工業界和學術界關注可持續電路板

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向可持續電路板的轉變可能始於對焊料和基板的微小改變以及對製造技術的更大改變。

IDTechEx 最近釋出了一份關於可持續電子製造 2023-2033的報告，詳細介紹了可持續印刷電路板 （PCB） 和積體電路 （IC） 的未來技術和趨勢。IDTechEx 預計，在未來十年內，大約 20% 的 PCB 製造商將轉向更可持續的方法，包括幹法蝕刻和印刷。

可持續PCB製造方法的當前結構。圖片由IDTechEx提供

下面概述了我們可能會看到 PCB 和 IC 生產發生變化以滿足可持續性需求的一些方式。

普渡研究人員尋求無鉛焊接

Carol Handwerker 博士領導的普渡大學研究小組正在研究如何使無鉛焊料替代品與含鉛焊料一樣有效，尤其是對於關鍵應用。該專案產生了“焊接使用者手冊”，這是一種指導使用者使用無鉛合金進行焊接實踐的資源。

1986 年，環境保護署 （EPA）禁止使用鉛含量超過 0。2% 的焊料或助焊劑。2006 年，歐盟禁止銷售含鉛焊料的電子產品。這兩項禁令的例外情況是非消費者、高可靠性用例，例如航空航天、國防和某些醫療裝置。

基板材料。圖片由IDTechEx提供

錫鉛合金傳統上是電子焊接的首選材料，因為它們具有高熔點、耐腐蝕和電氣效能。 錫銅銀合金是最常用的無鉛焊料，其熔化溫度高於錫鉛，需要大約 245°C 才能實現芯吸和潤溼（而錫鉛則需要 220°C）。這種增加的溫度要求不僅轉化為焊接所需的更多能量，而且還會影響在高溫下容易損壞的元件，例如電容器和光電元件。

在與美國國防部簽訂的 4000 萬美元合同的支援下，普渡大學的研究人員正在制定一個時間表，以確定無鉛焊料何時在國防系統中與錫鉛焊料一樣可靠（或更可靠）。

紙基PCB基板對柔性PCB的吸引力

IDTechEx 報告預測，到 2033 年，受可穿戴裝置等應用的推動，柔性 PCB 市場價值將高達 12 億美元，這些應用可以從非剛性 PCB 中受益。

大多數剛性 PCB 由玻璃纖維增強環氧樹脂材料製成——玻璃纖維被編織成布並塗有阻燃環氧樹脂。這種材料屬於稱為FR-4（或 FR4）的類別。FR4 重量輕、堅固、價格低廉且在各種環境下都經久耐用，這使其成為 PCB 的有吸引力的候選材料。然而，生產 FR4 會產生多種廢棄副產品，並且環氧樹脂需要石油基產品，這對環境具有潛在危害。作為柔性 PCB 中的 PCB 基板，另一種迅速流行的材料是一種稱為聚醯亞胺的塑膠。但是，與 FR4 一樣，聚醯亞胺也不環保。

研究人員正在研究這些材料的替代品，特別是在生物基材料領域，如透明纖維素奈米紙。來自海洋生物科學研發中心和日本海洋地球科學技術機構的日本研究團隊開發了一種紙基 PCB 基板 ，可解決生物基基板的縮放和製造挑戰。

透明奈米紙（20 微米厚）。圖片由 RSC Advances提供

該團隊報告說，與其他塑膠基 PCB 材料相比，其紙基基板具有低熱膨脹、耐熱性和更高的介電常數。該團隊設想將這種基板用於柔性 PCB 應用，包括可穿戴裝置。

Elephantech 轉向增材製造

廢料是 PCB 可持續性的另一個挑戰。在傳統的減材製造中，金屬層（例如銅箔）覆蓋整個基板層表面。然後，不需要的部分被溶解。這個過程不僅浪費金屬資源，而且需要很多化合物才能實現。

一種更可持續的替代方法是增材製造，它不是去除不需要的材料，而是逐層新增必要的材料。這方面的一個例子是 Elphantech 的 P-Flex，一種柔性 PCB。Elephantech 使用銀奈米墨水將所需圖案噴墨到柔性 PCB 表面上。然後，該公司使用化學鍍銅來構建圖案層。

Elephantech的製造方法。圖片由Elephantech提供 ［點選放大］

該公司聲稱，與傳統工藝相比，該工藝最終減少了 77% 的二氧化碳排放量、95% 的水消耗量和 85% 的有毒物質排放量。

小動作對可持續性產生大影響

電子製造對環境的影響並不是一個全新的話題。1982 年，矽谷有毒物質聯盟等組織提倡在製造和電子廢物處理方面採用更可持續的做法，以防止這些材料汙染環境。

從那時起，多項立法開始生效，以改變 PCB 和 IC 的製造方式，從而減輕對環境和人類的有害影響。雖然可持續性在 2023 年前夕仍然是一個挑戰，但多項綠色倡議、政府指令和消費者態度的變化正在推動電子製造商調查並採用更安全的生產實踐。

開發可靠的無鉛焊料、紙基 PCB 基板和更環保的增材製造技術的研究工作只是小步驟，最終可能會對可持續電路板產生重大影響。