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Effizientes Filterkonzept Unitek Eapro, Helmond (NL)

Filtration und Absaugung von gefährlichen Dämpfen im Hinblick auf bleifreies Löten
Effizientes Filterkonzept Unitek Eapro, Helmond (NL)

Das Thema, Arbeitsplätze sicher und vor allem gesund zu gestalten, wird immer wichtiger. Die Umstellung auf bleifreies Löten ab 1. Juli 2006 birgt erhöhte Risiken für die Gesundheit der Mitarbeiter. Gerade in der Elektronikfertigung werden gesundheitsschädliche Stoffe freigesetzt, die bei langfristiger Betrachtung schwere Erkrankungen wie z.B. berufsbedingtes Asthma oder Krebs verursachen können.

Bei der täglichen Arbeit in den Produktions- und Reparaturstätten bleiben die Risiken, welche durch die Arbeitsprozesse entstehen, oft unbeachtet. Die Gase und Dämpfe beim Löten, Kleben oder Beschichten können in so geringen Mengen auftreten, dass diese zwar für die menschlichen Sinne unbemerkt bleiben, jedoch die zulässigen Grenzwerte überschreiten. Dies rührt auch häufig von Gewöhnungseffekten her. Aufgrund von immer strengeren Richtlinien und Gesetzen gibt es hierbei enormen Handlungsbedarf.

Arbeitsbereiche
Namhafte Elektronikproduzenten haben firmeninterne Richtlinien für verschiedene Abteilungen in der Fertigung, um diese zu speziellen Arbeitsbereichen zu erheben. Denken Sie nur an ESD-Richtlinien. Klimaanlagen und erhöhte Luftzirkulation durch eine zentrale Lüftungsanlage verbessern ebenso das Arbeitsklima, sind jedoch bei gefährlichen oder sogar giftigen Dämpfen nicht ausreichend. Zudem ist die Belastung durch diese Stoffe oft schwierig zu messen, denn im Gegensatz zur durchschnittlichen Kontamination im gesamten Raum, ist der Arbeiter mit dem Gesicht direkt über der Quelle einer höheren Dosis ausgesetzt.
Die Klimaanlagen sind zudem nicht ausgelegt um chemische Partikel und Gase zu filtrieren, sondern verteilen diese sogar gleichmäßig im gesamten Gebäude. Die beste Lösung ist das Erfassen direkt an der Entstehungsquelle mittels geeigneter Absaugung.
Täglich anfallende Belastungen
Die Fertigungsmethoden in den Produktionsstätten bestimmen hierbei die Art und Weise der Absaugung. Wir unterscheiden zwischen Hoch- bzw. Niedervakuum-Geräten. Erstere werden eingesetzt, um die Dämpfe mittels dünner Rohre direkt an der Lötspitze mit hoher Strömungsgeschwindigkeit aufzunehmen. Bei der zweiten Variante wird eine größere Luftmenge bei niedriger Geschwindigkeit mit Absaugarmen oder -hauben abgesaugt.
Betrachten wir den gesamten Prozess der Baugruppenfertigung, sehen wir eine Anzahl verschiedener Schritte. Zuerst das Zuschneiden und Beschichten, gefolgt von Lotpastenaufdruck, Bestückung und dem Lötprozess. Zuletzt das Verkabeln und Installieren der Baugruppen Gehäusen oder Zubehör. Hinzu kommt häufig die Nacharbeit oder Reparatur. Während der Herstellung der Baugruppe treffen wir auf verschiedene Chemikalien, hauptsächlich Flüssigkeiten und Schutzlacke. Zieht man die große Luftmenge in Betracht, kommen hierbei nur Niedervakuum-Geräte in Frage. Auftretende Gase sind u. a. Acetate und Cyanate. In diesem Bereich werden heute überwiegend geschlossene Anlagen mit Zentralabsaugung angeboten. Jedoch dauert die Ausdünstung schädlicher Gase noch einige Zeit nach Verlassen der Produktionsanlagen an.
Bei der Montage werden hauptsächlich SMT-Klebstoffe etc. verwendet. Diese Stoffe setzen beim Aushärten alle eine Art von Isocyanaten frei, welche bereits in geringen Mengen extrem gefährlich sein können. Es folgt der Lötprozess, bei dem verschiedene Gase freigesetzt werden. Erhitzt man Flussmittel, entstehen Aldehyde, Alkohol, organisches Material, Blei etc. Die jeweilige Menge hängt vom verwendeten Flussmittel ab.
Dem Löten folgt häufig das Beschichten der Baugruppe und die Verkabelung. So werden z.B. die Kabelenden vorverzinnt und aufgelötet. Da dies häufig manuell geschieht, ist auch hierbei der Arbeiter mit seinem Gesicht nahe am Prozess, speziell beim Handlöten. Dabei entstehen ebenso eine Vielzahl der oben erwähnten Gase. Hinzu kommt die Nacharbeit oder das Reparaturlöten. Alle bereits erwähnten Aspekte können hier auftreten. Zudem müssen oft Flussmittelrückstände oder Beschichtungsmaterial mittels Heißluftwerkzeugen o.ä. zu Prüfzwecken oder zum Entlöten entfernt werden. Isocyanat und Formaldehyd zusammen mit Alkohol wird bei diesen Prozessen freigesetzt.
Gesundheitsaspekte
Um die enorme Wichtigkeit von Lötrauchabsaugungen darzulegen bedarf es einer Erklärung der wichtigsten Gesundheitsaspekte. Sehr oft sind sich Produktionsleiter der Folgen, die durch gesundheitsschädliche Stoffe entstehen können, nicht bewusst. Während in Skandinavien mittlerweile die Haftung für berufsbedingtes Asthma in der Elektronikindustrie übernommen, und mit der Asbest-
gefahr gleichgestellt wird, behandelt man hierzulande dieses Thema leider immer noch stiefmütterlich. Das soll jedoch nicht heißen, dass in Skandinavien berufsbedingtes Asthma kein Thema ist. So wurde erst vor kurzem eine Firma zur Zahlung einer lebenslangen Rente und einer zusätzlichen Abfindung zur Kompensation der Gesundheitsschäden an mehrere Arbeiter verurteilt. Mit der Gleichstellung des europäischen Rechts ist dies auch in anderen Ländern zu erwarten.
Partikel und Gase werden von den Atmungsorganen aufgenommen und wandern anschließend in den Blutkreislauf. Die ersten Symptome sind Beeinträchtigung des Geruchssinnes, Reizung der Augen und des Rachens, Kopfschmerzen und Schwindelgefühl. Hauptursache für berufsbedingtes Asthma ist der Kontakt mit Isocyanat, wohingegen Isopropylalkohol trockene und spröde Haut sowie Kopfschmerzen und Schwindelgefühle verursacht. Formaldehyd, welches bei der Erhitzung von Flussmittel freigesetzt wird, führt zu laufenden Nasen, tränenden Augen, Halsschmerzen und Verlust von Geschmacks- und Geruchssinn. Nicht zu vergessen, dass der Nachweis dieser Belastung eine Menge Zeit beansprucht und sehr kostenintensiv ist, zumal diese Giftstoffe sich auch in der Leber und anderen Organen absetzen. Offensichtlich kann dies zu sehr ernsten Gesundheitsschäden und sogar einem frühen Tod führen. Medizinische Studien in Großbritannien zeigen, dass diese Krankheitsbilder besonders häufig bei Personen in der Elektronikindustrie auftreten. Es gibt also genug gute Gründe, um den Arbeitsplatz sicher und frei von gesundheitsschädlichen Stoffen zu gestalten.
Asthma ist eine Erkrankung, die durch Episoden von anfallsweiser Luftnot gekennzeichnet ist. Die wichtigsten Symptome sind Atemnot, Husten, Keuchen und ein Zuschnüren des Brustkorbes, vergleichbar mit einer dünnen Röhre, die immer enger wird. Berufsbedingtes Asthma tritt nach dem Kontakt mit Dämpfen am Arbeitsplatz auf. Die Symptome verschwinden mehr oder weniger sobald man die Arbeitsstelle für längere Zeit verlässt z. B. im Urlaub.
Asthma ist häufig eine Folgeerscheinung von Allergien. Biologische Allergien sind weitestgehend bekannt (Pollen, Tiere, Staubmilben etc.) wohingegen Industriechemikalien in ihrer Auswirkung unterschätzt werden. Das bekannteste Produkt als Hauptursache für berufsbedingtes Asthma ist Isocyanat. Diese Chemikalie tritt in Dämpfen auf, wenn man Polyurethan erhitzt wie z. B. bei Schutzlacken, Isolierungen usw.
Berufsbedingtes Asthma wird von vielen Ärzten wie Bronchitis diagnostiziert und behandelt. Es gibt eine latente Zeitspanne zwischen der ersten Berührung und dem Auftreten der Symptome. Diese Spanne der Sensibilisierung beträgt durchschnittlich vier Jahre in der Elektronikindustrie, aber kann in der Praxis zwischen einigen Monaten und 16 Jahren betragen. Die sensibilisierenden Stoffe am Arbeitsplatz sind üblicherweise lange bevor die ersten Symptome auftreten, vorhanden.
Es gibt drei mögliche Formen:
  • Unmittelbare asthmatische Reaktion (beginnt innerhalb von Minuten und dauert 1 bis 2 Stunden).
  • Verzögerte asthmatische Reaktion (beginnt nach einigen Stunden und dauert maximal 6 bis 18 Stunden).
  • Wiederkehrende asthmatische Reaktion (ein einziger Kontakt kann zu fortwährenden Beschwerden über Tage oder sogar Wochen führen).
Es sind Fälle bekannt, in denen Mitarbeiter in Büros drei Stockwerke über der Elektronikfertigung asthmatische Reaktionen gezeigt haben. Dies ist auf eine zentrale Klimaanlage mit ungeeigneter Gasfiltrierung zurückzuführen.
Mehr Schadstoffe im Löt- rauch durch bleifreies Löten
Blei tritt im Lötrauch in Kleinstpartikeln und sehr geringen Mengen auf. Generell stellt es daher keine gesundheitliche Bedrohung durch Einatmen dar. Das Blei in dem Lötzinn kann in den menschlichen Körper sowohl durch die Haut, als auch über die Nahrungsaufnahme nach dem Lötprozess gelangen.
Die Bleilegierung im Lötzinn wird verwendet, um die Schmelztemperatur gering zu halten. Um also in Zukunft das gleiche Resultat zu erzielen, muss folglich die Temperatur beim bleifreien Löten um ca. 30° Celsius erhöht werden. Darum ist es erforderlich ca. 50 bis 70% mehr Flussmittel zu verwenden.
Eine Erhöhung der Löttemperatur, sowie der Gebrauch von mehr Flussmittel erzeugt jedoch mehr Partikel und Gase. Filtronic hat in enger Zusammenarbeit mit Engzells i Kumla und der Universität Örebro in Schweden eine Studie erstellt. Derzufolge hat sich die Menge an Partikeln im Lötrauch, bedingt durch den Einsatz von bleifreiem Lot in Verbindung mit der Erhöhung des Flussmittelanteils, verdoppelt.
Effizienz der Filter und Standzeit
Ein Lötrauchabsaugung und Filteranlage besteht aus verschiedenen Teilen. Das Wichtigste bei einem solchen System ist der Vakuummotor, das Filterkonzept, die Kontrolle und das Gehäuse. Wir haben zu Beginn die Arbeitsweise von Hoch- bzw. Niedervakuum-Geräten erläutert, und dass die Fertigungsmethode die Art der verwendeten Technik bestimmt. Das Filterkonzept ist jedoch in beiden Fällen gleich. Das Filterkonzept ist ausschlaggebend für die Effizienz der Geräte, speziell wenn Gasfiltrierung verlangt wird und nicht nur ein einfaches Absaugen. Der Gasfilter besteht deshalb aus zwei Schlüsselelementen. Das Material, welches zur Gasfiltrierung verwendet wird, und die Kontaktzeit der Gase mit dem Filtermaterial. Das Filtermaterial einer brauchbaren Absaugung kann sowohl aus Aktivkohle, als auch einer Mischung aus Aktivkohle und Purafil (Aluminiumoxid imprägniert mit Kaliumpermanganat) bestehen. Wird ein Filter verwendet, welcher ausschließlich Aktivkohle enthält, so ist die Standzeit sehr stark reduziert. Dies führt zu einer raschen Sättigung und der Filter muss erneuert werden. Die Akzeptanz eines solchen Systems liegt kaum in einem angemessenen Zeitraum. Die zweite Option ist eine Mischung beider erwähnten Materialien. Purafil absorbiert die Gase und erhöht somit die Standzeit der Aktivkohle. In einer chemischen Reaktion werden die Gase umgewandelt zu Salz, Braunstein und Wasser. Der Filter hat daher eine deutlich längere Standzeit im Vergleich zu einem reinen Aktivkohlefilter. Diese liegt bei zirka 6 bis 9 Monaten (abhängig von der Intensität der gefilterten Gase).
Jedoch das Filtermaterial alleine ist nicht das Einzige, das die Effizienz des Filters beeinflusst. Das Material muss die Fähigkeit haben, die durchströmende Luft ausreichend von den Gasen zu reinigen. Dies hängt auch von der sogenannten Kontaktzeit mit dem Filtermaterial ab. Der minimale Wert hierfür beträgt 0,3 Sekunden. Zieht man die Abmessungen der Gasfilter (ohne Mikrofilter) in Betracht, so kann dieser Wert einfach ermittelt werden. Hieraus wiederum ergibt sich die maximale Absaugleistung.
Wenn wir die Effizienz der Gasfilter aufgedeckt haben, können wir uns einigen anderen Eigenschaften der Geräte zuwenden. Die Standzeit der Filter hängt von der Fähigkeit ab, einen gewissen Druckverlust zu überwinden (angezeigt in mmws), bevor der Filter verstopft. Je höher dieser Wert, desto länger die Filterstandzeit. Derzeit ist dies die einzige Methode die Standzeit der Filter zu messen. Alle industriellen Filtersysteme geben nur die erwartete Standzeit aufgrund der Messung des Druckverlustes in den Mikrofiltern an.
Die am Schwersten zu filternden Partikel haben eine Größe von 0,3 µm. Hierbei bedarf es einem Filter nach HEPA (DOP) Standards. Ein guter Filter sollte auf jeden Fall 99,997% der Partikel mit einer Größe von 0,3 µm filtern. Alle kleineren oder größeren Partikel sind wesentlich einfacher einzu- fangen.
Auch der Aufbau eines kompletten Filters muss hierbei in Betracht gezogen werden. Ein perfektes Filtersystem besteht aus einem Mikrofilter um die Kleinstpartikel abzuscheiden, gefolgt von einem Gasfilter und zuletzt einem Staubfilter, um zu verhindern, dass Staub aus dem Gasfilter in die Umluft gelangt. Sicherlich gibt es Filtersysteme mit einem anderen Konzept, diese haben jedoch deutliche Nachteile. So führen beispielsweise Gasfilter vor dem Mikrofilter zu einem schnellen Verstopfen der Gasfilter oder nichtgeeignetes Filtermaterial führt zu unzureichender Kontaktzeit.
Nützliche Hinweise
Bei Einhaltung einiger nützlicher Hinweise kann das Filtersystem noch effizienter genutzt werden. Der Luftstrom an Absaugarmen oder Hauben sollte mindestens 0,5 m/s betragen. Das verhindert ein Entweichen der Gasmoleküle, und leitet diese mit dem Luftstrom in das jeweilige Gerät. Das entspricht bei einer Punktabsaugung einem Luftstrom von mindestens 20 l/min bei einem Durchmesser von ca. 5 mm. Auch sollte die Absaugdüse oder der Eingang des Systems so nah wie möglich an der Entstehungsquelle liegen und auf der Tischoberfläche aufliegen. Dies führt zu dem sog. Coanda-Effekt: Aufgrund des Luftstromes nahe der Oberfläche wird ein Vakuum erzeugt, und führt zu einem besseren Ergebnis auch bei niedriger Luftgeschwindigkeit. Alle Absauganlagen und Systeme sollten von unabhängigen Instituten in Punkto Abscheidegrad und ESD-Sicherheit zertifiziert sein. Einige Hersteller behaupten, ihre Geräte entsprechen diesen Spezifikationen, jedoch muss es sich hierbei nicht notwendigerweise um Zertifikate von neutralen Institutionen handeln.
Lösungen
Filtronic bietet 3 Möglichkeiten der Lötrauchabsaugung:
  • 1. Mobile Filtereinheiten mit Armabsaugung
  • 2. Punktabsaugung direkt am Lötkolben
  • 3. Absaugkabine mit Luftvorhang
Diese 3 Möglichkeiten beseitigen den Lötrauch auf effiziente Weise. Das einzigartige Filterkonzept beinhaltet:
  • Einen Partikelfilter mit einem Abscheidegrad von 99,997%
  • Einen Gasfilter für hoch- und niedermolekulare Gase
  • Einen Staubfilter.
Das Filtersystem wurde von dem unabhängigen, schwedischen Institut für Gewässer und Luftreinhaltung (IVL) getestet und zertifiziert
In der Elektronikfertigung entstehen trotz aller umweltschützenden Maßnahmen unerwünschte Dämpfe, Rauche, sowie Abdünstungen leichtflüchtiger Lösemittel. Die weitestgehende Beseitigung solcher toxischer Stoffe bevor sie, sowohl in die Umwelt als auch zu den Mitarbeitern gelangen, sollte in Europa eigentlich Minimalkonsens sein. Andernfalls können erhebliche Schäden an Gesundheit und Umwelt auftreten, mit dramatischen Folgen.
SMT, Stand 1-601
EPP 421
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Doris Jetter, Redaktion EPP und Sophie Siegmund Redaktion EPP Europe sprechen einmal monatlich mit namhaften Persönlichkeiten der Elektronikfertigung über aktuelle und spannende Themen, die die Branche umtreiben.

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