很多国家都采用了能源标签,致力于在全球范围内减少对环境的污染。这些标签会向客户说明家用电器产品(例如,洗衣机、电视机、空调和电灯等)的预计能源成本。在欧洲,欧盟正在使用其 EuP(能耗产品)指令对工业应用进行分类,以准备在2012 年左右降低能耗。但是在此之前,客户会发现很难比较工业制造设备的能耗指标。
ISO 14000 等标准要求对环境污染情况做出报告,并努力减少对环境的污染。电子产品制造过程中,对环境影响最大的就是电路板和元件。例如,在当前的手机和显示屏中,存在砷、铍、镉、铜和铅等有毒的化合物;设备的包装中可能含有溴化阻燃剂。
生产线也会消耗能源,它们通常需要一天24小时运行,其中以焊接和贴装两种设备所消耗的能源为最多。焊接所消耗的能源由工艺要求决定。炉子的隔热会节省能耗,但是最重要的因素是焊料的熔点、炉子的长度和温区的数量(加热能力)。设备所发出的热量必须由HVAC(加热、通风和空调)设备清除,将消耗双倍的能源。
设备的设计对将来产品的环保性能会产生极大的影响,因为其对下游数以万计的产品会产生影响。设计决定能耗的多少,但是如果没有标准的测量方法,是不可能对不同设计进行比较的。常用的方法为“生态指标 99”,采用的是使用寿命周期评估(LCA)。这种方法会指定“生态点”,来说明产品在其整个使用寿命期间对环境的损害程度。贴片设备中使用的钢、铝、铜和塑料大部分都可以回收,因此,对环境的主要影响来自于设备的运输、安装和使用过程(关键部分)。
贴片机一般都可以工作7年以上的时间,因此设备在其整个使用寿命周期内的能耗是最重要的因素。特别是在中国,能源需求的增长超过了可用能源供应的增长,因此这一点显得尤为重要。煤矿每年可满足 30-35 GW 需求的一大部分,但是,煤矿的开采已经导致了严重的环境污染,随着高热值煤使用量的下降,该问题会越来越严重。因此,能源的效率问题在中国显得尤为重要。
作为 EcoVision IV 计划的一部分,飞利浦一直致力于在 2012 年将其能源使用效率相对于 2007 年的水平提高25%。为实现这一目标,安必昂使用了“生态指标 99”来评估贴片机对环境的主要影响。结果表明,主要的影响在于机器的驱动马达、控制器和压缩机所用的电力,以及工厂本身所需的照明和空调使用的电力。此外,返修站的能耗虽然不明显,但也很重要。
使用寿命周期评估(LCA)
LCA评估的是产品将对环境造成的损害,它包括原材料的获取以及制造、包装、分销、使用和产品报废过程中所产生的环境影响。
生态指标 99 方法(现为 ISO 14042)在上世纪 90 年代推出,用来评估产品对环境的影响。该方法首先被荷兰环境部门(VROM)采用,用来评估新的产品设计,它能够很好地用于对使用寿命期间的贴片机进行评估。生态指标 99 有三个步骤。首先,统计产品使用寿命周期内所有的工艺流程(“LCA鱼骨图”)。然后,使用“生态点”来计算这些流程的环境损害程度。最后,数据被标准化,乘以权重因数并相加。一千个生态点是指一个欧洲市民平均每年对环境的影响。
贴片机的 LCA
贴片机的 LCA 鱼骨图(图1显示简化版本)显示了最重要的原料和能源使用流程。
制造期间对环境的最大影响来自于制造钢所使用的能源。陆地和(特别是)航空运输也很重要。
使用期间,最大的能耗来自贴片机使用的电力以及压缩空气和真空的提供。贴片机周围的空间也必须加热/冷却并需要使用空调,安必昂计算出了一个虚拟空间,也就是机器周围需要进行处理的区域。此区域长度和机器的长度相同,深度为机器的深度再加上前后侧 1m 的操作人员操作空间,高度为 4米,以适应车间天花板的高度。
使用寿命结束后,机器会被拆除或报废。如果可以的话,原材料会被回收,其余的部分被填埋处理。
计算生态点并对环境影响因素进行排序
生态指标 99 方法接下来会使用图2中显示的三个“损害类别”来计算这些流程造成损害的模式。将来提取矿物质和化石燃料所需的能源会更多。毒性、酸化、海藻污染、气候变化、臭氧层损耗和土地使用将影响生态系统质量。致癌效应、呼吸影响以及其他疾病将影响人类健康。
这三类损害目前的排序如下。
由于不可能准确地测量各个因素(无法获得完整和一致的数据),因此排序较主观。瑞士的研究人员 Hofstetter博士发明了一种“三角”方法来评估环境影响。65位受访者将人类健康排在第一位(见图3),生态系统质量排在第二,自然资源排在第三。
据此就可以对贴片机的环境影响进行侧重处理,“人类 健康”和“生态系统质量”各占40%,“资源”占 20%。最重要的环节是能源的使用,但是结果视工厂如何使用能源而定。可再生能源对环境的影响大大低于化石燃料。
在中国,已经安装了很多机器,因此需要计算这些机器的环境影响,而“最严重的方面”则是火力发电厂。火力发电厂除了会释放 CO2、NOx 和 SO2 等温室气体外,还会排放U、Th 和Hg。图4显示了能耗的主要影响:有机物导致的呼吸问题以及气候变化、致癌效应和化石燃料的减少等。
能耗由机器的设计决定
作为飞利浦公司环保计划的一部分,安必昂在此前就升级了其设备等级,在2003年,其新型的 A-Series 生产线就采用了更高的环保性能规格。和大多数电气设备一样,能耗是其整体设计质量和机器效率的重要测量指标。
其他的因素也会影响能耗。高产量需要更多的控制电路板,因此会增加对环境的影响,而安必昂仅使用软件升级即可将其 A-Series 机器的产能较之于最初的设计提高 3倍。AX-501 现在的速度为 165,000元件/小时,有时只需要使用一台机器,就可以达到对两台机器的产能要求。
A-Series的重量设计得较小(AX-501为3,200公斤),便于运输。其节能的电机使用能源回流控制器,减少了移动质量和摩擦,同时还提高了可靠性和贴片质量。 机器仅消耗较少的压缩空气,还具有节能模式,会关闭不 需要的设备。离线编程还避免了不必要的设备能耗。
A-Series 的占地面积已被最小化,仅为 3720 x 2285mm,减少了对车间空调和每平米的照明需求。润滑剂等耗材的消耗也比较少。模块化设计通过延长设备的使用寿命并推迟报废时间可提高产品的环保性能。此时,设备设计阶段的想法和创意也可以极大地减少对环境的影响,在重量上,一台AX-501 机器的99%以上都可以回收。
最重要的是,其高精度还意味着更少的元件被无效地贴装,更少的(昂贵)组装电路板被浪费。经常被人们忽略的一点是,返修所消耗的所有能源纯粹是一种浪费。安必昂的 A-Series 中使用的独特并行贴装技术使得每百万次贴装的缺陷数仅为个位数。主导贴片机市场的顺序贴装机器每百万次贴装的缺陷数(dpm)通常为 50。这样,在FPY(首次通过合格率)上,A-Series就高出了20%以上。
手机板实例
一块有364个元件(四拼板上共有1,456个元件)的“典型”手机板经过不同的工艺环节装配时对环境的影响如图 5所示。每个因素所产生的影响在 0 至 100% 之间,印刷线路板的影响最大,约为 50%,焊料和 SMT 的影响较小。
尽管无铅焊料的毒性小于 Sn-Pb 类型的焊料,但其工艺需要消耗更多的能源(见图 6)。这主要是由于它的熔点更高(典型值:>215°C 相对于 >183°C)。
除了节省元件和电路板之外,更少的返修还能将使用寿命期间所用的焊膏从14.5 g 降低至 3.5 g,并减少了回流焊所需的能源。这还意味着,和顺序贴片机相比,平均每条生产线上可减少三台2.5kW 的返修站。
在销售时标明能耗
由于在贴片机的环境影响方面最重要的环节就是能耗,安必昂还推出了能效标签。该方法基于EuP,包括在设计和开发需要消耗大量能源和自然资源的产品时的生态设计要求。安必昂使用“生态指标 99”方法比较了六款 贴片机。尽管 ISO 14042 不允许单独使用该方法来比较不同的产品,但我们的计算完全支持 贴片机的能效标签的需求。
这些标签本身十分简单(EuP 指令采用六至九类之间的标签)。将所有可用产品的“平均”能耗额定为“100”,能耗为“平均”水平的55%或以下的产品被定为“A类”(见图 7)。
但是,重要的不仅仅是最初的评分,还有设备在使用寿命期间必须保持以最大的效率进行工作。安必昂正致力于此,利用安必昂性能解决方案(APS)计划来在机器的整个使用寿命期间保持最佳的输出、质量和产量、运行时间和效率。