Indústria e academia buscam placas de circuito sustentáveis

May 18, 2023

A IDTechEx lançou recentemente um relatório sobre Fabricação Sustentável de Eletrônicos 2023–2033, detalhando as tecnologias e tendências futuras para placas de circuito impresso (PCBs) e circuitos integrados (ICs) sustentáveis. A IDTechEx espera que, na próxima década, aproximadamente 20% dos fabricantes de PCB se convertam para métodos mais sustentáveis, incluindo gravação a seco e impressão.

Abaixo está uma visão geral de algumas das maneiras pelas quais podemos ver a produção de PCB e IC mudar para atender às demandas de sustentabilidade.

Uma equipe de pesquisa da Purdue University liderada pela Dra. Carol Handwerker está investigando como tornar alternativas de solda sem chumbo tão eficazes quanto a solda com chumbo, especialmente para aplicações críticas. O projeto resultou no “Manual do Usuário de Solda”, um recurso que orienta os usuários em suas práticas de soldagem usando ligas sem chumbo.

Em 1986, a Agência de Proteção Ambiental (EPA) proibiu o uso de solda ou fluxo contendo mais de 0,2% de chumbo. Em 2006, a venda de produtos eletrónicos contendo solda à base de chumbo foi proibida na União Europeia. A exceção a ambas as proibições ocorre em casos de uso de alta confiabilidade e não destinados ao consumidor, como aeroespacial, defesa e determinados dispositivos médicos.

As ligas de estanho-chumbo eram tradicionalmente o material preferido para soldagem eletrônica devido ao seu alto ponto de fusão, resistência à corrosão e propriedades elétricas. As ligas de estanho-cobre-prata, a solda sem chumbo mais utilizada, têm uma temperatura de fusão mais elevada do que o estanho-chumbo, necessitando de aproximadamente 245°C para atingir a absorção e umedecimento (em oposição a 220°C no estanho-chumbo). Este aumento da exigência de temperatura não se traduz apenas em mais energia necessária para a soldagem, mas também pode impactar componentes como capacitores e optoeletrônicos que são suscetíveis a danos em temperaturas elevadas.

Apoiados por um contrato de US$ 40 milhões com o Departamento de Defesa dos EUA, os pesquisadores da Purdue estão desenvolvendo um cronograma para quando as soldas sem chumbo serão tão confiáveis ​​quanto (ou mais confiáveis ​​que) as soldas de estanho-chumbo em sistemas de defesa.

O relatório da IDTechEx previu que, até 2033, o mercado de PCB flexível valerá até US$ 1,2 bilhão, impulsionado por aplicações como dispositivos vestíveis que podem se beneficiar de PCBs não rígidos.

A maioria dos PCBs rígidos são feitos de um material epóxi reforçado com fibra de vidro – fibra de vidro tecida em um tecido e revestida por uma resina epóxi resistente a chamas. Este material se enquadra em uma categoria denominada FR-4 (ou FR4). O FR4 é leve, forte, barato e durável em vários ambientes, o que o torna um candidato atraente para PCBs. No entanto, a produção de FR4 cria vários subprodutos residuais e requer produtos à base de petróleo para a resina epóxi, tornando-a potencialmente perigosa para o meio ambiente. Outro material que ganha popularidade rapidamente como substrato de PCB em PCBs flexíveis é um plástico chamado poliimida. No entanto, tal como o FR4, a poliimida não é amiga do ambiente.

Os pesquisadores estão investigando alternativas a esses materiais, especificamente no domínio dos materiais de base biológica, como o nanopapel de celulose transparente. Uma equipe de pesquisa japonesa do Centro de P&D de Biociências Marinhas e da Agência Japonesa de Ciência e Tecnologia Marinha-Terra desenvolveu um substrato de PCB à base de papel que enfrenta os desafios de dimensionamento e fabricação de substratos de base biológica.

A equipe relatou que seu substrato à base de papel demonstrou baixa expansão térmica, durabilidade térmica e maior constante dielétrica do que outros materiais de PCB à base de plástico. A equipe prevê esse substrato para uso em aplicações de PCB flexíveis, incluindo dispositivos vestíveis.

Os resíduos são outro desafio para a sustentabilidade dos PCB. Na fabricação subtrativa tradicional, uma camada metálica, como uma folha de cobre, reveste toda a superfície da camada de substrato. Então, as partes desnecessárias são dissolvidas. Este processo não apenas desperdiça recursos metálicos, mas também requer muitos compostos químicos para ser alcançado.

Uma alternativa mais sustentável é a fabricação aditiva, onde em vez de remover o material desnecessário, apenas o material necessário é adicionado camada por camada. Um exemplo disso é o P-Flex da Elphantech, um PCB flexível. A Elephantech usa uma nanotinta prateada para jato de tinta do padrão necessário em uma superfície flexível de PCB. A empresa então usa revestimento de cobre não eletrolítico para construir as camadas padrão.