W stronę zrównoważonej produkcji: recykling PCB, cyny i miedzi

Nowy raport IDTechEx, ‘Zrównoważona produkcja elektroniki i półprzewodników 2025-2035: gracze, rynki, prognozy’ przedstawia nowe, nadające się do recyklingu substraty PCB i zawiera informacje, dotyczące stopnia ich gotowości komercyjnej. Poniżej znajduje się diagram, przedstawiający zużycie zasadniczych materiałów w produkcji elektroniki.

Nowe substraty PCB

Konwencjonalna produkcja elektroniki zużywa znaczne ilości zasobów, a wiele materiałów, chemikaliów i procesów produkcyjnych jest szkodliwych dla środowiska. W raporcie IDTechEx zbadano wpływ produkcji PCB i układów scalonych na środowisko, podkreślając możliwości złagodzenia potencjalnych szkód dla środowiska. Należą do nich obniżenie temperatury procesów, optymalizacja lub eliminacja zbędnych etapów, marnotrawstwa, recykling i ponowne wykorzystywanie materiałów. Między innymi analizowane są materiały na podłoża PCB, w tym materiały biodegradowalne i nadające się do recyklingu, które mogłyby zapewnić długoterminową alternatywę dla obecnie dominującego FR4. Należą do nich podłoża i technologie takie jak kwas polimlekowy, Soluboard, Recyclad1G i ReUSE.

Podczas gdy FR4, laminat z żywicy epoksydowej wzmocnionej włóknem szklanym, ze względu na swoją lekkość, wytrzymałość i ceny jest najczęściej wybieranym podłożem PCB, zupełnie nie nadaje się on do recyklingu i może zawierać toksyczne halogenowane środki zmniejszające palność. Wymaga to opracowania alternatywnych podłoży, które są biodegradowalne lub nadają się do recyklingu.

Firma Jiva Materials promuje swoje rozwiązanie Soluboard, biodegradowalne podłoże wykonane z naturalnego włókna lnu i juty, które prezentuje się jako obiecujący nowy materiał, rozpuszczalny w wodzie o temperaturze 90°C. Ułatwia to recykling komponentów i odzyskiwanie metali szlachetnych na koniec okresu użytkowania produktu. Firmy takie jak Infineon, Jaguar i Microsoft obecnie testują, czy ten nowy materiał może przeciwdziałać rosnącym ilościom odpadów elektronicznych.

Jiva Soluboard CCL jest zoptymalizowany pod kątem trawienia, galwanizacji, wiercenia, trasowania i innych standardowych procesów wytwarzania PCB. Laminat zawiera włókna naturalne, rozpuszczalny w wodzie polimer i bezhalogenowy środek zmniejszający palność, które są nietoksyczne i biodegradowalne. Jiva osiągnęła obecnie zgodność z technologią Plated Through Hole (PTH). Laminat można przetwarzać za pomocą standardowych procesów, zachowując jednocześnie zdolność do rozpadu pod koniec okresu użytkowania po zanurzeniu w gorącej wodzie przez dłuższy czas.

Produkty Jiva są obecnie testowane pod kątem stopnia zmniejszania palności, pod kątem zgodności z UL94 V1. Soluboard zawiera bezhalogenowy środek zmniejszający palność na bazie fosforu, który jest znacznie mniej szkodliwy dla środowiska w porównaniu z alternatywami wytwarzanymi na bazie bromu.

Soluboard zapewnia alternatywę o obniżonym śladzie węglowym dzięki łatwości przetwarzania PCB pod koniec cyklu życia. Złożoność PCB sprawia, że ​​proces recyklingu jest niezwykle kosztowny, co w praktyce oznacza, że ​​zazwyczaj są one spalane. Dzięki uniknięciu konieczności spalania materiału emisja dwutlenku węgla zostaje znacznie zmniejszona, a przemysł recyklingu odnotuje wyższe zyski z odzysku metali szlachetnych. Badania pokazują, że metale pochodzące z recyklingu mogą mieć nawet o 95% mniejszy ślad węglowy w porównaniu z nowo przetworzonymi surowcami. Ślad węglowy jednego metra kwadratowego PCB Soluboard szacuje się na 5,52 kg w porównaniu z 16,94 kg dla PCB FR-4. Odpowiada to ogólnej redukcji śladu węglowego o 67%.

Dodatkową korzyścią przejścia z FR4 na Soluboard na bazie włókien naturalnych byłoby zmniejszenie gęstości PCB. Gęstość 1,35 g na centymetr sześcienny Soluboard w porównaniu do 2 g na centymetr sześcienny FR-4 oznacza oszczędność masy ponad 1 kg na metr kwadratowy.

Kwas polimlekowy w elastycznych PCB

Konwencjonalne elastyczne PCB, zbudowane z plastikowego poliimidu, również posiadają swoje alternatywy. Kwas polimlekowy, znajdujący się obecnie w fazie walidacji na skalę prototypu, wyłania się jako zrównoważony, biodegradowalny materiał, który można pozyskiwać z organicznych odpadów przemysłowych.

Kwas polimlekowy może wytrzymać temperatury do 140°C, co jest wartością niższą niż w przypadku poliimidu i FR4. Może być jednak stosowany z takich procesach jak spiekanie tuszu srebrnego. Firmy i instytuty badawcze, takie jak VTT, obecnie analizują potencjał kwasu polimlekowego w elastycznych PCB.

Cyna z recyklingu

W skali całego świata przemysł elektroniczny zużywa około 180 000 ton cyny. Pochodzi ona głównie z kopalni w Chinach, Indonezji i Mjanmie i powoduje znaczne szkody dla środowiska. Na rynek wprowadzana jest cyna z recyklingu, która jest produkowana przez wytapianie odpadów metalowych i tlenków metalu. Posiada taką samą jakość jak cyna pierwotna, co potwierdza dyfrakcja rentgenowska.

Jednak obecnie na świecie poddaje się recyklingowi zaledwie 30% cyny, więc istnieje większa potrzeba wprowadzenia regulacji prawnych zachęcających do zwiększonego recyklingu metali. Jednym z przykładów jest niemiecka Narodowa Strategia Gospodarki o Obiegu Zamkniętym (NKWS) opublikowana w 2024 roku, której celem jest zmniejszenie zużycia surowców na mieszkańca o połowę do 2045 roku.

Minimalizacja odpadów miedzi

Powszechnie wiadomo, że miedź w płytkach PCB wykorzystywana jest w bardzo nieefektywny sposób. Płaski arkusz folii miedzianej, nakładany na podłoże, wymaga trawienia nadmiaru miedzi, zużywając duże ilości środków trawiących, takich jak chlorek żelaza czy chlorek miedzi). W rezultacie często usuwa się około 70% miedzi.

W tym przypadku rozwiązaniem jest produkcja addytywna, w której miedź jest nakładana tylko tam, gdzie jest to wymagane. System regeneracji trawiących środków odzyskuje zarówno miedź wytrawioną z laminatu, jak i trawiące substancje chemiczne. Recyklingowana miedź może stanowić dodatkowe źródło dochodu dla producenta elektroniki.

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 11 września 2025. Zapisz się tutaj!