Industrie und Wissenschaft setzen auf nachhaltige Leiterplatten

May 18, 2023

IDTechEx hat kürzlich einen Bericht über nachhaltige Elektronikfertigung 2023–2033 veröffentlicht, in dem die Technologien und Trends für nachhaltige Leiterplatten (PCBs) und integrierte Schaltkreise (ICs) detailliert beschrieben werden. IDTechEx geht davon aus, dass innerhalb des nächsten Jahrzehnts etwa 20 % der Leiterplattenhersteller auf nachhaltigere Methoden umsteigen werden, darunter Trockenätzen und Drucken.

Nachfolgend finden Sie einen Überblick über einige Möglichkeiten, wie sich die PCB- und IC-Produktion ändern könnte, um den Nachhaltigkeitsanforderungen gerecht zu werden.

Ein Forschungsteam der Purdue University unter der Leitung von Dr. Carol Handwerker untersucht, wie bleifreie Lotalternativen genauso effektiv wie Bleilot werden können, insbesondere für kritische Anwendungen. Das Ergebnis des Projekts ist das „Solder User's Handbook“, eine Ressource, die Benutzer bei ihren Lötpraktiken mit bleifreien Legierungen anleitet.

Im Jahr 1986 verbot die Environmental Protection Agency (EPA) die Verwendung von Lot oder Flussmittel mit mehr als 0,2 % Blei. Im Jahr 2006 wurde der Verkauf von Elektronikgeräten, die bleihaltiges Lot enthalten, in der Europäischen Union verboten. Eine Ausnahme von diesen beiden Verboten gibt es in nicht verbraucherorientierten, hochzuverlässigen Anwendungsfällen, wie z. B. Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und bestimmten medizinischen Geräten.

Aufgrund ihres hohen Schmelzpunkts, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer elektrischen Eigenschaften waren Zinn-Blei-Legierungen traditionell das bevorzugte Material für das Löten von Elektronikgeräten. Zinn-Kupfer-Silber-Legierungen, das am häufigsten verwendete bleifreie Lot, haben eine höhere Schmelztemperatur als Zinn-Blei und erfordern etwa 245 °C, um Dochtwirkung und Benetzung zu erreichen (im Gegensatz zu 220 °C bei Zinn-Blei). Dieser erhöhte Temperaturbedarf bedeutet nicht nur, dass beim Löten mehr Energie benötigt wird, sondern kann sich auch auf Komponenten wie Kondensatoren und Optoelektronik auswirken, die bei erhöhten Temperaturen anfällig für Schäden sind.

Unterstützt durch einen 40-Millionen-Dollar-Vertrag mit dem US-Verteidigungsministerium entwickeln Purdue-Forscher einen Zeitplan dafür, wann bleifreie Lote genauso zuverlässig (oder zuverlässiger als) Zinn-Blei-Lote in Verteidigungssystemen sein werden.

Der IDTechEx-Bericht prognostizierte, dass der Markt für flexible Leiterplatten bis 2033 einen Wert von bis zu 1,2 Milliarden US-Dollar haben wird, angetrieben durch Anwendungen wie tragbare Geräte, die von nicht starren Leiterplatten profitieren können.

Die meisten starren Leiterplatten bestehen aus einem glasfaserverstärkten Epoxidmaterial – Glasfaser, die zu einem Stoff gewebt und mit einem flammfesten Epoxidharz beschichtet ist. Dieses Material fällt in die Kategorie FR-4 (oder FR4). FR4 ist leicht, robust, kostengünstig und langlebig in verschiedenen Umgebungen, was es zu einem attraktiven Kandidaten für Leiterplatten macht. Allerdings entstehen bei der Herstellung von FR4 mehrere Abfallnebenprodukte und für das Epoxidharz werden Produkte auf Erdölbasis benötigt, was es potenziell gefährlich für die Umwelt macht. Ein weiteres Material, das als Leiterplattensubstrat in flexiblen Leiterplatten immer beliebter wird, ist ein Kunststoff namens Polyimid. Allerdings ist Polyimid wie FR4 nicht umweltfreundlich.

Forscher untersuchen Alternativen zu diesen Materialien, insbesondere im Bereich biobasierter Materialien wie transparentem Zellulose-Nanopapier. Ein japanisches Forschungsteam vom R&D Center for Marine Biosciences und der Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology hat ein papierbasiertes PCB-Substrat entwickelt, das die Skalierungs- und Herstellungsherausforderungen biobasierter Substrate bewältigt.

Das Team berichtete, dass sein papierbasiertes Substrat eine geringe Wärmeausdehnung, thermische Haltbarkeit und eine höhere Dielektrizitätskonstante als andere PCB-Materialien auf Kunststoffbasis aufwies. Das Team stellt sich dieses Substrat für den Einsatz in flexiblen PCB-Anwendungen vor, einschließlich tragbarer Geräte.

Abfallmaterialien sind eine weitere Herausforderung für die Nachhaltigkeit von Leiterplatten. Bei der herkömmlichen subtraktiven Fertigung wird die gesamte Oberfläche der Substratschicht mit einer Metallschicht, beispielsweise einer Kupferfolie, beschichtet. Anschließend werden die nicht benötigten Teile aufgelöst. Dieser Prozess verschwendet nicht nur Metallressourcen, sondern erfordert auch viele chemische Verbindungen.

Eine nachhaltigere Alternative ist die additive Fertigung, bei der nicht benötigtes Material entfernt wird, sondern nur notwendiges Material Schicht für Schicht hinzugefügt wird. Ein Beispiel hierfür ist Elphantechs P-Flex, eine flexible Leiterplatte. Elephantech verwendet eine silberne Nanotinte, um das erforderliche Muster auf eine flexible Leiterplattenoberfläche zu spritzen. Anschließend nutzt das Unternehmen die stromlose Verkupferung zum Aufbau der Musterschichten.

Das Unternehmen gibt an, dass dieses Verfahren im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren letztendlich die CO2-Emissionen um 77 %, den Wasserverbrauch um 95 % und den Ausstoß giftiger Substanzen um 85 % reduziert.

Die Auswirkungen der Elektronikfertigung auf die Umwelt sind kein völlig neues Thema. Im Jahr 1982 setzten sich Organisationen wie die Silicon Valley Toxics Coalition für nachhaltigere Verfahren bei der Herstellung und Entsorgung von Elektroschrott ein, um zu verhindern, dass diese Materialien die Umwelt verunreinigen.

Seitdem sind mehrere Gesetze in Kraft getreten, die die Art und Weise ändern, wie PCBs und ICs hergestellt werden, und so schädliche Auswirkungen auf die Umwelt und die Menschen abmildern. Auch wenn Nachhaltigkeit am Vorabend des Jahres 2023 weiterhin eine Herausforderung darstellt, drängen mehrere grüne Initiativen, Regierungsauflagen und veränderte Verbrauchereinstellungen Elektronikhersteller dazu, sicherere Produktionspraktiken zu untersuchen und einzuführen.

Forschungsbemühungen zur Entwicklung zuverlässiger bleifreier Lote, papierbasierter Leiterplattensubstrate und umweltfreundlicherer additiver Fertigungstechniken sind kleine Schritte, die letztendlich große Auswirkungen auf nachhaltige Leiterplatten haben können.

Ausgewähltes Bild mit freundlicher Genehmigung von Elephantech.