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Recyclage des circuits imprimés : Relever les défis et saisir les opportunités

by Jan Pedersen, Director of Technology

Dans le monde d’aujourd’hui, en évolution rapide et constante, l’utilisation croissante de produits électroniques a conduit à un problème environnemental critique : les déchets électroniques. Parmi les principaux contributeurs figurent les circuits imprimés (PCB), composants fondamentaux de la quasi-totalité des appareils électroniques. En conséquence, le concept de recyclabilité des circuits imprimés a pris de l’ampleur, sous l’effet des progrès technologiques et d’une prise de conscience croissante des problèmes d’environnement.

Symbol for recycling | NCAB Group

Compte tenu de l’engagement fort de NCAB en faveur du développement durable, nous aborderons dans cet article le concept de circularité, les défis du recyclage ainsi que le potentiel de réutilisation des résidus organiques. En outre, ce blog mettra en lumière un projet prometteur en Chine qui nous rapprochera de la réalisation de circuits imprimés entièrement recyclables.

Comprendre la circularité et le défi de la recyclabilité des circuits imprimés

Tout d’abord, qu’entendons-nous par circularité dans ce contexte ? La circularité fait référence à la pratique consistant à réduire les déchets à la fin de vie d’un produit. L’idée est que lorsque nous renvoyons un produit électronique pour traitement des déchets, nous pouvons réutiliser le produit mis au rebut comme matière première dans la production d’un produit similaire. Toutefois, une véritable circularité n’est possible que si le produit est homogène, ce qui signifie qu’il doit être fabriqué à partir de la même matière. Ce n’est pas le cas des produits électroniques qui sont constitués d’un mélange de matériaux.

Le circuit imprimé assemblé est une intégration homogène de plusieurs éléments ; il y a le circuit imprimé nu, et les composants soudés tels que les boîtiers de semi-conducteurs, les résistances et les condensateurs. Pour recycler efficacement les circuits imprimés, nous devons d’abord retirer les composants électroniques afin de ne conserver que le PCB nu. Pour comprendre comment cela fonctionne, nous devons nous pencher sur la composition d’un PCB.

Le saviez-vous ?

Les circuits imprimés recyclables et la circularité se distinguent par la portée de leur recyclage. L’objectif est de créer un système en boucle fermée dans lequel les matériaux sont continuellement recyclés et réintégrés dans de nouveaux PCB ou d’autres produits. Le recyclage des PCB implique l’extraction et la réutilisation des métaux précieux de la carte et de ses composants. L’accent est mis ici sur la phase de fin de vie, au cours de laquelle le circuit imprimé est envoyé au traitement des déchets, et divers matériaux tels que les métaux et les plastiques sont séparés et recyclés indépendamment.

La composition et la structure des PCB : Incidences sur le recyclage

Pour en savoir plus sur le recyclage des circuits imprimes, il faut d’abord comprendre de quoi ils se composent. Sur la surface se trouvent la sérigraphie et le vernis épargne. En dessous, des conducteurs en cuivre sont répartis sur plusieurs couches à l’intérieur du circuit imprimé. De plus, tous les circuits imprimés présentent des finitions sur les connecteurs à base d’étain ou d’or. À l’intérieur du circuit imprimé, on trouve également différentes versions de résine d’époxy, un matériau thermodurcissable qui encapsule les tissus de fibre de verre. Tous ces composants sont collés ensemble ce qui rend la séparation difficile.

Actuellement, la seule façon de décomposer un circuit imprimé est de le broyer, ce qui génère de petites particules de métal, de fibre de verre et de résine (époxy), toutes mélangées. Aujourd’hui, nous sommes en mesure de séparer les différents métaux tels que le cuivre et l’or, pour obtenir un résidu composé de particules de résine et de fibre de verre. Alors que les métaux peuvent être facilement réutilisés pour produire de nouveaux PCB, le résidu organique reste inutile.

À l’échelle mondiale, une grande partie de ces résidus organiques finit dans les décharges. Cependant, dans certains pays, ces résidus deviennent une source de production de chaleur et d’électricité. Plusieurs projets étudient la manière dont nous pouvons réutiliser les résidus organiques des PCB dans de nouveaux produits. L’objectif ultime serait de séparer les fibres de verre de la résine afin de les réutiliser comme matières premières pour de nouveaux PCB.

Des avancées prometteuses : Séparation de la fibre de verre de la résine époxy

Récemment, l’une des principales usines de matières en Chine a mis au point un matériau en fibre de verre de type FR-4, permettant de séparer la fibre de verre de la résine époxy. Jusqu’à présent, cette opération n’a été réalisée qu’en laboratoire mais une usine de recyclage plus importante est en cours de développement. NCAB suit de près l’évolution de ce projet en vue de son industrialisation et de sa mise à disposition pour le recyclage des circuits imprimes.

Ainsi, lorsque nous parlons de circuits imprimés recyclables, nous faisons référence à la séparation de la fibre de verre et de la résine dans le résidu organique, et à la mesure dans laquelle nous pouvons le réutiliser pour produire de nouveaux PCB.

Tester la nouvelle matière : Évaluation de la fiabilité et des caractéristiques

Jetons un coup d’œil à cette nouvelle matière développée en Chine. Quelle est sa fiabilité par rapport à la matière FR-4 ? Quelles sont ses caractéristiques ?

La fiabilité est un élément que nous devons tester. Bien que les données publiées doivent également être qualifiées, il convient de noter que ce matériau présente des caractéristiques très similaires à celles d’un matériau haut de gamme à faible teneur en halogène (FR-4.1).

Grâce à ses relations avec l’un des plus grands fabricants de matières, NCAB a commandé au printemps des échantillons de ce matériau, même s’il n’en est encore qu’au stade du développement. Après réception, Kenneth Jonsson, Directeur Technique de notre laboratoire de Stockholm, a effectué une série d’essais, réalisé des coupes transversales et quelques tests standards. Le résultat a été étonnamment bon ! Les tests que nous avons effectués sont les suivants :

  • Les échantillons ont été soumis à 6 chocs thermiques dans un four de laboratoire réglé à 260°C, à chaque fois pendant deux minutes et demi (J-STD-003D Tableau 4-6).
  • Les échantillons ont ensuite été plongés 2 fois pendant 10 secondes dans de la brasure en fusion conformément à la norme IPC-TM-650 2.6.8E. Condition d’essai A 288 °C ± 5 °C.
  • Une microsection de 10×20 mm a été réalisée et analysée pour détecter les défauts.

Dans son rapport, Kenneth écrit : “Aucun écart par rapport à la norme IPC-A-600 n’a pu être constaté, et aucun signe de dégradation de la matière n’a pu être observé. Les propriétés CTE du matériau semblent bonnes puisqu’il n’y a aucun signe de soulèvement des pastilles. La matière semble bien supporter la chaleur car il n’y a pas de signe de rétraction de la résine”.

Nous avons observé des lignes de démarcation claires entre chaque pré-imprégné d’une manière qui n’avait jamais été observée auparavant sur un matériau CCL rigide. Bien que ces lignes de démarcation semblent rester inchangées après une contrainte thermique, ce qui est une bonne chose, elles peuvent néanmoins constituer des points faibles lors de l’application d’une contrainte mécanique.

Base material sample | NCAB Group
Image d’un échantillon non stressé avec des lignes de démarcation (flèches rouges).

En outre, nous avons remarqué une certaine rugosité des trous où le foret a arraché une partie des fibres de verre, ce qui indique que les paramètres de perçage doivent être affinés.

Thermal stressed hole wall | NCAB Group
Image montrant la paroi d’un trou soumise à une contrainte thermique. Pas de rétraction de la résine, pas de soulèvement du pad. Nous n’avons constaté aucune détérioration de la fiabilité à la suite d’un décollement.

Aller plus loin : Futur et incertitudes concernant des circuits imprimes recyclables

Quelle est la prochaine étape ? Nous avons effectué ces tests sur des PCB nus, notre prochaine étape est désormais de les assembler. Nous prévoyons d’évaluer les performances et la fiabilité du matériau dans des scénarios réels et de réaliser des tests de fiabilité à long terme. En conclusion, pour confirmer la fiabilité, nous avons besoin de données.

Vous vous demandez sans doute quand vous pourrez commander ces circuits imprimés recyclables et tester leur circularité ? Malheureusement, nous n’avons pas encore la réponse à cette question. Nous prévoyons de passer une nouvelle commande de ces circuits imprimés, de les tester et de les envoyer aux clients qui sont prêts à effectuer des essais sur le terrain. En ce qui concerne le recyclage, nous suivrons de très près le process de l’usine et nous en ferons part à nos clients le moment venu.

Par ailleurs, l’intérêt manifesté par les organismes de normalisation tels que IPC et UL, est susceptible d’accélérer le concept de recyclabilité des PCB.

Globalement, alors que ce concept prend de l’ampleur, nous devons étudier les défis à relever pour parvenir à une véritable circularité en raison de la nature hétérogène des produits électroniques. Les essais et le développement d’une nouvelle matière en Chine montrent des résultats prometteurs pour séparer la fibre de verre de la résine époxy, contribuant ainsi à l’objectif de PCB recyclables. Bien qu’il subsiste des incertitudes quant au calendrier de mise au point de ces PCB, la poursuite de la recherche et la collaboration permettent d’accélérer les progrès en matière de recyclage et d’utilisation durable des PCB.

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