Промышленность и научные круги обращают внимание на экологичные печатные платы

IDTechEx недавно опубликовала отчет об устойчивом производстве электроники на 2023–2033 годы, в котором подробно описываются будущие технологии и тенденции в области устойчивых печатных плат (PCB) и интегральных схем (ИС). IDTechEx ожидает, что в течение следующего десятилетия примерно 20% производителей печатных плат перейдут на более экологичные методы, включая сухое травление и печать.

Ниже представлен обзор некоторых возможных изменений в производстве печатных плат и интегральных схем для удовлетворения требований устойчивого развития.

Исследовательская группа из Университета Пердью под руководством доктора Кэрол Хандверкер исследует, как сделать альтернативные припои, не содержащие свинец, столь же эффективными, как и свинцовый припой, особенно для критически важных применений. Результатом проекта стало «Руководство пользователя припоя», ресурс, который помогает пользователям в их практике пайки с использованием бессвинцовых сплавов.

В 1986 году Агентство по охране окружающей среды (EPA) запретило использование припоев и флюсов, содержащих более 0,2% свинца. В 2006 году в Европейском Союзе была запрещена продажа электроники, содержащей припой на основе свинца. Исключением из обоих этих запретов являются непотребительские случаи использования с высокой надежностью, такие как аэрокосмическая, оборонная и некоторые медицинские устройства.

Сплавы олова и свинца традиционно использовались для пайки электроники из-за их высокой температуры плавления, устойчивости к коррозии и электрических свойств. Сплавы олово-медь-серебро, наиболее используемый бессвинцовый припой, имеют более высокую температуру плавления, чем олово-свинец, и для достижения впитывания и смачивания требуется около 245°C (в отличие от 220°C у олово-свинца). Это повышенное температурное требование не только приводит к увеличению затрат энергии на пайку, но также может повлиять на такие компоненты, как конденсаторы и оптоэлектроника, которые подвержены повреждениям при повышенных температурах.

Опираясь на контракт на 40 миллионов долларов с Министерством обороны США, исследователи Purdue разрабатывают график, когда бессвинцовые припои станут такими же надежными (или более надежными), как оловянно-свинцовые припои в оборонных системах.

В отчете IDTechEx прогнозируется, что к 2033 году рынок гибких печатных плат будет стоить до 1,2 миллиарда долларов, что обусловлено такими приложениями, как носимые устройства, которые могут извлечь выгоду из нежестких печатных плат.

Большинство жестких печатных плат изготавливаются из эпоксидного материала, армированного стекловолокном — стекловолокна, вплетенного в ткань и покрытого огнестойкой эпоксидной смолой. Этот материал попадает в категорию, называемую FR-4 (или FR4). FR4 легкий, прочный, недорогой и долговечный в различных средах, что делает его привлекательным кандидатом на роль печатных плат. Однако производство FR4 приводит к образованию нескольких побочных продуктов и требует использования продуктов нефти для производства эпоксидной смолы, что делает ее потенциально опасной для окружающей среды. Еще один материал, быстро набирающий популярность в качестве подложки гибких печатных плат, — это пластик, называемый полиимидом. Однако, как и FR4, полиимид не является экологически чистым.

Исследователи изучают альтернативы этим материалам, особенно в области материалов биологического происхождения, таких как прозрачная целлюлозная нанобумага. Японская исследовательская группа из Научно-исследовательского центра морских биологических наук и Японского агентства морских наук и технологий о Земле разработала подложку для печатной платы на бумажной основе, которая решает проблемы масштабирования и производства подложек на биологической основе.

Команда сообщила, что ее подложка на бумажной основе продемонстрировала низкое тепловое расширение, термическую стойкость и более высокую диэлектрическую проницаемость, чем другие материалы печатных плат на пластиковой основе. Команда предполагает использовать эту подложку в гибких печатных платах, включая носимые устройства.

Отходы материалов являются еще одной проблемой для устойчивого развития ПХД. При традиционном субтрактивном производстве металлический слой, например медная фольга, покрывает всю поверхность слоя подложки. Затем ненужные части растворяются. Этот процесс не только тратит впустую металлические ресурсы, но также требует многих химических соединений.

Более экологичной альтернативой является аддитивное производство, при котором вместо удаления ненужного материала слой за слоем добавляется только необходимый материал. Одним из примеров является гибкая печатная плата P-Flex от Elphantech. Elephantech использует серебряные наночернила для нанесения необходимого рисунка на гибкую поверхность печатной платы. Затем компания использует химическое меднение для создания слоев рисунка.