Industria y academia miran hacia placas de circuito sostenibles

IDTechEx publicó recientemente un informe sobre la fabricación de productos electrónicos sostenibles 2023-2033, que detalla las tecnologías y tendencias futuras para placas de circuito impreso (PCB) y circuitos integrados (IC) sostenibles. IDTechEx espera que dentro de la próxima década, aproximadamente el 20% de los fabricantes de PCB se conviertan a métodos más sostenibles, incluido el grabado en seco y la impresión.

A continuación se muestra una descripción general de algunas de las formas en que podríamos ver cambios en la producción de circuitos integrados y PCB para satisfacer las demandas de sostenibilidad.

Un equipo de investigación de la Universidad de Purdue dirigido por la Dra. Carol Handwerker está investigando cómo hacer que las alternativas de soldadura sin plomo sean tan efectivas como la soldadura con plomo, especialmente para aplicaciones críticas. El proyecto ha dado como resultado el "Manual del usuario de soldadura", un recurso que guía a los usuarios en sus prácticas de soldadura con aleaciones sin plomo.

En 1986, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) prohibió el uso de soldaduras o fundentes que contuvieran más del 0,2 % de plomo. En 2006, se prohibió en la Unión Europea la venta de productos electrónicos que contienen soldadura a base de plomo. La excepción a estas dos prohibiciones se encuentra en casos de uso de alta confiabilidad que no son de consumo, como la industria aeroespacial, la defensa y ciertos dispositivos médicos.

Las aleaciones de estaño y plomo fueron tradicionalmente el material de referencia para la soldadura electrónica debido a su alto punto de fusión, resistencia a la corrosión y propiedades eléctricas. Las aleaciones de estaño-cobre-plata, la soldadura sin plomo más utilizada, tienen una temperatura de fusión más alta que el estaño-plomo y requieren aproximadamente 245 °C para lograr la absorción y la humectación (a diferencia de los 220 °C del estaño-plomo). Este requisito de mayor temperatura no solo se traduce en más energía necesaria para soldar, sino que también puede afectar a componentes como condensadores y dispositivos optoelectrónicos que son susceptibles de dañarse a temperaturas elevadas.

Respaldados por un contrato de $40 millones con el Departamento de Defensa de EE. UU., los investigadores de Purdue están desarrollando un cronograma para determinar cuándo las soldaduras sin plomo serán tan confiables (o más confiables que) las soldaduras de estaño y plomo en los sistemas de defensa.

El informe de IDTechEx predijo que para 2033, el mercado de PCB flexibles tendrá un valor de hasta $ 1.2 mil millones, impulsado por aplicaciones como dispositivos portátiles que pueden beneficiarse de PCB no rígidos.

La mayoría de los PCB rígidos están hechos de un material epoxi reforzado con fibra de vidrio: fibra de vidrio que se teje en una tela y se recubre con una resina epoxi resistente a las llamas. Este material cae en una categoría denominada FR-4 (o FR4). FR4 es liviano, fuerte, económico y duradero en varios entornos, lo que lo convierte en un candidato atractivo para PCB. Sin embargo, la producción de FR4 crea varios subproductos de desecho y requiere productos a base de petróleo para la resina epoxi, lo que la hace potencialmente peligrosa para el medio ambiente. Otro material que gana rápidamente popularidad como sustrato de PCB en PCB flexibles es un plástico llamado poliimida. Sin embargo, como FR4, la poliimida no es ecológica.

Los investigadores están investigando alternativas a estos materiales, específicamente en el ámbito de los materiales de base biológica, como el nanopapel de celulosa transparente. Un equipo de investigación japonés del Centro de I+D para Biociencias Marinas y la Agencia Japonesa de Ciencias y Tecnologías Marinas y Terrestres ha desarrollado un sustrato de PCB a base de papel que aborda los desafíos de escalado y fabricación de los sustratos de base biológica.

El equipo informó que su sustrato a base de papel demostró una baja expansión térmica, durabilidad térmica y una constante dieléctrica más alta que otros materiales de PCB a base de plástico. El equipo prevé este sustrato para su uso en aplicaciones de PCB flexibles, incluidos los dispositivos portátiles.

Los materiales de desecho son otro desafío para la sostenibilidad de los PCB. En la fabricación sustractiva tradicional, una capa metálica, como una hoja de cobre, cubre toda la superficie de la capa de sustrato. Luego, las partes innecesarias se disuelven. Este proceso no solo desperdicia recursos metálicos, sino que también requiere muchos compuestos químicos para lograrlo.

Una alternativa más sostenible es la fabricación aditiva, donde en lugar de eliminar el material que no se necesita, solo se agrega el material necesario capa por capa. Un ejemplo de esto es el P-Flex de Elphantech, un PCB flexible. Elephantech utiliza una nanotinta plateada para inyectar el patrón requerido en una superficie de PCB flexible. Luego, la empresa utiliza el revestimiento de cobre sin electricidad para construir las capas del patrón.

La empresa afirma que este proceso finalmente reduce las emisiones de CO2 en un 77%, el consumo de agua en un 95% y la emisión de sustancias tóxicas en un 85% en comparación con los procesos tradicionales.

El impacto de la fabricación de productos electrónicos en el medio ambiente no es un tema completamente nuevo. En 1982, organizaciones como Silicon Valley Toxics Coalition abogaron por prácticas más sostenibles en la fabricación y eliminación de desechos electrónicos para evitar que esos materiales contaminen el medio ambiente.

Desde entonces, han entrado en vigor varias legislaciones para cambiar la forma en que se fabrican los PCB y los circuitos integrados, mitigando los impactos nocivos en el medio ambiente y las personas. Si bien la sostenibilidad sigue siendo un desafío en vísperas de 2023, varias iniciativas ecológicas, mandatos gubernamentales y cambios en las actitudes de los consumidores están presionando a los fabricantes de productos electrónicos para que investiguen y adopten prácticas de producción más seguras.

Los esfuerzos de investigación para desarrollar soldaduras sin plomo confiables, sustratos de PCB a base de papel y técnicas de fabricación aditiva más ecológicas son pequeños pasos que eventualmente pueden tener un gran impacto en las placas de circuito sostenibles.

Imagen destacada utilizada por cortesía de Elephantech.