Indústria e academia buscam placas de circuito sustentáveis

A IDTechEx lançou recentemente um relatório sobre Manufatura Eletrônica Sustentável 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 a métodos mais sustentáveis, incluindo gravação a seco e impressão.

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

Uma equipe de pesquisa da Purdue University liderada pela Dra. Carol Handwerker está investigando como fazer alternativas de solda sem chumbo tão eficazes quanto a solda de 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 eletrônicos contendo solda à base de chumbo foi proibida na União Europeia. A exceção a ambas as proibições é em casos de uso de alta confiabilidade e não consumidores, como aeroespacial, defesa e certos dispositivos médicos.

As ligas de estanho-chumbo eram tradicionalmente o material ideal para solda 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 usada, têm uma temperatura de fusão mais alta do que estanho-chumbo, exigindo aproximadamente 245°C para obter absorção e umectação (em oposição a 220°C em estanho-chumbo). Esse requisito de temperatura aumentada não apenas se traduz em mais energia necessária para a soldagem, mas também pode afetar componentes como capacitores e optoeletrônicos que são suscetíveis a danos em temperaturas elevadas.

Apoiados por um contrato de $ 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 ​​do que) soldas de estanho e chumbo em sistemas de defesa.

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

A maioria dos PCBs rígidos é feita de um material epóxi reforçado com fibra de vidro - fibra de vidro que é tecida em um pano e revestida por uma resina epóxi resistente a chamas. Este material se enquadra em uma categoria conhecida como FR-4 (ou FR4). O FR4 é leve, forte, barato e durável em vários ambientes, tornando-o 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 está ganhando popularidade rapidamente como substrato de PCB em PCBs flexíveis é um plástico chamado poliimida. No entanto, como o FR4, a poliimida não é ecológica.

Os pesquisadores estão investigando alternativas para esses materiais, especificamente no reino dos materiais de base biológica, como o nanopapel de celulose transparente. Uma equipe de pesquisa japonesa do Centro de P&D para Biociências Marinhas e da Agência Japonesa de Ciência e Tecnologia Marinha-Terra desenvolveu um substrato de PCB baseado em papel que aborda 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 PCB à base de plástico. A equipe prevê esse substrato para uso em aplicações de PCB flexíveis, incluindo dispositivos vestíveis.

Materiais residuais são outro desafio para a sustentabilidade do PCB. Na fabricação subtrativa tradicional, uma camada metálica, como 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 manufatura aditiva, onde ao invés de remover o material que não é necessário, 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 nano-tinta prateada para fazer o jato de tinta do padrão necessário em uma superfície PCB flexível. A empresa então usa revestimento de cobre não eletrolítico para construir as camadas padrão.