Nel mondo di oggi, frenetico e in continua evoluzione, l’uso crescente di prodotti elettronici ha portato all’attenzione la problematica sempre più concreta dell’impatto sull’ambiente dei rifiuti elettronici. I circuiti stampati (PCB), componenti fondamentali di quasi tutti i dispositivi elettronici, costituiscono una buona parte dei questa massa di rifiuti, spingendo il settore a ragionare sempre più sul concetto di riciclo dei PCB, possibile grazie ai progressi tecnologici e alla crescente consapevolezza ambientale.
In virtù del forte impegno di NCAB per la sostenibilità, in questo articolo parlerò del concetto di circolarità nella produzione di PCB e della sua rilevanza per la creazione di circuiti stampati più sostenibili, delle sfide del riciclo dei PCB e del potenziale di riutilizzo dei residui organici dei PCB per nuovi prodotti. Inoltre, in questo post vi racconterò un progetto promettente in Cina che ci avvicinerà alla realizzazione di PCB completamente riciclabili.
Comprendere la circolarità e la sfida della riciclabilità dei PCB
Per cominciare, cosa intendiamo per circolarità in questo contesto? La circolarità si riferisce alla pratica di ridurre i rifiuti alla fine del ciclo di vita di un prodotto. L’idea è che quando riconsegniamo un prodotto elettronico per la raccolta dei rifiuti, possiamo riutilizzare il prodotto scartato come materia prima per la produzione di un prodotto simile. Tuttavia, il raggiungimento di una vera circolarità è possibile solo se si dispone di un prodotto omogeneo, ovvero se il prodotto è stato realizzato con lo stesso gruppo di materiali. Questo, tuttavia, non è il caso dei prodotti elettronici, che sono costituiti da un mix di materiali.
Il PCB assemblato è ciò che possiamo definire un’integrazione omogenea di più prodotti: abbiamo il PCB nudo e i componenti saldati sul PCB, come i pacchetti di semiconduttori, le resistenze e i condensatori. Per riciclare efficacemente i PCB, dobbiamo prima rimuovere i componenti elettronici in modo da lasciare il PCB nudo, che è il prodotto che vogliamo riciclare. Per capire come si può fare, dobbiamo esaminare di cosa è fatto un PCB.
Lo sapevi che?
I PCB riciclabili e la circolarità si differenziano per l’ambito di riciclo. La circolarità, nel contesto dei PCB, si riferisce alla pratica di ridurre i rifiuti e conservare i materiali alla fine del ciclo di vita di un prodotto. L’obiettivo è quello di creare un sistema a ciclo chiuso in cui i materiali vengono continuamente riciclati e reintegrati in nuovi PCB o altri prodotti. Il riciclo dei PCB implica l’estrazione e il riutilizzo di materiali preziosi dalla scheda e dai suoi componenti. L’attenzione si concentra sulla fase di fine vita, in cui il PCB viene inviato al trattamento dei rifiuti e i vari materiali, come metalli e plastica, vengono separati e riciclati in modo indipendente.
Composizione e incollaggio dei PCB: implicazioni per il riciclo
Prima di parlare di come avviene il riciclaggio dei PCB, cerchiamo di capire innanzitutto di cosa sono fatti. Sulla superficie ci sono soldermask e l’inchiostro per la marcatura. Al di sotto, ci sono i conduttori di rame in diversi strati all’interno del PCB. Inoltre, tutti i PCB presentano finiture superficiali, come contatti o connettori in stagno o oro. All’interno del PCB sono presenti anche diverse versioni di epossidica, ovvero un materiale plastico che incapsula i tessuti in fibra di vetro. Tutti questi componenti sono legati tra loro e questo rende la separazione un compito davvero difficile.
Attualmente, l’unico modo per scomporre il PCB è macinare l’intero circuito, ottenendo piccole particelle di metallo, fibra di vetro e resina (epossidica) che si fondono insieme. Oggi siamo in grado di separare i diversi metalli, come il rame e l’oro, ottenendo un residuo costituito da particelle di resina e fibra di vetro. Mentre i metalli possono essere facilmente riutilizzati, anche per nuovi PCB, il residuo organico risulta inutile per la produzione di PCB.
A livello globale, gran parte di questi residui organici finisce nelle discariche. In alcuni Paesi, invece, diventano una risorsa per generare calore ed elettricità. L’approccio ideale sarebbe quello di riutilizzare questi residui per nuovi prodotti e ci sono diversi progetti che stanno studiando come riutilizzare i residui organici dei PCB in nuove destinazioni d’uso. L’obiettivo finale sarebbe quello di separare le fibre di vetro dalla resina per utilizzarle come materie prime per nuovi materiali di base dei PCB.
Progressi significativi: Separare la fibra di vetro dalla resina epossidica
Attualmente, una delle principali fabbriche di laminati in Cina ha sviluppato un materiale di base in fibra di vetro di tipo FR-4 adatto a separare la fibra di vetro dalla resina epossidica, ma finora questo risultato è stato ottenuto solo in un ambiente di laboratorio. È in fase di sviluppo un impianto di riciclaggio più grande. Il Gruppo NCAB sta seguendo da vicino lo sviluppo di questo impianto, che sarà industrializzato e finalmente disponibile per il riciclaggio commerciale dei PCB.
Quindi, quando parliamo di un PCB riciclabile, dovremmo riferirci alla separazione della fibra di vetro dalla resina nel residuo organico e alla misura in cui possiamo riutilizzarla per produrre nuovi PCB.
Testare il nuovo materiale: Valutazione dell’affidabilità e delle caratteristiche
Diamo un’occhiata a questo nuovo materiale sviluppato in Cina. Quanto è affidabile questo materiale rispetto all’FR-4, il più comune materiale di base per PCB? Quali sono le caratteristiche di questo materiale?
L’affidabilità è qualcosa che dobbiamo testare per raccogliere dati. Sebbene anche le caratteristiche pubblicate debbano essere qualificate, vale la pena notare che questo materiale ha caratteristiche molto simili a un materiale a basso contenuto di alogeni (FR-4.1) di fascia alta.
Grazie ai nostri rapporti con uno dei maggiori produttori di laminati, in primavera NCAB ha ordinato dei campioni del materiale di base di tipo FR-4, anche se questo è solo in fase di ricerca e sviluppo. Dopo averli ricevuti, il mio collega Kenneth Jonsson, responsabile tecnico del nostro laboratorio di Stoccolma, ha condotto una serie di test comuni, ha prelevato sezioni trasversali e ha eseguito alcuni test standard. Il risultato è stato sorprendentemente buono! Ecco l’elenco dei test che abbiamo eseguito:
- I campioni sono stati sollecitati termicamente 6 volte in un forno da laboratorio impostato a 260 °C per 2,5 minuti ogni volta (J-STD-003D Tabella 4-6),
- I campioni sono stati quindi immersi 2 volte per 10 secondi in una lega fusa in conformità alla norma IPC-TM-650 2.6.8E. Condizione di prova A 288 °C ± 5 °C.
- È stata prelevata una microsezione di 10*20 mm e ispezionata per individuare eventuali difetti.
Nel rapporto, Kenneth scrive: “Non è stata riscontrata alcuna deviazione rispetto alla norma IPC-A-600, né alcuna evidenza di degrado del materiale. Le proprietà CTE del materiale sembrano buone, poiché non vi è alcuna evidenza di sollevamento del pad. Il materiale sembra essere in grado di gestire bene il calore, dal momento che non vi è alcuna evidenza di recessione della resina”.
Un aspetto che abbiamo notato è che abbiamo osservato chiare linee di demarcazione tra ciascun preimpregnato in un modo mai visto prima su un materiale CCL rigido. Sebbene queste linee di demarcazione sembrino rimanere inalterate dopo lo stress termico, il che è positivo, possono comunque essere punti deboli quando si applicano sollecitazioni meccaniche.
Inoltre, abbiamo notato alcune asperità del foro in cui la punta ha strappato parte dei fasci di fibre, indicando che i parametri di perforazione devono essere messi a punto.
Prossimi passi: Piani e incertezze per i PCB riciclabili
Quindi, qual è il prossimo passo? Abbiamo eseguito i test, ma non abbiamo ancora inviato le schede per l’assemblaggio, che è il nostro prossimo passo. Il nostro piano prevede di valutare le prestazioni e l’affidabilità del materiale in scenari reali e di effettuare test di affidabilità a lungo termine. In conclusione, per confermare l’affidabilità abbiamo bisogno di dati.
La vostra domanda ora potrebbe essere: quando potremo ordinare PCB con questo materiale e quando potremo testare la circolarità? Purtroppo non abbiamo ancora una risposta certa. Secondo i nostri piani, ordineremo altre schede, le testeremo e le invieremo ai clienti che sono disposti a fare test sul campo. Per quanto riguarda il riciclaggio, seguiremo da vicino la fabbrica di laminati e condivideremo con i nostri clienti i progressi fatti.
Inoltre, un altro fattore che può accelerare il concetto di riciclabilità dei PCB è l’interesse delle organizzazioni di standardizzazione come IPC e UL e i documenti presentati nelle conferenze mondiali.
In generale, mentre il concetto di riciclabilità dei PCB acquista slancio, dobbiamo esplorare le sfide per raggiungere una vera circolarità a causa della natura eterogenea dei prodotti elettronici. I test e lo sviluppo di un nuovo materiale in Cina mostrano risultati promettenti per la separazione della fibra di vetro dalla resina epossidica, contribuendo all’obiettivo di PCB riciclabili. Sebbene permangano incertezze sui tempi di realizzazione di PCB completamente riciclabili, la ricerca continua e la collaborazione potranno certamente accelerare i progressi nel riciclaggio e nell’uso sostenibile dei PCB.
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