工业界和学术界关注可持续的电路板

IDTechEx最近发布了一份关于2023-2033年可持续电子制造的报告，详细介绍了可持续印刷电路板（PCB）和集成电路（IC）的技术和未来趋势。IDTechEx预计，在未来十年内，大约20%的PCB制造商将转向更可持续的方法，包括干法蚀刻和印刷。

 

可持续PCB制造方法的当前结构。图片由IDTechEx提供

 

以下是我们可能看到PCB和IC生产变化以满足可持续发展需求的一些方式的概述。

 

普渡大学研究人员寻求无铅焊接

由Carol Handwerker博士领导的普渡大学的一个研究小组正在研究如何使非铅焊料替代品与铅焊料一样有效，尤其是在关键应用中。该项目产生了“焊料用户手册”，这是一个指导用户使用非铅合金进行焊料实践的资源。

1986年，美国环境保护局（EPA）禁止使用含铅量超过0.2%的焊料或助焊剂。2006年，欧盟禁止销售含铅焊料的电子产品。这两项禁令的例外是非消费者、高可靠性的使用情况，如航空航天、国防和某些医疗设备。

 

基底材料。图片由IDTechEx提供

 

锡铅合金由于其高熔点、耐腐蚀性和电气性能，传统上是电子焊接的首选材料。锡-铜-银合金是最常用的无铅焊料，其熔化温度高于锡-铅，需要大约245°C才能实现芯吸和润湿（而锡-铅需要220°C）。这种增加的温度要求不仅转化为焊接所需的更多能量，而且还可能影响电容器和光电器件等在高温下容易损坏的部件。

在与美国国防部签订的4000万美元合同的支持下，普渡大学的研究人员正在制定一个时间表，确定无铅焊料在国防系统中何时与锡铅焊料一样可靠（或比锡铅焊料更可靠）。

 

纸基PCB基板对柔性PCB的吸引力

IDTechEx的报告预测，到2033年，在可穿戴设备等应用的推动下，柔性PCB市场的价值将高达12亿美元，这些应用可以从非刚性PCB中受益。

大多数刚性PCB是由玻璃纤维增强环氧树脂材料玻璃纤维制成的，玻璃纤维被编织成布，并涂上阻燃环氧树脂。这种材料属于FR-4（或FR4）类。FR4重量轻、强度大、价格低廉，在各种环境中都很耐用，是多氯联苯的一种有吸引力的候选材料。然而，生产FR4会产生一些废物副产品，并且环氧树脂需要石油基产品，这对环境具有潜在的危害。作为柔性PCB中的PCB基板，另一种迅速流行的材料是一种名为聚酰亚胺的塑料。然而，与FR4一样，聚酰亚胺对环境不友好。

研究人员正在研究这些材料的替代品，特别是在生物基材料领域，如透明纤维素纳米纸。来自海洋生物科学研发中心和日本海洋地球科学技术厅的一个日本研究团队开发了一种基于纸张的PCB基板，该基板可以应对生物基板的规模化和制造挑战。

 

透明纳米纸（厚度20μm）。图片由RSC Advances提供

 

该团队报告称，与其他塑料基PCB材料相比，其纸基基板表现出较低的热膨胀性、耐热性和较高的介电常数。该团队设想将这种基板用于柔性PCB应用，包括可穿戴设备。

 

大象科技转向增材制造

废弃材料是对多氯联苯可持续性的另一个挑战。在传统的减法制造中，金属层，如铜箔，覆盖整个衬底层表面。然后，不需要的部分被溶解。这一过程不仅浪费了金属资源，而且需要许多化合物才能实现。

一个更可持续的替代方案是增材制造，即不去除不需要的材料，只逐层添加必要的材料。其中一个例子是Elphantech的P-Flex，一种柔性PCB。Elephantech使用银纳米墨水将所需图案喷墨到柔性PCB表面。然后，该公司使用化学镀铜来构建图案层。

 

大象的制造方法。图片由Elephantech提供[点击放大]

 

该公司声称，与传统工艺相比，该工艺最终减少了77%的二氧化碳排放、95%的水消耗和85%的有毒物质排放。

 

小动作对可持续性产生重大影响

电子制造业对环境的影响并不是一个全新的话题。1982年，硅谷毒物联盟等组织倡导在制造和电子废物处理方面采取更可持续的做法，以防止这些材料污染环境。

从那时起，一些立法已经生效，以改变多氯联苯和集成电路的制造方式，减轻对环境和人类的有害影响。尽管在2023年前夕，可持续性仍然是一个挑战，但一些绿色举措、政府授权和消费者态度的变化正在推动电子制造商调查并采取更安全的生产做法。

开发可靠的无铅焊料、纸基PCB基板和更环保的增材制造技术的研究工作是一小步，最终可能会对可持续电路板产生重大影响。

 

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特色图片由Elephantech提供。