların ve ürün ömrünü tamamlayan BDK'nin beratarafa gönderilmesi sırasındaki taşımacılık modele dahil edilmiştir. Taşımacılığı dahil edilmesi ile tüm çevresel etki potansiyellerinde artış meydana gelmiştir. En büyük artış fotokimyasal ozon oluşturma, asidifikasyon, küresel ısınma ve abiyotik fosil tüketme potansiyellerinde gerçekleşmiştir.
Bunların yanı sıra tüketilen elektriğin yenilenebilir enerji kaynaklarından temin edilmesi durumunda çevresel etki potansiyellerinin nasıl değiştiğine bakılmıştır. Mevcut modelde elektrik girdisi olarak Avrupa ortalaması kullanılırken, yenilenebilir enerji kaynakları modellenirken Ecoinvent veri tabanından şebeke elektriğinin yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edildiği verileri seçilmiş ve kullanılmştır. Elektriğin yenilenebilir enerji kaynaklarından temin edilmesi halinde abiyotik element tükenme potansiyeli hariç diğer tüm çevresel etki potansiyellerinde azalış meydana gelmiştir. En büyük azalış küresel ısınma ve abiyotik fosil tüketme potansiyellerinde gerçekleşmiştir. Abiyotik element tükenme potansiyelinde artış ya da azalış gözlenmemiştir.
Tez kapsamında, BDK üretim hattının çevresel etki potansiyellerinde, birçok çevresel etki kategorisinde en yüksek etkiye sebep olan bakır aşındırma prosesinin iyileştirilmesi de çalışılmıştır. Şu anki durumda %30 olan bakır geri kazanımının %47'ye çıkarılması, su ve HCl tüketiminin azaltılması ile çevresel etki kategorilerinde oluşan değişiklikler incelenmiştir. Bu iyileştirmeler sonucunda BDK üretim hattının tüm çevresel etki potansiyellerinde azalış olduğu gözlenmiştir.
Son olarak, çalışmada 1 m2 için hesaplanan tüm çevresel etki potansiyelleri 22.500 m2 için normalize edilmiş ve fabrikanın aylık çevresel etki potansiyelleri hesaplanmıştır
Çalışma sonucunda, fabrikadaki çevresel etkilerin azaltılması için HCl tüketiminin azlaltılması gerektiği saptanmış, ayrıca bakır geri kazanımı prosesinin iyileştirilerek geri kazanım veriminin artması çalışmalarının etkin olabileceği ve koruyucu kaplama prosesinde alternatif lehimler kullanılabileceği ortaya çıkmıştır. Sözkonusu bulgular fabrikada gerçekleştirilen üretim sırasında ortaya çıkan çevresel etkilerin azaltılması için önerilmektedir.

Abstract:
The development of technology and the place of electrical and electronic equipment (EEE) in our lives have increased steadily. Nevertheless, the development of electronic acceleration of technology has reduced the useful life of electronic equipment. Due to these facts this study addressing the environmental impacts of a significant part of all electronic equipments is of importance. Printed circuit boards (PCBs) are an indispensable part of electrical and electronic equipment (EEE). With the increase in EEE's place in our lives, PCB production is also rapidly increasing. Both the production phase of PCBs and the disposal stage after the end of product life have adverse effects on the environment. Nowadays, as sustainability concept becomes increasingly important, also poducers have major responsibilities. The European Union's Directive on Waste Electrical and Electronic Equipment (AEEE) places a great deal of responsibility on the producers after they have become waste products, encouraging manufacturers to produce products with reduced environmental impact. As mentioned above, the concept of sustainability takes precedence over all business processes, and the analysis and reduction of the environmental effects of the products and services produced are also at the forefront. In this context, the Life Cycle Assesment (LCA) method has become a frequently used analysis in the determination of the environmental effects of a product or service. LCA is an analysis method that evaluates all the environmental effects of a product or service during the life cycle with numerical data. LCA has a big importance since it provides pre-assessment in terms of evaluating the processes with a holistic approach. LCA is not a technology, it does not provide how to reduce environmental impacts; but it indicates the areas where the environmental impacts are high by quantifying how much of the environmental impacts are spawning. It is a very important approach leading to decision-making in the process of sustainable production and service delivery. The scope and implementation steps of the LCA are defined by the ISO 14040 series standards. In the light of this information, in this thesis study, it is aimed to determine the environmental impacts of printed circuit board (PCB) production by using the LCA approach and to develop proposals for reducing environmental impacts. In this way, it is aimed to generate useful data for producers in this sector, decision makers and academic researchers in this field. In this context, a printed circuit board (PCB) manufacturing facility that produces in Turkey was examined and the study was carried out. The study is also important because the collected information is taken from a production plant and it is based on the current data of Turkey. Such real data is of importance for countries like Turkey as very scarce Turkish data can be found in literature. The first step required for PCB production is the copper fabrication of copper plated board on which the PCB is printed. However, the production of this board is not carried out in the examined plant, but supplied from outside. The printing steps of the PCB are performed in the factory after board comes as prepared. The fabrication phase of the the board is modeled in a simple way both for comparison with the literature and for the introduction of the copper's in LCA model, which is necessary for the copper recovery process at the factory. Since the PCB is not a stand-alone equipment, the "use phase" is not included in this study. In line with this information, the LCA of PCB has been modeled in three steps: fabrication of copper-plated board, PCB production and end of life. At the end of life cycle of PCBs, it is very important to take in precious metals; but it is a complicated process. PCB recycling is not very common in the world. For these reasons, it has been assumed that the PCBs that have reached the end of their product life cycle have been disposed of at the incineration plant, and the LCA model has been established accordingly. The functional unit of the study is designated as "1 m2 PCB". It means, all the calculated environmental impacts are calculated for 1 m2 PCB. The LCA study was performed using the GaBi sotfware program, the Ecoinvent database and the CML 2001 calculation method. As a result of the study, it has been found that the fabrication process of the copper-plated board with ten of the nine environmental impact categories, global warming potential, (GWP), acidification potential (AP), eutrophication potential (EP), abiotic depletion potential-element (ADP element), abiotic depletion potential-fossil (ADP fossil), human toxicity potential (HTP), marine aquatic ecotoxicity potential (MAETP), photochemical ozone creation potentioal (POCP) and terrestrial ecotoxicity (TETP,has a higher effect than the other processes. The most important reason for this is that these proceses are consumed raw materials such as copper, glass wool. As already mentioned, there is no suggestion of improvement in this regard, as this step is not carried out in the observed production plant. The PCB production process performed in the plant has higher impact on the fresh water aquatic ecotoxicity potential (FAETP) and ozone depletion potential (ODP) categories than the other processes. Besides, all the steps of PCB production are evaluated in terms of all environmental impact categories. At the end of the evaluations, it was observed that the copper etching process has the highest effect on many environmental impact categories. Because the efficiency of the equipment used in the copper etching process is low, this process consumes too much hydrochloric acid (HCl). Consumed HCl causes high impact on environmental impact categories. The effect of transport on environmental impact potentials has also been examined. Transport of raw materials and materials required for production to the factory where the study was performed, waste generated from the production of PCB, and transportation of the PCB, which completed the product life cycle, were included in the model. The inclusion of transportation has increased the potentials of all environmental impact categories. The greatest increase has been observed in acidification, global warming and abiotic fossil depletion potentials.
In addition, the possible changes in environmental impact potentials are also examined when consumed electricity is supplied from renewable energy sources. In the current model, the European average data is used as the electricity input, while modeling renewable energy usage, the data obtained from the renewable energy sources of the mains electricity from the Ecoinvent database are selected and used. If electricity is supplied from renewable energy sources, all other environmental impact potentials except abiotic element depletion potential are reduced. The greatest reduction was achieved in global warming and abiotic fossil consumption potentials. No increase or decrease in abiotic element depletion potential is observed. Within the scope of the thesis, the improvement of the copper etching process, which is the highest effect in the environmental impact potentials of the PCB production line and in many environmental impact categories, has been studied. Changes in the environmental impact categories have been examined by increasing copper recovery rate from 30% to 47%, reducing in water and HCl consumption. As a result of these improvements, it has been observed that the overall environmental impact potential of the PCB production line has decreased. All environmental impact potentials calculated for 1 m2 in the study were normalized to 22,500 m2 and the monthly environmental impact potentials of the plant were calculated. As a result of the study, it has been proposed that the consumption of HCl can be reduced to lower the environmental impacts in the factory and the recovery efficiency can be improved by increasing the copper recovery process. Also, alternative solder bars can be used in protective coating. These findings are proposed to reduce the environmental impacts that occur during production at the plant.