L'industria e il mondo accademico guardano ai circuiti stampati sostenibili

IDTechEx ha recentemente pubblicato un rapporto sulla produzione elettronica sostenibile 2023-2033, descrivendo in dettaglio le tecnologie e le tendenze future per i circuiti stampati (PCB) e i circuiti integrati (IC) sostenibili. IDTechEx prevede che entro il prossimo decennio circa il 20% dei produttori di PCB si convertirà a metodi più sostenibili, tra cui l'incisione a secco e la stampa.

Di seguito è riportata una panoramica di alcuni dei modi in cui potremmo vedere il cambiamento nella produzione di PCB e circuiti integrati per soddisfare le esigenze di sostenibilità.

Un gruppo di ricerca della Purdue University guidato dalla Dott.ssa Carol Handwerker sta studiando come realizzare alternative di saldatura senza piombo altrettanto efficaci della saldatura al piombo, soprattutto per applicazioni critiche. Il progetto ha prodotto il "Manuale dell'utente della saldatura", una risorsa che guida gli utenti nelle pratiche di saldatura utilizzando leghe prive di piombo.

Nel 1986, l'Environmental Protection Agency (EPA) ha vietato l'uso di saldature o flussi contenenti più dello 0,2% di piombo. Nel 2006 nell’Unione Europea è stata vietata la vendita di prodotti elettronici contenenti saldature a base di piombo. L'eccezione a entrambi questi divieti riguarda casi d'uso non di consumo e ad alta affidabilità, come il settore aerospaziale, la difesa e alcuni dispositivi medici.

Le leghe di stagno-piombo erano tradizionalmente il materiale preferito per la saldatura di dispositivi elettronici grazie al loro elevato punto di fusione, alla resistenza alla corrosione e alle proprietà elettriche. Le leghe stagno-rame-argento, le saldature senza piombo più utilizzate, hanno una temperatura di fusione più elevata rispetto allo stagno-piombo, richiedendo circa 245°C per ottenere l'assorbimento e la bagnatura (rispetto ai 220°C dello stagno-piombo). Questo aumento della temperatura richiesta non si traduce solo in una maggiore energia richiesta per la saldatura, ma può anche avere un impatto su componenti come condensatori e componenti optoelettronici che sono suscettibili di danni a temperature elevate.

Sostenuti da un contratto da 40 milioni di dollari con il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, i ricercatori della Purdue stanno sviluppando un calendario per stabilire quando le saldature senza piombo saranno affidabili quanto (o più affidabili) delle saldature con piombo-stagno nei sistemi di difesa.

Il rapporto IDTechEx prevede che entro il 2033 il mercato dei PCB flessibili varrà fino a 1,2 miliardi di dollari, trainato da applicazioni come i dispositivi indossabili che possono trarre vantaggio dai PCB non rigidi.

La maggior parte dei PCB rigidi sono realizzati con un materiale epossidico rinforzato con fibra di vetro: fibra di vetro intrecciata in un tessuto e rivestita con una resina epossidica ignifuga. Questo materiale rientra in una categoria denominata FR-4 (o FR4). FR4 è leggero, resistente, economico e durevole in vari ambienti, il che lo rende un candidato interessante per i PCB. Tuttavia, la produzione di FR4 crea numerosi sottoprodotti di scarto e richiede prodotti a base di petrolio per la resina epossidica, rendendola potenzialmente pericolosa per l'ambiente. Un altro materiale che sta rapidamente guadagnando popolarità come substrato PCB nei PCB flessibili è una plastica chiamata poliimmide. Tuttavia, come l’FR4, la poliimmide non è rispettosa dell’ambiente.

I ricercatori stanno studiando alternative a questi materiali, in particolare nel campo dei materiali di origine biologica, come la nanocarta di cellulosa trasparente. Un gruppo di ricerca giapponese del Centro di ricerca e sviluppo per le bioscienze marine e dell’Agenzia giapponese per le scienze e la tecnologia marina-terrestre ha sviluppato un substrato PCB a base di carta che affronta le sfide di ridimensionamento e produzione dei substrati di origine biologica.

Il team ha riferito che il suo substrato a base di carta ha dimostrato una bassa espansione termica, durabilità termica e costante dielettrica più elevata rispetto ad altri materiali PCB a base plastica. Il team prevede che questo substrato venga utilizzato in applicazioni PCB flessibili, compresi i dispositivi indossabili.

I materiali di scarto rappresentano un’altra sfida per la sostenibilità dei PCB. Nella produzione sottrattiva tradizionale, uno strato metallico, come un foglio di rame, riveste l'intera superficie dello strato di substrato. Quindi, le parti non necessarie vengono sciolte. Questo processo non solo spreca risorse metalliche, ma richiede anche molti composti chimici per essere ottenuto.

Un’alternativa più sostenibile è la produzione additiva, in cui invece di rimuovere materiale non necessario, strato dopo strato viene aggiunto solo il materiale necessario. Un esempio di ciò è P-Flex di Elphantech, un PCB flessibile. Elephantech utilizza un nano-inchiostro argentato per stampare a getto d'inchiostro il modello richiesto su una superficie PCB flessibile. L'azienda utilizza quindi la placcatura in rame chimico per costruire gli strati del modello.