L'industrie et le milieu universitaire se tournent vers des circuits imprimés durables

IDTechEx a récemment publié un rapport sur la fabrication électronique durable 2023-2033, détaillant les technologies et les tendances à venir pour les cartes de circuits imprimés (PCB) et les circuits intégrés (CI) durables. IDTechEx s'attend à ce qu'au cours de la prochaine décennie, environ 20 % des fabricants de PCB se convertissent à des méthodes plus durables, notamment la gravure sèche et l'impression.

Vous trouverez ci-dessous un aperçu de certaines des façons dont nous pourrions voir la production de PCB et de CI changer pour répondre aux exigences de durabilité.

Une équipe de recherche de l'Université Purdue dirigée par le Dr Carol Handwerker étudie comment rendre les alternatives de soudure sans plomb aussi efficaces que la soudure au plomb, en particulier pour les applications critiques. Le projet a abouti au « Manuel de l'utilisateur de la soudure », une ressource qui guide les utilisateurs dans leurs pratiques de soudure à l'aide d'alliages sans plomb.

En 1986, l'Environmental Protection Agency (EPA) a interdit l'utilisation de soudure ou de flux contenant plus de 0,2 % de plomb. En 2006, la vente d'appareils électroniques contenant de la soudure à base de plomb a été interdite dans l'Union européenne. L'exception à ces deux interdictions concerne les cas d'utilisation non grand public à haute fiabilité, tels que l'aérospatiale, la défense et certains dispositifs médicaux.

Les alliages étain-plomb étaient traditionnellement le matériau de référence pour le soudage électronique en raison de leur point de fusion élevé, de leur résistance à la corrosion et de leurs propriétés électriques. Les alliages étain-cuivre-argent, la soudure sans plomb la plus utilisée, ont une température de fusion plus élevée que l'étain-plomb, nécessitant environ 245°C pour obtenir l'effet de mèche et le mouillage (contre 220°C dans l'étain-plomb). Cette exigence de température accrue se traduit non seulement par plus d'énergie nécessaire pour le soudage, mais peut également avoir un impact sur les composants tels que les condensateurs et l'optoélectronique qui sont susceptibles d'être endommagés à des températures élevées.

Soutenus par un contrat de 40 millions de dollars avec le département américain de la Défense, les chercheurs de Purdue élaborent un calendrier pour déterminer quand les soudures sans plomb seront aussi fiables (ou plus fiables) que les soudures étain-plomb dans les systèmes de défense.

Le rapport IDTechEx prédit que d'ici 2033, le marché des PCB flexibles représentera jusqu'à 1,2 milliard de dollars, porté par des applications telles que les appareils portables pouvant bénéficier de PCB non rigides.

La plupart des PCB rigides sont fabriqués à partir d'un matériau époxy renforcé de fibre de verre, une fibre de verre tissée dans un tissu et recouverte d'une résine époxy ignifuge. Ce matériau entre dans une catégorie appelée FR-4 (ou FR4). Le FR4 est léger, solide, peu coûteux et durable dans divers environnements, ce qui en fait un candidat attrayant pour les PCB. Cependant, la production de FR4 crée plusieurs sous-produits de déchets et nécessite des produits à base de pétrole pour la résine époxy, ce qui la rend potentiellement dangereuse pour l'environnement. Un autre matériau qui gagne rapidement en popularité en tant que substrat de PCB dans les PCB flexibles est un plastique appelé polyimide. Cependant, comme le FR4, le polyimide n'est pas respectueux de l'environnement.

Les chercheurs étudient des alternatives à ces matériaux, en particulier dans le domaine des matériaux biosourcés, comme le nanopapier de cellulose transparent. Une équipe de recherche japonaise du Centre de R&D pour les biosciences marines et de l'Agence japonaise pour les sciences et technologies marines et terrestres a développé un substrat de PCB à base de papier qui s'attaque aux défis de mise à l'échelle et de fabrication des substrats biosourcés.

L'équipe a indiqué que son substrat à base de papier présentait une faible dilatation thermique, une durabilité thermique et une constante diélectrique plus élevée que les autres matériaux de PCB à base de plastique. L'équipe envisage d'utiliser ce substrat dans des applications de circuits imprimés flexibles, y compris des dispositifs portables.

Les déchets constituent un autre défi pour la durabilité des PCB. Dans la fabrication soustractive traditionnelle, une couche métallique, telle qu'une feuille de cuivre, recouvre toute la surface de la couche de substrat. Ensuite, les parties inutiles sont dissoutes. Ce processus gaspille non seulement des ressources métalliques, mais nécessite également de nombreux composés chimiques pour être réalisé.

Une alternative plus durable est la fabrication additive, où au lieu d'enlever le matériau qui n'est pas nécessaire, seul le matériau nécessaire est ajouté couche par couche. Un exemple de ceci est le P-Flex d'Elphantech, un circuit imprimé flexible. Elephantech utilise une nano-encre d'argent pour projeter le motif requis sur une surface de PCB flexible. La société utilise ensuite un placage de cuivre autocatalytique pour créer les couches de motif.

L'entreprise affirme que ce processus réduit finalement les émissions de CO2 de 77 %, la consommation d'eau de 95 % et les émissions de substances toxiques de 85 % par rapport aux processus traditionnels.

L'impact de la fabrication électronique sur l'environnement n'est pas un sujet entièrement nouveau. En 1982, des organisations telles que la Silicon Valley Toxics Coalition ont plaidé en faveur de pratiques plus durables dans la fabrication et l'élimination des déchets électroniques pour empêcher ces matériaux de contaminer l'environnement.

Depuis lors, plusieurs législations sont entrées en vigueur pour changer la façon dont les PCB et les circuits intégrés sont fabriqués, atténuant ainsi les impacts nocifs sur l'environnement et les personnes. Alors que la durabilité continue d'être un défi à la veille de 2023, plusieurs initiatives vertes, mandats gouvernementaux et changements d'attitude des consommateurs poussent les fabricants d'électronique à rechercher et à adopter des pratiques de production plus sûres.

Les efforts de recherche pour développer une soudure sans plomb fiable, des substrats de PCB à base de papier et des techniques de fabrication additive plus respectueuses de l'environnement sont de petites étapes qui pourraient éventuellement avoir un impact important sur les cartes de circuits imprimés durables.

Image en vedette utilisée avec l'aimable autorisation d'Elephantech.