环保印刷电路板:现在和未来的可制造性

2020年2月11日

电路板上有代表环保意识的绿色图形叶子

波茨坦气候影响研究所于2019年12月16日进行的一项研究，揭示了人类与地球系统一部分的相互作用如何影响另一部分。的研究中提出的研究谈到了九个行星边界或控制地球的关键系统。虽然这个主题似乎是显而易见的，但这项研究表明，存在一个密集而非常复杂的相互作用网络，这些相互作用以非线性的方式级联并放大，从一个系统到下一个系统。

虽然这项研究的负面影响吸引了我们的注意力，但积极的影响也存在。波茨坦研究所所长约翰·罗克斯特伦是这样描述这些积极因素的:

“如果我们减少对一个行星边界的压力，在许多情况下也会减少对其他行星边界的压力。可持续的解决方案放大了它们的效果——这是真正的双赢。”

实现“双赢”需要对这些系统中存在的动态有一个高层次的、综合的理解。

我们的电子工业影响环境

不幸的是，电子工业导致了影响地球系统的不平衡。传统的PCB制造采用能源密集型和高排放工艺，涉及铜、环氧树脂、玻璃纤维和水。后产品生命周期最终，多氯联苯成为废物。目前全球有4000多万吨电子垃圾，而且这个数字还在以每年3-5%的速度增长。其中包括200万吨印刷电路板。

对废电路板的不当处理进一步加剧了环境问题以及对人类健康的威胁。通过焚烧从多氯联苯中分离金属会释放有毒气体。使用酸来去除金属会产生大量酸化废水。

扭转我们的工业对地球关键系统的影响，可以通过同样的创新来推动电子行业获得更多的利润。创新生产环保印刷电路板从使用喷墨和激光打印的添加剂工艺到完全生物降解板的有限生产。虽然一些工艺目前只适用于有限的PCB生产，但这些技术的引入为未来提供了希望。创新还在继续，这些方法承诺从废板中回收90 - 98%的铜，并使用环保蚀刻剂适用于现有的减法过程。

增材工艺承诺可持续性

使用3D打印电子产品、保形电子产品、气溶胶、喷墨和激光喷射打印以及直接线材生产的增材PCB打印工艺使我们完全摆脱了继续主导PCB制造的多步骤减法工艺。与删除和浪费不需要的材料的减法工艺相反，增材制造只应用所需的材料。

通过添加工艺，设计团队可以在PCB设计软件中构建原理图和布局，确保工作符合设计规则和错误检查，在设计中操作ECAD和MCAD环境，然后将完成的设计输出到打印机上，以便在承印物上打印痕迹。增材工艺不需要蚀刻剂或掩模，适用于薄基材上的复杂设计。

风力涡轮机从平板电脑里出来

虽然我们还没有学会如何种植风力涡轮机，但有更健康的电路替代品。

制造商使用100%固体导电油墨和调色剂加载带电粒子，不含挥发性有机化合物(VOCs)或有蚀刻抗蚀剂的需要。导电油墨可能由银纳米颗粒组成，可以将电路打印到塑料、织物和纸张衬底上。考虑到打印的精确性质，在构建带电电路的过程中，很少或几乎没有材料浪费。

电子电路的3D打印使用基材和导电材料来应用电路。通过组合这些材料，制造商可以3D打印完整的电子电路，包括电路板、走线和组件作为单个连续的部件。这种技术提供了印刷具有不同形状或设计的pcb的优势，可以匹配产品要求。此外，电路的3D打印允许设计团队根据客户需求定制打印电路。

增材制造可以是单一的制造过程，也可以是与整个设备的生产分离的制造电子电路的后期生产过程。单个制造过程将内部电子电路和外部外壳作为单个组件生产。由于这一优势，制造商可以生产纳米级集成电路，大大减少产品占地面积。虽然后期制作过程需要另一个组装步骤，但将电子电路集成到产品中可以进行额外的检查。

纸质pcb是未来的一部分吗?

2014年，研究人员生产了第一个纸质多层印刷电路板原型。结合将导电材料打印到纸张和织物上的添加剂工艺，引入纸质PCB (P-PCB)可以带来显著的环境效益。研究小组重点研究了由纤维素纳米纤维制成的单层、双层和三层纸的机械强度，并使用通用测试程序来验证纸张提供支撑电子元件所需的抗拉强度。

除了测试纸张的机械性能外，研究团队还测试了纸张接受层间连接的能力。该团队生产了多层p - pcb，具有5层和10层填充过孔连接的印刷电路。粘附试验表明，由银颗粒构成的导电图案保持了强度，并与纸张衬底粘结良好。其他测试表明，p - pcb的灵活性不会损害图案的导电性，并且纸质pcb的生命周期成本低于基于frp的电路板。

研究团队还开发了由从农业废弃物及其副产品中提取的天然纤维素纤维．与不可生物降解的玻璃纤维板和环氧树脂板相比，生物复合板不含化学物质。生物复合板提供介电常数在2到36之间变化，当暴露在高湿度或高温时不会出现问题。

总部位于英国的ReUse(可重复使用、不可拉链、可持续电子项目)的合作伙伴介绍了由一系列不可拉链的聚合物层构成的pcb，这些聚合物层构成了热塑性衬底。由聚乳酸、聚己内酯和聚乙二醇组成的合成生物可降解聚合物通过化学工程提供了可预测的物理性能和适应性的优点。

对原型的测试表明，该板可以承受长时间的热循环和湿热应力。当电路板达到生命周期的终点时，墨水、粘合剂和聚合物层在热水浸泡后分离，并可重复使用。不可伸缩的聚合物层适用于刚性、挠性和刚性-挠性电路设计。