La industria y el mundo académico miran hacia placas de circuitos sostenibles

May 18, 2023

IDTechEx publicó recientemente un informe sobre Fabricación de productos electrónicos sostenibles 2023-2033, que detalla las tecnologías y tendencias futuras para placas de circuito impreso (PCB) y circuitos integrados (CI) sostenibles. IDTechEx espera que dentro de la próxima década, aproximadamente el 20% de los fabricantes de PCB adopten métodos más sostenibles, incluidos 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 PCB y circuitos integrados para satisfacer las demandas de sostenibilidad.

Un equipo de investigación de la Universidad 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 dio como resultado el "Manual del usuario de soldadura", un recurso que guía a los usuarios en sus prácticas de soldadura utilizando aleaciones sin plomo.

En 1986, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) prohibió el uso de soldadura o fundente que contenga más del 0,2% de plomo. En 2006, se prohibió en la Unión Europea la venta de productos electrónicos que contengan soldadura a base de plomo. La excepción a ambas prohibiciones son los casos de uso de alta confiabilidad que no son de consumo, como los dispositivos aeroespaciales, de defensa y ciertos dispositivos médicos.

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

Respaldados por un contrato de 40 millones de dólares 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-plomo en los sistemas de defensa.

El informe de IDTechEx predijo que para 2033, el mercado de PCB flexibles tendrá un valor de hasta 1.200 millones de dólares, impulsado por aplicaciones como los dispositivos portátiles que pueden beneficiarse de los PCB no rígidos.

La mayoría de los PCB rígidos están hechos de un material epoxi reforzado con fibra de vidrio: fibra de vidrio tejida en una tela y recubierta con una resina epoxi resistente al fuego. Este material entra en una categoría denominada FR-4 (o FR4). FR4 es liviano, resistente, económico y duradero en diversos entornos, lo que lo convierte en un candidato atractivo para PCB. Sin embargo, la producción de FR4 genera varios subproductos de desecho y requiere productos a base de petróleo para la resina epoxi, lo que lo hace potencialmente peligroso para el medio ambiente. Otro material que está ganando rápidamente popularidad como sustrato de PCB en PCB flexibles es un plástico llamado poliimida. Sin embargo, al igual que el FR4, la poliimida no es respetuosa con el medio ambiente.

Los investigadores están investigando alternativas a estos materiales, específicamente en el ámbito de los materiales de origen biológico, como el nanopapel de celulosa transparente. Un equipo de investigación japonés del Centro de I+D de Biociencias Marinas y la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología 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 origen biológico.

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 imagina este sustrato para su uso en aplicaciones de PCB flexibles, incluidos 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 lámina de cobre, recubre toda la superficie de la capa del sustrato. Luego, las partes innecesarias se disuelven. Este proceso no sólo 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 material que no se necesita, sólo se añade capa por capa el material necesario. Un ejemplo de esto es el P-Flex de Elphantech, una PCB flexible. Elephantech utiliza una nanotinta plateada para inyectar el patrón requerido en una superficie de PCB flexible. Luego, la empresa utiliza un revestimiento de cobre no electrolítico 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 la Silicon Valley Toxics Coalition abogaron por prácticas más sostenibles en la fabricación y la eliminación de desechos electrónicos para evitar que esos materiales contaminen el medio ambiente.

Desde entonces, han entrado en vigor varias leyes para cambiar la forma en que se fabrican los PCB y los circuitos integrados, mitigando los impactos nocivos para 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 empujando a los fabricantes de productos electrónicos a investigar y adoptar prácticas de producción más seguras.

Los esfuerzos de investigación para desarrollar soldaduras confiables sin plomo, 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 circuitos sustentables.

Imagen destacada utilizada por cortesía de Elephantech.