practice guide

EIPC European Institute of Printed Circuits
SurfEnergy Report
for the European Printed Circuit Board Industry
Submission final version: June 30, 2011.
Start of the project: 01/09/2008
The EIPC is the European
representative at the WECC
Duration: 36 months
Organisation name for dissemination of information in the PCB
Industry: EIPC
Organisation name of lead contractor for this deliverable: EIPC
(final report)
Objective:
Implementation of efficient energy management in Surface Finishing
and Printed Circuit Manufacturing SME’s
Benefits:
Strengthen SME competitiveness through energy efficiency
solutions based on analysis of generic production processes
Keywords: Energy Efficiency, Energy Management, Benchmarking
Questionnaire for the European PCB Production Statistics
Manufacturing Requirements
Drilling
Energy Consumption by Process Area
Status
Total Energy
Consumption
Total Water
Consumption
Status
Total Energy
Consumption
Total Water
Consumption
Contract no. IEE/07/487/S12.499393
Number of mechanical drill heads
Number of mechanical routing heads
Number of Laser drilling machines UV
Number of Laser drilling machines IR
Number of Laser drilling machines UV-IR Hybrid
Number of Laser routing machines UV
Environmental / Clean Room / Climate
Primary Imaging
Exposure machine with Pin/manual registration
Exposure machine with CCD-cameras registration
LDI - equipments
Ink-Jet systems
Others
Environmental / Clean Room / Climate
For more information contact:
EIPC
Bourgognestraat 16, NL-6221 BX Maastricht
Tel: +31-43-3440872, Fax: -73
E-mail: eipc@eipc.org, Internet: www.eipc.org
SurfEnergy Report for the European PCB Industry
Final Report, June 30, 2011
TABLE OF CONTENTS
Page
1.
EU Project SurfEnergy - Introduction
5
1.1 Summary
8
1.2 How energy conservation helps the PCB industry to stay more competi9
tive in the global manufacturing field
1.3 Path to Energy Efficiency to be used from the internet
14
2.
Energy Audit Methodology
15
3.
How to implement an Energy Management System
24
4.
Advanced Tools for SURFace Finishing Processes to Optimize
ENERGY Efficiency - Ideal Factory
53
5.
Advanced Tools for SURFace Finishing Processes to Optimise
ENERGY Efficiency - Populate Benchmarking Database for SURFace
Finishing and PCB Manufacture
73
6.
Advanced Tools for SURFace Finishing Processes to Optimise
ENERGY Efficiency - Deliverable D3: Energy Audits - Summary
Objectives and Scope of Audits
Audit Summary - Case No. 1
6.2.1 Energy Consumption
6.2.2 Energy Accounting and Supplies
6.2.3 Summary of Improvements
Audit Summary - Case No. 2
6.3.1 Energy Consumption
6.3.2 Energy Accounting and Supplies
6.3.3 Summary of Improvements
Audit Summary - Case No. 3
6.4.1 Energy Consumption
6.4.2 Energy Accounting and Supplies
6.4.3 Summary of Improvements
Audit Summary - Case No. 4
6.5.1 Energy Consumption
6.5.2 Energy Accounting and Supplies
6.5.3 Summary of Improvements
Audit Summary - Case No. 5
6.6.1 Energy Consumption
6.6.2 Energy Accounting and Supplies
6.6.3 Summary of Improvements
Generalised Good Practices
86
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
Page No. 2 of 199
89
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108
109
SurfEnergy Report for the European PCB Industry
Final Report, June 30, 2011
Page
111
7.
SURFace ENERGY Efficiency Advisor - Free Energy Saving Tools for
PCB Manufacturing
8.
8.1
8.2
Energy Efficiency Detailed Tool (v07.1) - PCB Instructions for Use
General Requirements
Company Energy Use
8.2.1 Input
8.2.2 Output
Energy Use Based on Process
8.3.1 Input
8.3.2 Output
Investment Decision
8.4.1 Input
8.4.2 Output
115
115
116
116
117
120
120
121
123
123
125
9.
SurfEnergy Workshop at the SMT Show Nuremberg on May 5, 2011
126
10.
Energy Demand and Conservation / Management within the Surface
Engineering and allied sectors
157
11.
11.1
11.2
11.3
Energy saving principles
International standards
Energy management strategies
Applications of energy management strategies in PCB fabrication
11.3.1 Energy-efficient operation of the photochemical department
11.3.2 Energy-efficient operation of the drill shop
11.3.3 Energy-efficient operation of the laminating shop
171
171
172
172
172
173
174
12.
Global market share of different surface finishes used in the PCB Industry
176
8.3
8.4
13.
Impact of legislation on PCB assembly and surface finishing technologies
13.1 Introduction: WEEE and RoHS legislation
13.2 Life-cycle impact assessments of lead-free solder
13.2.1 EPA Life-Cycle Assessment
13.2.2 University of Stuttgart Life-Cycle Assessment
13.2.3 Conclusion: Lead-free solder - primary energy use and environmental impact
13.3 Surface finishing considerations
13.3.1 Lead free HASL
13.3.2 Metallic lead-free finishes
13.3.3 Organic lead-free finishes
179
179
179
179
181
184
184
184
185
185
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SurfEnergy Report for the European PCB Industry
Final Report, June 30, 2011
Options for efficiency use of energy in the PCB industry through
choice of processes
14.1 Alternatives to electroless copper for through-hole metallisation
14.1.1 Introduction
14.1.2 Generic process steps and bath Sequences of MHC Technologies
14.1.3 Processes evaluated
14.1.4 Energy and water consumption rates of MHC Technologies
14.2 Solderable finish options
14.2.1 Introduction
14.2.2 Environmental considerations
14.3 Energy consumption considerations
14.
15.
Biographies by author
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Page
186
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187
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189
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SurfEnergy Report for the European PCB Industry
Final Report, June 30, 2011
1. EU Project “SurfEnergy”Introduction
1. EU Projekt “SurfEnergy Einführung
The European Commission in Brussels sponsored the Energy conservation project that helps
the PCB- and the Surface Finishing Industry to
better understand and reduce energy consumption during manufacturing.
Das von der Europäischen Union (EU) teilweise
unterstützte SurfEnergy Projekt hatte zum Ziel,
die Möglichkeiten zur besseren Nutzung von
Energie bei kleinen und mittleren Unternehmen
(SME) zu erkunden. Dabei werden Wege aufgezeigt, die zum besseren Verständnis für mögliche
Energieeinsparungen bei der Leiterplattenfertigung und bei der Oberflächenveredelung führen.
The specific overall objective of the action is to
strengthen competitiveness in the main target
groups of surface engineering and printed circuit
board industries by achieving the wide introduction of energy efficiency measures.
The project will address non-technological
barriers to the implementation of efficient energy
management in these SME-dominated “kindred”
sectors. The project objectives are to overcome
the key barriers of increasing awareness to the
potential benefits of introducing energy management systems and providing energy efficiency
solutions based on analysis of generic production processes.
The central actions were development of a webbased, interactive toolkit and targeted dissemination. The toolkit was rigorously evaluated during
SME end-user applications testing. Supporting
actions include: generic process benchmarking,
integration with environmental assessment and
intelligence on emerging technologies.
The project outputs are readily accessible and
user-friendly for the SME users, who are often
short of resources and time. All outputs will be
disseminated widely and will be freely available
through the project website.
Tools will be developed to enable these industry sectors to pick the best and most efficient
chemical and process combinations for a comprehensive range of generic applications in
the knowledge that they are optimised for both
energy efficiency and environmental impact.
Ein weiteres Ziel dieses Projektes ist die Wettbewerbsfähigkeit dieser Unternehmen durch die
breite Einführung von Energieeffizienz-Maßnahmen zu stärken.
Da diese Unternehmen beider Bereiche
hauptsächlich kleine und mittlere Mittelstandsbetriebe (SME) sind, befasst sich das Projekt
deshalb auch mit nicht-technologischen Hindernissen, die bei einer Umsetzung eines
effizienten Energiemanagements auftreten
können. Gleichzeitig werden die potentielle
Vorteile aufgezeigt, die sich bei der Einführung
von Energie-Management-Systeme und Energieeffizienzlösungen, die sich aufgrund genauer
Analysen der generischen Produktionsprozesse
ergeben haben.
Der Schwerpunkt dieses Projektes war die
Entwicklung einer Web-basierten, interaktive
Toolkits und die gezielte Verbreitung. Dieses
Toolkit wurde von den SME-Betrieben getestet
und bewertet. Dabei wurden diese Betriebe
durch Maßnahmen wie generisches ProzessBenchmarking, Integration mit Umweltprüfung
und Informationen über neueste Technologien
unterstützt.
Die Projektergebnisse sind für die SME-Betriebe
leicht zugänglich und benutzerfreundlich, denn
diese haben selten die Ressourcen und die
Zeit solche Projekte alleine durchzuführen. Alle
Ergebnisse sind einfach zugänglich und stehen
auf der Projektwebseite frei zur Verfügung.
Die entwickelten Werkzeuge helfen den
Branchen, die besten und effizientesten Verfahren und Fertigungsschritte zu kombinieren,
die für verschiedene generische Anwendungen
in Hinsicht auf Energieeffizienz und Umwelteinflüsse optimiert sind.
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SurfEnergy Report for the European PCB Industry
Final Report, June 30, 2011
For each generic process addressed, all stages
and their interactions will be included.
Für jeden generischen Prozess werden alle
Stufen und deren Interaktionen behandelt.
Project outputs:
• Energy efficiency assessment tool adapted
for each generic process type
• Recommendations for improving energy efficiency for each generic process type:
• Financial guidance on capital expenditure
for equipment options and operating costs
for process options
• Environmental impact will be quantified via
streamlined Life Cycle Analysis assessment
• Energy Benchmarking will be developed to
provide a context for comparing energy efficiency performance to the industry standard
for each generic process.
• SME end-user applications testing for the
energy efficiency toolkit
Ergebnisse des Projekts:
• Ein Energie-Effizienz-Analysetool, das für
jeden generischen Prozess angepasst ist
• Empfehlungen zur Verbesserung der Energieeffizienz für jeden generischen Prozess
• Finanzielle Empfehlungen für Kapitalausgaben für Anlagenoptionen und für die
Betriebskosten von Prozessoptionen
• Auswirkungen auf die Umwelt wird über eine
optimierte Lebenszyklusanalyse quantifiziert
• Ein Energie-Benchmarking ist entwickelt, um
Energie-Effizienz mit dem Industriestandard
für jeden generischen Prozess vergleichen
zu können
• Bei verschiedenen SME-Unternehmen wird
das Energie-Effizienz-Toolkit angewendet.
The duration of the project was 36 months. This
time frame was necessary to enable time for the
pilot testing and direct dissemination activities,
in addition to the technological assessment and
toolkit development work.
Die Dauer des Projektes erstreckte sich über
36 Monate. Dies war erforderlich für die Vorversuche, die Tests, die technologische Bewertung
und die Entwicklungsarbeit für dasToolkit sowie
die direkte Verteilung und Veröffentlichung über
das Internet und bei Konferenzen und Seminaren.
The main results indicators are:
• Dissemination
- high levels of “market penetration”
• Interactive toolkit
- full capability achieved
• Benchmarking
- details of starting point
• Best practice
- comprehensive guidelines relevant to all target groups
• Case studies
- successful examples of energy savings.
Die wichtigsten Ergebnisse dieses SurfEnergyProjektes:
• Verbreitung
- hohe Marktdurchdringung
• Interaktives Toolkit
- volle Funktionsfähigkeit wurde erreicht
• Benchmarking
- Informationen über Ausgangspunkt
• Best-Practice
- umfassende Leitlinien für alle Zielgruppen
• Fallstudien
- erfolgreiche Beispiele von Energieein
sparungen.
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SurfEnergy Report for the European PCB Industry
Final Report, June 30, 2011
The key statistics for the two industry sectors
are:
Die wichtigsten Statistiken für die beiden Industriesektoren sind:
Surface Finishing Industry
• Employs in excess of 1 million people in
Europe
• Over 30,000 SMEs with the majority employing less than 20 people
• 53% have an annual sales volume of €1 to
5 million
• E.g. Germany: 2,100 businesses with 56,000
employees and total market volume of €4
billion (4 x 109).
Oberflächenveredelungs-Industrie
• Beschäftigt über 1 Million Mitarbeiter in
Europa
• Über 30.000 SME-Betriebe mit den meisten
mit weniger als 20 Beschäftigten
• 53 % haben einem Umsatzvolumen von
1 bis 5 Mio. Euro
• z.B. Deutschland:
2.100 Unternehmen mit 56.000 Mitarbe
iter und Gesamtmarkt Volumen von 4 Mrd €
Printed Circuit Board Industry
• Employs of ca. 20.000 people in Europe
(only PCB makers, no assembly)
• Over 300 SMEs with the majority employing
less than 65 people
• Over 80% have an annual sales volume of
less than 10 million €
• In Europe, producing €1.7 billion (2009)
• UK estimated to be worth around €135
million for 2009
• Germany around €700 million for 2009
• Global PCB production for 2009 was
estimated at around €36 billion
• See also chapter 1.1
Leiterplatten-Industrie
• Beschäftigt etwa 20.000 Mitarbeiter
in
Europa (Reine Hersteller, keine Assembler)
• Über 300 SME-Betriebe mit durchschnittlich
65 Mitarbeiter
• Über 80% erzielen einen Umsatz weniger
als 10 Mio €
• Das Umsatzvolumen beträgt ca. 1,7 Mrd. €
(2009)
• UK ca. 135 Mio € (2009)
• Germany 700 Mio. € (2009)
• Globale Leiterplattenproduktion für 2009
wurde auf rund 36 Mrd. € geschätzt.
• Siehe auch Kapitel 1.1
The partners of the project are:
Participant name
Website
C-Tech Innovation
Ltd
www.ctechinnovation.com
Env-Aqua Solutions
Ltd
Country
Name
Main Role in Consortium
UK
Dr. Ian Dalrymple,
Stuart Dalrymple
Management, website,
toolkit, intelligence / roadmapping,
Benchmarking
UK
Dr. Rod Kellner
Prof. Martin Goosey
Technical assessment
Best Practice Guide
Benchmarking
NL
Michael Weinhold,
Pete Starkey,
Dr. Konrad Wundt
Dissemination, intelligence,
Benchmarking
European Institute
of Printed Circuits
(EIPC)
www.eipc.org
Protection des
Métaux (Promet)
www.protectiondesFR
metaux.com
Jacques Halut
Applications testing,
intelligence,
Benchmarking
Union des Industries de Traitments
de Surfaces (UITS)
www.uits-france.org FR
Pascal Negré
Denis Thery
Dissemination, intelligence,
Benchmarking
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SurfEnergy Report for the European PCB Industry
Final Report, June 30, 2011
1.1 Summary
Michael Weinhold,
Technical Director of the European Institute of
Printed Circuits (EIPC)
1.1 Zusammenfassung
Michael Weinhold,
Technical Director des European Institute of
Printed Circuits (EIPC)
Energy represents about 6 to 9% of the
manufacturing cost of a printed circuit board.
These information was generated during SurfEnergy surveys studies at PCB fabricators.
During this studies, it was also indicated that
an effective energy conservation program could
help to reduce the energy bill by 20 to 50%
depending on the size of the company, the present
processes, used equipment, and the investment
that can be justified to implement energy conservation programs. During the SurfEnergy project,
analytical toolkits have been developed that
help to indicate the present situation at a PCB
fabricator. In addition, the analytical tool allows to
simulate alternative options and to identify
the cost reduction potential including NPV
calculation to identify the ROI and payback
periods for given options. It also points out how
to look for governmental support in investing in
renewable energy used in manufacturing of
PCBs. By conducting the SurfEnergy study,
company managers and financial personal will
receive a good understanding about the cost
reduction potential when investing in Energy
Conservation Projects in the PCB fabrication
(and surface finishing) process.
Die Herstellungskosten bei der Leiterplattenfertigung beinhalten ca. 6 bis 9 % Energiekosten.
Diese Informationen wurden bei Leiterplattenherstellern
durch
SurfEnergy-Umfragestudienermittelt. Während dieser Studien konnte
gezeigt werden, dass ein effektives Energieeinspar-Programm hilft,
die Rechnung für
Energiekosten um 20 bis 50% zu senken.
Dieser Wert ist jedoch abhängig von der Größe
des Unternehmens, den benutzen Verfahren und
Ausrüstungen sowie von möglichen Investitionen, die erforderlich sind, damit die Umsetzung
der Energieeinspar-Programme erfolgen kann.
Während des SurfEnergy-Projekt wurde das
analytische “Toolkit” entwickelt. Dabei handelt
es sich um ein Berechnungssystem, mit dem die
gegenwärtige Energiesituation bei einem Leiterplattenhersteller ermittelt wird. Darüber hinaus
ermöglicht dieses Toolkit eine Simulation von
Alternativen. So können die KostensenkungPotentiale einschließlich der NPV Berechnung,
das ROI und Amortisationszeiten für bestimmte
Optionen im Vorfeld identifiziert und berechnet
werden. Außerdem wird auf Projekte hingewiesen, für die eine staatliche Unterstützung
möglich ist, wenn Investitionen in erneuerbare
Energien für die Herstellung von Leiterplatten
verwendet werden. Mit der Durchführung der
SurfEnergy-Studie erhalten Manager und betriebswirtschaftlich verantwortliche Personen
ein gutes Verständnis über das mögliche KostenReduktions-Potential, wenn in Energiesparprojekte bei der Leiterplattenherstellung investiert wird.
The following charts describe the European
PCB market and why energy efficiency is so
important for the PCB industry.
Die folgenden Folien beschreiben den
Europäischen Leiterplattenmarkt und warum
Energieeffizienz so entscheidend für die Leiterplattenindustrie ist.
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