In der heutigen schnelllebigen und sich ständig verändernden Welt hat die zunehmende Verwendung elektronischer Produkte zu einem kritischen Umweltproblem geführt – Elektronikabfall. Zu den Hauptverursachern dieses Abfallstroms gehören Leiterplatten (Printed Circuit Boards, PCBs), grundlegende Komponenten in fast allen elektronischen Geräten. Infolgedessen hat das Konzept der Recyclingfähigkeit von Leiterplatten aufgrund des technologischen Fortschritts und des wachsenden Umweltbewusstseins stark an Bedeutung gewonnen.
Im Rahmen des starken Engagements von NCAB für Nachhaltigkeit werden wir in diesem Blogbeitrag das Konzept der Kreislaufwirtschaft in der Leiterplattenproduktion und seine Bedeutung für die Schaffung nachhaltigerer Leiterplatten, die Herausforderungen beim Recycling von Leiterplatten und das Potenzial der Wiederverwendung organischer Leiterplattenreste für neue Produkte erörtern. Darüber hinaus hebt Jan ein vielversprechendes Projekt in China hervor, das uns der Entwicklung vollständig recycelbarer Leiterplatten einen Schritt näher bringen wird.
Kreislaufwirtschaft und die Herausforderung der Recyclingfähigkeit von Leiterplatten verstehen
Zunächst einmal: Was verstehen wir in diesem Zusammenhang unter Kreislaufwirtschaft? Kreislaufwirtschaft bezieht sich auf die Praxis der Abfallreduzierung am Ende des Lebenszyklus eines Produkts. Die Idee ist, dass wir, wenn wir ein elektronisches Produkt zur Entsorgung bringen, das ausrangierte Produkt für die Herstellung eines ähnlichen Produkts als Rohstoff wiederverwenden können. Eine echte Kreislaufwirtschaft kann jedoch nur erreicht werden, wenn es sich um ein homogenes Produkt handelt, d. h. das Produkt muss aus derselben Materialgruppe hergestellt werden. Dies ist jedoch bei elektronischen Produkten nicht der Fall, da sie aus einer Mischung diverser Rohstoffe bestehen.
Die bestückte Leiterplatte ist das, was wir als homogene Integration mehrerer Produkte bezeichnen können; wir haben die blanke Leiterplatte und wir haben Komponenten, die auf die Leiterplatten gelötet wurden, wie Halbleitergehäuse, Widerstände und Kondensatoren. Damit wir Leiterplatten effektiv recyceln können, müssen wir zunächst die elektronischen Komponenten entfernen, so dass die nackte Leiterplatte übrig bleibt, denn diese ist das Produkt, das wir recyceln wollen. Um zu verstehen, wie das möglich ist, müssen wir uns ansehen, woraus eine Leiterplatte hergestellt wird.
Wussten sie schon, dass?
Recycelbare Leiterplatten und Kreislaufwirtschaft sich in der Reichweite des Recyclings unterscheiden? Der Begriff Kreislaufwirtschaft bezieht sich im Zusammenhang mit Leiterplatten auf die Verringerung von Abfällen und den Verbleib von Materialien am Ende des Lebenszyklus eines Produkts. Ziel ist die Schaffung eines geschlossenen Kreislaufs, in dem Materialien kontinuierlich recycelt und in neue Leiterplatten oder andere Produkte integriert werden können. Bei wiederverwertbaren Leiterplatten werden wertvolle Materialien aus der Platine und ihren Komponenten extrahiert und wiederverwendet. Der Schwerpunkt liegt hier auf der End-of-Life-Phase, in der die Leiterplatten der Abfallverwertung zugeführt werden und verschiedene Materialien wie Metalle und Kunststoffe getrennt und unabhängig voneinander recycelt werden.
Die Zusammensetzung und Lamination von Leiterplatten: Auswirkungen auf das Recycling
Wenn wir uns mit dem Recycling von Leiterplatten befassen, sollten wir zunächst verstehen, woraus sie bestehen. Auf der Oberfläche befinden sich Lötstopplack und Bestückungsdruck. Darunter befinden sich Kupferleiter in mehreren Schichten im Inneren der Leiterplatte. Außerdem haben alle Leiterplatten ein Oberflächenfinish, z. B. Zinn oder Gold. Innerhalb der Leiterplatte haben wir verschiedene Arten von Epoxidharz oder ein Kunststoffmaterial, das Glasfasergewebe umhüllt. Alle diese Komponenten sind miteinander verklebt, was die Trennung zu einer schwierigen Aufgabe macht.
Derzeit besteht die einzige Möglichkeit, die Leiterplatte zu zerlegen, darin, sie komplett zu zerkleinern, wodurch kleine Metall-, Glasfaser- und Harzpartikel (Epoxidharz) entstehen, die alle miteinander vermischt sind. Heute sind wir in der Lage, die verschiedenen Metalle, wie z. B. Kupfer und Gold, zu trennen, so dass ein Rückstand aus Harz- und Glasfaserpartikeln übrig bleibt. Während die Metalle leicht wiederverwendet werden können, sogar für neue Leiterplatten, sind die organischen Rückstände für die Leiterplattenproduktion unbrauchbar.
Weltweit landet ein Großteil dieser organischen Rückstände auf der Mülldeponie. In einigen Ländern werden diese Rückstände jedoch zur Erzeugung von Wärme und Strom genutzt. Ideal wäre es, diese Rückstände für neue Produkte wiederzuverwenden. Es gibt mehrere Projekte, in denen untersucht wird, wie wir die organischen Rückstände von Leiterplatten für neue Produkte wiederverwenden können. Das ultimative Ziel wäre es, Glasfasern vom Harz zu trennen, um sie als Rohmaterial für neue Leiterplatte-Basismaterialien zu verwenden.
Vielversprechende Fortschritte: Trennung von Glasfasern und Epoxidharzen
Derzeit hat eine der wichtigsten Laminatfabriken in China ein Glasfaserträgermaterial des Typs FR-4 entwickelt, das sich für die Trennung von Glasfasern und Epoxidharz eignet. Dies ist bisher jedoch nur in einer Laborumgebung gelungen. Eine größere Recyclinganlage befindet sich in der Entwicklung. Die NCAB verfolgt genau, wie sich diese Anlage entwickelt, um industrialisiert zu werden und schließlich für das kommerzielle Recycling von Leiterplatten zur Verfügung zu stehen.
Wenn wir also von einer wiederverwertbaren Leiterplatte sprechen, sollten wir uns auf die Trennung der Glasfasern vom Harz in den organischen Rückständen beziehen und auf das Ausmaß, in dem wir sie zur Herstellung neuer Leiterplatte wiederverwenden können.
Prüfung des neuen Materials: Bewertung der Zuverlässigkeit und Eigenschaften
Werfen wir einen Blick auf dieses neue, in China entwickelte Material. Wie zuverlässig ist dieses Material im Vergleich zu FR-4, dem gebräuchlichsten Basismaterial für Leiterplatten? Wie sind die Eigenschaften dieses Materials?
Zuverlässigkeit ist etwas, das wir testen müssen, um Daten zu sammeln. Die veröffentlichten Eigenschaften müssen zwar auch qualifiziert werden, aber es ist erwähnenswert, dass dieses Material sehr ähnliche Eigenschaften wie ein hochwertiges halogenarmes Material (FR-4.1) aufweist.
Aufgrund unserer Beziehungen zu einem der größten Laminathersteller bestellte NCAB im Frühjahr Muster des Basismaterials des Typs FR-4, obwohl sich dieses erst in der Forschungs- und Entwicklungsphase befindet. Nach Erhalt der Proben führte mein Kollege Kenneth Jonsson, technischer Leiter in unserem Stockholmer Labor, eine Reihe von allgemeinen Tests durch, nahm Querschnitte und führte einige Standardtests durch. Das Ergebnis war erstaunlich gut! Die Tests, die wir durchgeführt haben, waren:
- Die Proben wurden sechsmal in einem auf 260 °C eingestellten Laborofen für jeweils 2,5 Minuten thermisch belastet (J-STD-003D Tabelle 4-6).
- Die Proben wurden dann zweimal für zehn Sekunden in geschmolzenes Lot gemäß IPC-TM-650 2.6.8E Testbedingung A 288 °C ± 5 °C getaucht.
- Ein 10*20 mm großer Mikroschliff wurde entnommen und auf Fehler untersucht.
In dem Bericht schreibt Kenneth: “Es konnte keine Abweichung von der IPC-A-600 festgestellt werden, und es gab keine Anzeichen von Materialverschlechterung. Die CTE-Eigenschaften des Materials scheinen gut zu sein, da es keine Anzeichen für ein Abheben der Pads gibt. Das Material scheint die Hitze gut zu verkraften, da es keine Anzeichen für einen Harzrückgang gibt.”
Ein Punkt, der uns aufgefallen ist, ist die Tatsache, dass wir klare Abgrenzungslinien zwischen den einzelnen Prepregs beobachtet haben, wie wir sie bei starrem CCL-Material noch nie gesehen haben. Diese Abgrenzungslinien scheinen nach der thermischen Belastung zwar ziemlich unverändert zu bleiben, was gut ist, aber sie können bei mechanischer Belastung immer noch Schwachstellen darstellen.
Darüber hinaus haben wir eine gewisse Rauheit im Loch festgestellt, wobei der Bohrer einen Teil der Faserbündel herausgerissen hat, was darauf hindeutet, dass die Bohrparameter noch angepasst werden müssen.
Wie es weitergeht: Pläne und Ungewissheiten für recycelbare Leiterplatten
Wie geht es nun weiter? Wir haben Tests durchgeführt, aber noch keine Platinen zur Bestückung verschickt. Das ist unser nächster Schritt. Unser Plan ist es, die Leistung und Zuverlässigkeit des Materials in realen Szenarien zu bewerten und langfristige Zuverlässigkeitstests durchzuführen. Um die Zuverlässigkeit zu bestätigen, brauchen wir also Daten.
Ihre Frage könnte nun lauten: Wann können wir Leiterplatten aus diesem Material bestellen, und wann können wir die Recyclingfähigkeit testen? Leider haben wir darauf noch keine endgültige Antwort. Wir planen, mehr Leiterplatten zu bestellen, sie zu testen und sie an Kunden zu schicken, die bereit sind, Feldtests durchzuführen. Was das Recycling angeht, werden wir die Laminatfabrik genau beobachten und unsere Kunden darüber informieren.
Ein weiterer Faktor, der das Konzept der Wiederverwertbarkeit von Leiterplatten beschleunigen kann, ist das Interesse von Normungsorganisationen wie IPC und UL sowie die auf globalen Konferenzen vorgestellten Papiere.
Während das Konzept der Wiederverwertbarkeit von Leiterplatten an Dynamik gewinnt, müssen wir die Schwierigkeiten erforschen, die sich aus der Heterogenität elektronischer Produkte für eine echte Kreislaufwirtschaft ergeben. Tests und die Entwicklung eines neuen Materials in China zeigen vielversprechende Ergebnisse bei der Trennung von Glasfasern und Epoxidharz, was dem Ziel der Wiederverwertbarkeit von Leiterplatten entgegenkommt. Auch wenn der Zeitplan für vollständig recycelbare Leiterplatten noch ungewiss ist, haben kontinuierliche Forschung und Zusammenarbeit das Potenzial, den Fortschritt beim Recycling und der nachhaltigen Nutzung von Leiterplatten zu beschleunigen.
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