Recykling PCB: wyzwania i szanse

W dzisiejszym dynamicznym i ciągle zmieniającym się świecie, rosnące wykorzystanie elektroniki doprowadziło do krytycznego problemu dla środowiska – odpadów elektronicznych. Płytki drukowane zaliczają się do najważniejszych źródeł odpadów, a w rezultacie rosnącej świadomości ekologicznej, możliwość recyklingu PCB stała się istotną kwestią.

NCAB omawia na swoim blogu koncepcję obiegu zamkniętego w produkcji PCB i możliwości tworzenia bardziej przyjaznych środowisku płytek drukowanych, wyzwania związane z recyklingiem PCB oraz potencjał ponownego wykorzystania pozostałości organicznych PCB w nowych produktach. Dodatkowo, post opisuje obiecujący projekt w Chinach, który przybliża firmę do opracowania PCB w pełni nadających się do recyklingu.

Obieg zamknięty i wyzwania związane z recyklingiem PCB

Zacznijmy od tego, co w kontekście PCB rozumiemy przez obieg zamknięty? Obieg zamknięty odnosi się do praktyki ograniczania ilości odpadów pod koniec życia produktu. Jest to koncept zakładający, że wysyłając produkt elektroniczny do utylizacji, możemy go ponownie wykorzystać jako surowiec do produkcji podobnego produktu. Jednak osiągnięcie prawdziwej cyrkularności jest możliwe tylko wtedy, gdy mamy produkt jednorodny, co w praktyce oznacza, że produkt musi być wykonany na bazie jednej grupy materiałów. Nie dotyczy to niestety układów elektronicznych, składających się z mieszanki różnych materiałów.

Zmontowaną płytkę drukowaną można nazwać ‘homogeniczną integracją wielu produktów’; mamy samą płytkę drukowaną i mamy przylutowane do niej komponenty, takie jak półprzewodniki, rezystory i kondensatory. Abyśmy mogli skutecznie poddawać PCB recyklingowi, musimy najpierw usunąć komponenty elektroniczne. Aby zrozumieć, w jaki sposób można następnie poddać PCB recyklingowi, musimy przyjrzeć się, z czego wykonana jest płytka PCB.

Skład i sposób zespolenia PCB: konsekwencje dla recyklingu

Zagłębiając się w temat recyklingu płytek PCB, najpierw prześledźmy, z czego są wykonane. Na powierzchni mamy maskę lutowniczą oraz tusz do znakowania. Poniżej mamy miedziane ścieżki w kilku warstwach wewnątrz płytki drukowanej. Dodatkowo wszystkie płytki PCB mają wykończenia powierzchni, takie jak styki lub złącza z cyny lub złota. W samym PCB mamy różne wersje żywicy epoksydowej lub tworzywa sztuczne, zawierające włókno szklane. Wszystkie te elementy są ze sobą powiązane, co sprawia, że ich rozdzielenie jest trudnym zadaniem.

Obecnie jedynym sposobem rozbiórki płytki drukowanej jest szlifowanie całej płytki drukowanej, w wyniku czego powstają małe cząsteczki metalu, włókna szklanego i żywicy epoksydowej, które są ze sobą zmieszane. Obecnie jesteśmy w stanie oddzielić od cząsteczek substratu takie metale jak miedź i złoto, w wyniku czego powstaje pozostałość składająca się z cząstek żywicy i włókna szklanego. Chociaż metale można łatwo ponownie wykorzystać, nawet w nowych PCB, pozostałości organiczne są bezużyteczne do produkcji PCB.

Na całym świecie duża część pozostałości organicznych trafia na wysypiska śmieci, jednak w niektórych krajach pozostałości te stają się źródłem wytwarzania ciepła i energii elektrycznej. Idealnym podejściem byłoby ponowne wykorzystanie tych pozostałości w nowych produktach – prowadzonych jest kilka projektów badających takie możliwości. Ostatecznym celem jest oddzielenie włókien szklanych od żywicy, która miałaby zostać wykorzystana jako surowiec do nowych materiałów bazowych PCB.

Obiecujące badania: oddzielenie włókna szklanego od żywicy epoksydowej

Obecnie jedna z głównych fabryk laminatów w Chinach opracowała materiał bazowy z włókna szklanego typu FR-4, nadający się do późniejszego oddzielenia włókna szklanego od żywicy epoksydowej, jednak jak dotąd udało się to osiągnąć jedynie w środowisku laboratoryjnym (w budowie znajduje się większy zakład recyklingu). NCAB uważnie śledzi rozwój tego rozwiązania, zmierzającego do jego uprzemysłowienia i komercyjnego recyklingu PCB. Podsumowując: mówiąc o PCB nadającym się do recyklingu, powinniśmy mieć na myśli możliwość oddzielenia włókna szklanego od żywicy w pozostałościach organicznych oraz stopień, w jakim możemy je ponownie wykorzystać do produkcji nowych PCB.

Testowanie nowego materiału: ocena niezawodności i właściwości

Przyjrzyjmy się wspomnianemu wyżej, nowemu materiałowi opracowanemu w Chinach - jak niezawodny jest ten materiał w porównaniu do FR-4? Chociaż jego oficjalne właściwości wymagają weryfikacji, warto zauważyć, że teoretycznie materiał ten ma bardzo podobne właściwości do wysokiej klasy materiału FR-4.1 o niskiej zawartości halogenu.

We współpracy z jednym z największych producentów laminatów, choć jest on dopiero na etapie prac badawczo-rozwojowych, NCAB zamówiło wiosną próbki materiału bazowego typu FR-4. Kenneth Jonsson, kierownik techniczny laboratorium NCAB w Sztokholmie, pobrał przekroje materiału i wykonał kilka standardowych testów. Wynik był zaskakująco dobry!

Testy jakie wykonano to:

• Próbki poddano 6-krotnemu obciążeniu termicznemu w piecu laboratoryjnym w temperaturze 260°C, każdorazowo po 2,5 minuty (wg. J-STD-003D Tabela 4-6),
• Próbki następnie zanurzano 2 razy na 10 sekund w roztopionym lutowiu zgodnie z IPC-TM-650 2.6.8E Warunki testowe A 288°C ± 5°C.
• Pobrano mikrosekcję o wymiarach 10*20 mm i sprawdzono pod kątem wad.

W raporcie Kenneth Jonsson pisze: ‘Nie zaobserwowano żadnych odchyleń od IPC-A-600 ani dowodów degradacji materiału. Właściwości CTE materiału wydają się dobre, ponieważ nie ma dowodów na podnoszenie się padów. Wydaje się, że materiał dobrze znosi ciepło, ponieważ nie ma dowodów na degradację żywicy’. Zaobserwowano jednak wyraźne linie rozdzielające pomiędzy każdym prepregiem w stopniu niespotykanym wcześniej w przypadku sztywnego materiału CCL. Chociaż te linie rozgraniczenia wydają się raczej nie zmieniać po naprężeniu termicznym, mogą one stanowić słabe punkty przy przyłożeniu naprężenia mechanicznego.

Przekrój próbki z widocznymi liniami rozdzielającymi, zaznaczonymi czerwonymi strzałkami

© NCAB

Dodatkowo zauważono pewną chropowatość otworu w miejscach, gdzie wiertło wyrwało część włókien, co wskazuje, że parametry wiercenia wymagają dostrojenia.

Obraz przedstawiający wygląd ściany otworu po teście obciążenia termicznego. Brak widocznej degradacji żywicy i podnoszenia się padów. Nie zaobserwowano też żadnego pogorszenia niezawodności w wyniku delaminacji. © NCAB

Plany i wyzwania, związane z PCB z recyklingu

NCAB przeprowadziło testy, jednak nie wysłano jeszcze żadnych płytek do montażu, to dopiero kolejny planowany krok. Plan zmierza do oceny wydajności i niezawodności materiału w rzeczywistych scenariuszach oraz przeprowadzenie długoterminowych testów niezawodności. Podsumowując, aby potwierdzić niezawodność materiału, NCAB potrzebuje więcej danych.

Można by zadać też pytanie, kiedy będzie można zamówić PCB z recyklingowanego  materiału i przetestować jego niezawodność? Niestety, nie ma jeszcze jednoznacznej odpowiedzi. Zgodnie z planem testów, NCAB zamówił kolejne płytki, przetestuje je w laboratorium i wyśle do klientów, zainteresowanych wykonaniem testów w warunkach produkcyjnych. NCAB planuje też uważnie monitorować postępy wytwórcy opisywanych laminatów.

Dodatkowo czynnikiem, który może przyspieszyć koncepcję recyklingu PCB, jest zainteresowanie ze strony organizacji normalizacyjnych, takich jak IPC i UL, oraz rozpowszechnianie wiedzy o postępach w tej dziedzinie w postaci artykułów prezentowanych na światowych konferencjach.

Ogólnie rzecz biorąc, w miarę jak rozpowszechnia się koncepcja recyklingu PCB, nalezy zbadać wyzwania związane z osiągnięciem efektywnego obiegu zamkniętego, wynikające z heterogenicznego charakteru układów elektronicznych. Testowanie i rozwój nowego materiału w Chinach dają obiecujące wyniki w zakresie oddzielania włókna szklanego od żywicy epoksydowej, przyczyniając się do osiągnięcia celu, jakim są PCB nadające się do recyklingu. Chociaż nadal nie ma pewności co do harmonogramu wprowadzenia na rynek recyklingowanego PCB, kontynuacja badań i współpracy może przybliżyć ten cel.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy NCAB