産学界は持続可能な回路基板に目を向ける

IDTechEx は最近、持続可能なエレクトロニクス製造 2023 ～ 2033 年に関するレポートを発表し、持続可能なプリント基板 (PCB) と集積回路 (IC) の今後の技術とトレンドを詳しく説明しました。 IDTechEx は、今後 10 年以内に、PCB メーカーの約 20% がドライ エッチングや印刷などのより持続可能な方法に転換すると予想しています。

以下は、持続可能性の需要を満たすために PCB と IC の生産がどのように変化するかについての概要です。

キャロル・ハンドワーカー博士率いるパデュー大学の研究チームは、特に重要な用途において、鉛を含まない代替はんだを鉛はんだと同じくらい効果的にする方法を研究しています。 このプロジェクトの結果、非鉛合金を使用したはんだ付けの実践をユーザーにガイドするリソースである「はんだユーザー ハンドブック」が作成されました。

1986 年に環境保護庁 (EPA) は、0.2% を超える鉛を含むはんだまたはフラックスの使用を禁止しました。 2006 年、欧州連合では鉛ベースのはんだを含む電子機器の販売が禁止されました。 これら両方の禁止の例外は、航空宇宙、防衛、特定の医療機器など、非消費者向けの高信頼性ユースケースです。

錫と鉛の合金は、その高い融点、耐腐食性、および電気的特性により、伝統的に電子機器のはんだ付けに最適な材料でした。 最も使用されている鉛フリーはんだである錫-銅-銀合金は、錫-鉛よりも融解温度が高く、ウィッキングと濡れを達成するには約 245°C が必要です (錫-鉛の場合は 220°C)。 この温度要件の上昇は、はんだ付けに必要なエネルギーを増加させるだけでなく、高温で損傷を受けやすいコンデンサやオプトエレクトロニクスなどのコンポーネントにも影響を与える可能性があります。

米国国防総省との4,000万ドルの契約に裏付けられ、パーデューの研究者らは、防衛システムにおいて鉛フリーはんだが錫鉛はんだと同等（またはそれ以上）の信頼性を持つようになる時期のスケジュールを策定している。

IDTechEx レポートは、ノンリジッド PCB から恩恵を受けるウェアラブル デバイスなどのアプリケーションによって、フレキシブル PCB 市場は 2033 年までに最大 12 億ドルの価値に達すると予測しています。

ほとんどのリジッド PCB は、グラスファイバー強化エポキシ材料、つまりグラスファイバーを布に織り込み、難燃性エポキシ樹脂でコーティングして作られています。 この材料は FR-4 (または FR4) と呼ばれるカテゴリに分類されます。 FR4 は軽量、高強度、安価で、さまざまな環境で耐久性があるため、PCB の魅力的な候補となっています。 ただし、FR4 の製造ではいくつかの廃棄副産物が発生し、エポキシ樹脂には石油ベースの製品が必要なため、環境に有害な可能性があります。 フレキシブル PCB の PCB 基板として急速に普及しているもう 1 つの材料は、ポリイミドと呼ばれるプラスチックです。 ただし、FR4 と同様に、ポリイミドは環境に優しいものではありません。

研究者らは、これらの材料の代替品、特に透明なセルロースナノペーパーなどのバイオベース材料の分野で研究を進めている。 海洋生物科学研究開発センターと海洋研究開発機構の日本の研究チームは、バイオベース基板のスケールと製造の課題に取り組む紙ベースのPCB基板を開発した。

研究チームは、同社の紙ベースの基板は、他のプラスチックベースの PCB 材料よりも低い熱膨張、熱耐久性、および高い誘電率を示したと報告しました。 研究チームは、この基板をウェアラブル デバイスなどのフレキシブル PCB アプリケーションで使用することを想定しています。

廃棄物は PCB の持続可能性に対するもう 1 つの課題です。 従来のサブトラクティブ製造では、銅箔などの金属層が基板層の表面全体をコーティングします。 次に、不要な部分を溶解します。 このプロセスは金属資源を無駄にするだけでなく、達成するには多くの化合物も必要とします。

より持続可能な代替案は、不必要な材料を除去するのではなく、必要な材料だけを層ごとに追加する積層造形です。 この一例は、Elphantech のフレキシブル PCB である P-Flex です。 エレファンテックは銀ナノインクを使用して、フレキシブルな PCB 表面に必要なパターンをインクジェット印刷します。 次に、同社は無電解銅めっきを使用してパターン層を構築します。

同社は、このプロセスにより、従来のプロセスと比較して最終的に CO2 排出量が 77%、水消費量が 95%、有害物質の排出量が 85% 削減されると主張しています。

エレクトロニクス製造が環境に与える影響は、まったく新しい話題ではありません。 1982 年、シリコンバレー有害物質連合などの組織は、製造および電子廃棄物の環境汚染を防ぐために、より持続可能な方法で電子廃棄物を処理することを提唱しました。

それ以来、PCB と IC の製造方法を変更し、環境と人々への有害な影響を軽減するためにいくつかの法律が施行されました。 2023 年を目前に控えても持続可能性は依然として課題となっていますが、いくつかのグリーンイニシアチブ、政府の義務、消費者の態度の変化により、エレクトロニクスメーカーはより安全な生産慣行を調査し採用するよう求められています。

信頼性の高い鉛フリーはんだ、紙ベースの PCB 基板、より環境に優しい積層造形技術を開発するための研究活動は小さな一歩ですが、最終的には持続可能な回路基板に大きな影響を与える可能性があります。

注目の画像はエレファンテックのご厚意により使用されています。