Alternatívny výrobný postup eliminuje energeticky a chemicky náročné procesy a prispeje k zníženiu uhlíkovej stopy elektronických výrobkov.
Dosku plošných spojov tvorí nevodivý substrát, na ktorom sú na základe schémy zapojenia konkrétneho obvodu vytvorené vodivé spoje. Nimi sú prepojené jednotlivé elektronické prvky. Podľa počtu vrstiev poznáme jednovrstvové, dvojvrstvové a viacvrstvové dosky. Ilustračný obrázok. Zdroj: iStockphoto.com
V roku 2021 bolo celosvetovo vyprodukovaných 57,4 milióna ton elektronického odpadu. Celkový objem produkcie rastie v priemere o dva milióny ton ročne. Pritom len 17,4 percenta elektronického odpadu sa zbiera a riadne recykluje. Alternatívny proces výroby elektronických komponentov, ktorý bude šetrnejší k životnému prostrediu, je cieľom výskumníkov z Katedry elektrotechnológie Fakulty elektrotechnickej Českého vysokého učenia technického (FEL ČVUT) v Prahe a Ústavu polymérov Vysokej školy chemicko-technologickej (VŠCHT) v Prahe. Ako perspektívny materiál náhrady veľmi ťažko recyklovateľných epoxidových živíc sa javia polyméry používané pri 3D tlači.
Alternatívny proces výroby elektroniky
Až 10 percent elektronického odpadu tvoria dosky plošných spojov, ktoré sú základným stavebným prvkom drvivej väčšiny elektronických zariadení. Na výrobu izolačného substrátu sa používa epoxidová živica vystužená sklovitými vláknami. Okrem toho obsahuje ďalšie, pomerne toxické látky, ktoré slúžia ako retardéry horenia. Ide však o prakticky nerecyklovateľný materiál. Z vyslúženej dosky plošných spojov teda väčšinou možno opätovne využiť len kovy.
„Naším cieľom je nielen eliminovať už pri výrobe materiály, ktoré sa nedajú recyklovať, ale pripraviť a otestovať celý alternatívny proces výroby elektroniky, ktorý bude ohľaduplnejší k životnému prostrediu. Na výrobu nosného substrátu je možné využiť polymérne látky, ktoré sa používajú okrem iného pri 3D tlači, napr. PET (polyetyléntereftalát – termoplast zo skupiny polyesterov). Po ich vhodnej modifikácii na zaistenie požiadaviek pre elektronické výrobky nimi nahradíme epoxidovú živicu,“ opísal Petr Veselý z Katedry elektrotechnólogie Fakulty elektrotechnickej ČVUT v Prahe hlavné ciele výskumu.
Okrem skupiny 3DP Lab, ktorá sa zaoberá vývojom a výskumom materiálov pre 3D tlač v elektronike a ktorú vedie Petr Veselý, sa na výskume podieľajú aj pracovníci Ústavu polymérov VŠCHT v Prahe na čele s doktorom Čadkom. „Našou úlohou je práve vývoj a výroba strún pre 3D tlač, ktoré budú mať vhodné vlastnosti na výrobu nosných substrátov. Tie bude zároveň možné po skončení ich životnosti použiť ako vstupnú surovinu na opätovnú výrobu tlačovej struny,“ komentuje Jonáš Uřičář, študent zapojený do projektu.
Zníženie uhlíkovej stopy
Pri konvenčnom spôsobe výroby dosiek plošných spojov dochádza k chemickému leptaniu medenej vrstvy, a tým k tvorbe vodivých motívov na prepojenie jednotlivých súčiastok, ktoré sa potom na dosku plošných spojov pripájajú najčastejšie spájkovaním. Takýto spôsob výroby je však energeticky náročný a využívajú sa pri ňom látky potenciálne nebezpečné pre životné prostredie, ako aj značné množstvo vody.
Vďaka použitiu technológie 3D tlače možno vyrábať dosky plošných spojov s už zapuzdrenými elektronickými súčiastkami v tele substrátu, ktoré sa navzájom prepoja počas následnej potlače elektricky vodivým atramentom. Zapuzdrenie zabezpečí mechanickú integritu obvodu, ktorá by inak bola oproti konvenčnému riešeniu znížená pre horšie mechanické vlastnosti recyklovaných plastov. Tento alternatívny postup výroby eliminuje energeticky a chemicky náročné procesy a podľa Petra Veselého môže teda významne prispieť k zníženiu uhlíkovej stopy výroby elektronických výrobkov.
3D tlač zjednoduší technológiu výroby
„Zapojenie technológie 3D tlače tiež okrem environmentálnej stránky prináša možnosť pružnej reakcie na prípadné zmeny návrhu výrobku a proces výroby značne zjednodušuje. Tým sa stáva ideálnym napríklad pre výrobu prototypov či menších výrobných sérií, kde možno predpokladať i významné zníženie výrobnej ceny,“ doplnil Veselý.
Cieľom výskumu je však taktiež posunúť vývoj tohto riešenia smerom k veľkosériovej výrobe a širšiemu využitiu v priemyslovej praxi. Technológiu 3D tlače možno pre veľké výrobné série nahradiť vstrekolisovou výrobou s využitím rovnakého vstupného materiálu vo forme recyklovaného termoplastu.
Výskumníci z FEL ČVUT a VŠCHT zatiaľ technológiu testujú na jednovrstvových doskách plošných spojov. Prvotné výsledky prezentovali na medzinárodnej konferencii International Spring Seminar on Electronics Technology v rumunskom Temešvári. Pre väčšinu obvodov modernej elektroniky sú ale potrebné viacvrstvové dosky (typicky 4- až 16-vrstvové), preto budú snahy výskumnej skupiny v tejto oblasti ďalej pokračovať. Spolu podávajú návrh projektu do programovej výzvy Technologickej agentúry Českej republiky s názvom Prostredie pre život. Tá by mala v prípade udelenia podpory poskytnúť financovanie na ďalší úspešný vývoj predstaveného riešenia.
Zdroj: TS FEL ČVUT
(zh)
