Wie biologisch abbaubare PCBs einen Beitrag zur Entsorgung von PCB-Abfällen leisten können

September 25, 2017 CircuitStudio

PCB-Ahornblatt

 

 

Die Expansion der PCB-industrie ist unglaublich, nicht wahr? In den vergangenen 100 Jahren haben wir den Schritt von der Verwendung von Messingdraht und Holzteilen zu geätzten Kupferbahnen und Glasfasersubstraten gemacht. Neue Industriebereiche wie das Internet der Dinge (IdT) und Fahrerassistenzsysteme (ADAS) in Autos beschleunigen dieses Wachstum. Es gibt heute Millionen von PCBs und diese Zahl wird auch weiterhin ansteigen. Erstaunlicherweise sind die von uns entworfenen PCBs so gestaltet, dass sie auf Jahre hinaus halten, während die Geräte, die mit ihnen betrieben werden, oftmals nur wenige Jahre halten. Laut dem Mooreschen Gesetz sind unsere dem neuesten Stand der Technik entsprechenden PCBs alle zwei Jahre bereits wieder veraltet. Anschließend werden diese PCBs von den Verbrauchern weggeschmissen und das nächste neue Gadget erworben. Da wir unsere PCBs langlebig entwerfen, kann sich der Abbau oftmals als problematisch erweisen und unsere elektronischen Lösungen können zu Problemen für die Umwelt werden. Biologisch abbaubare PCBs können dazu beitragen, das Elektroschrott-Problem zu lösen und PCB-Designern gleichzeitig Zugang zu einem breiteren Spektrum an Materialeigenschaften in Bezug auf unsere Leiterplatten geben.

 

Computerteile für das Recycling
Der PCB-Friedhof.

 

Ist PCB-Schrott wirklich ein Problem?

 

Ist PCB-Schrott wirklich ein Problem? Nicht nur die anfallenden Mengen der PCB-Abfälle sind Realität, sondern auch die Beständigkeit und Toxizität der PCBs machen sie zu einem Problem.

 

Laut Umweltgruppen werden weltweit jährlich schätzungsweise 25.000.000 Tonnen Elektroschrott (E-Schrott) produziert. Nahezu die Gesamtheit (82%) dieser Abfälle landet auf Müllhalden. Auch wenn wir uns unserer PCB-Designs rühmen, werden die Geräte oftmals nach geringeren Standards gefertigt. Unsere Leiterplatte mag 20 Jahre lang halten - die intelligente Gabel, in welche die eingebaut wird, hält allerdings nur 1 Jahr. Wenn diese schlechte Idee auf einer Müllhalde begraben wird, wird die PCB im Inneren auch noch Jahre danach existieren und Giftstoffe in den Boden abgeben.

 

Was aber, wenn die Leiterplatte, statt auf die Müllhalde geschmissen zu werden, wiederverwertet würde? Die meisten Recyclingverfahren sind mit Gefahren verbunden und beinhalten ernstzunehmende Gesundheitsrisiken. Außerdem sind diese Verfahren arbeitsintensiv. Dies bedeutet, dass Platinen für das Recycling in Länder mit geringen Arbeitskosten transportiert werden müssen. Solche logistischen Tricks führen letztlich dennoch zu hohen PCB-Recyclingkosten. Die Antwort auf beide Probleme könnten biologisch abbaubare PCBs. sein. Was, wenn eine auf einer Mülldeponie entsorgte PCB sich einfach auflösen würde? Biologisch abbaubare PCBs wären einfach zu recyceln und würden die Kosten senken. Wir haben unsere Lösung, aber ist diese wirklich umsetzbar?

 

Elektronik recyceln
Wie kann das PCB-Recycling einfacher gestaltet werden?

 

Sind „grüne” PCBs wirklich möglich?

 

Biologisch abbaubare PCBs sind weit mehr als eine abwegige Hippie-Lösung, die niemals Realität sein wird. Forscher untersuchen bereits die Materialien zur Verwirklichung dieser Idee.

 

Vielleicht haben Sie gedacht, ich sei verrückt, als ich sich auflösende PCBs erwähnt habe. Es gibt solche Leiterplatten jedoch bereits. Mehrere Forscher haben eine wasserlösliche PCB entwickelt, die Temperaturdaten misst und die Daten drahtlos überträgt. Die Leiter in einem löslichen Schaltkreis bestehen aus Übergangsmetallen, wie Wolfram oder Zink. Da diese Metalle derzeit nicht so leitfähig sind wie Kupfer, Silber oder Gold, arbeiten Forscher daran, deren Leitfähigkeit zu verbessern. Das Ersetzen der gegenwärtig verwendeten, potenziell toxischen Metalle durch Übergangsmetalle wäre ein großer Schritt nach vorne.

 

Die andere Seite der Umweltgleichung ist das PCB-Substrat. Es gibt eine Vielzahl an Materialien, die zur Verwendung in Substraten untersucht werden. Seien es Hühnerfedern, Sojaöl oder Natrium-Carboxymethylcellulose (Na-CMC). Mit mehreren Kandidaten gibt es auch mehr Möglichkeiten für unterschiedliche Substratspezifikationen.

 

PCB-Ahornblatt
Vielleicht können Schaltkreise eines Tages einfach auf Blätter gedruckt werden.

 

Können umweltfreundliche Leiterplatten mit der Leistung Schritt halten?

 

Wenn ich das Wort „umweltfreundlich“ höre, fällt mir das Wort „unsolide“ ein. Selbstverständlich ist dies keine Eigenschaft, die wir bei unseren PCBs suchen. Aber wie schlagen sich umweltfreundliche Materialien im Vergleich zu herkömmlichen Materialien im Hinblick auf die Materialeigenschaften?

 

  1. Mechanische Eigenschaften - Die mechanische Leistung „grüner“ Leiterplatten ist ein wichtiges Anliegen. Auch wenn die Leiterplatte aus Bananenfasern besteht, möchte man nicht, dass diese so schwach ist wie ein Blatt. Biomaterialien in ihrer derzeitigen Form können im Hinblick auf die Stärke momentan nicht ganz mit FR4-Material mithalten. Forscher beschäftigen sich allerdings mittlerweile mit der Kombination von Substratmaterialien und erhoffen sich Leiterplatten mit vergleichbaren physikalischen Eigenschaften.
  2. Thermische Eigenschaften - Die Wärmeleistung ist ein weiterer wichtiger Punkt. Die Leiterplatte soll während des Reflow-Lötens oder des Betriebs kein Feuer fangen. Biomaterialsubstrate weisen keine geringeren Temperaturgrenzwerte als FR4-Materialien auf, Niedertemperatur-Lote ermöglichen jedoch die Herstellung. Im Hinblick auf den Betrieb zeigte eine Untersuchung unter Verwendung von Bananenfasern einen erfolgreichen Betrieb bei 45°C. Dies reicht noch nicht ganz aus, eine gute Wärmeableitung und weitere Forschung sollten jedoch Verbesserungen im Temperaturbereich ermöglichen.
  3. Dielektrische Konstanten - Dielektrische Konstanten sind ein wichtiger Aspekt, da sie bei Hochfrequenz-Schaltkreisen zunehmend an Bedeutung gewinnen. In diesem Bereich stehen biologisch abbaubare Platinen mit herkömmlichen Platinen auf Augenhöhe im Wettbewerb. Im Rahmen der gleichen Untersuchung mit Bananenfasern wurden Dielektrizitätskonstanten zwischen 2 und 36 erreicht, die deutlich innerhalb des erforderlichen Bereichs lagen. Das breite Spektrum an Biomaterialien sollte es Designern tatsächlich ermöglichen, für ihre Schaltkreise aus einer größeren Bandbreite an dielektrischen Konstanten auszuwählen.

 

Im Hinblick auf die Materialeigenschaften können umweltfreundliche Optionen bislang noch nicht ganz mithalten. Tiefer gehende Forschung an Materialoptionen sollte jedoch zu Fortschritten in diesen Bereichen führen. Es wurden bereits Konzept-Schaltkreise hergestellt und geprüft. Dies zeigt, dass „grüne“ Leiterplatten nicht bloß ein naiver Traum sind. Mit der Entwicklung biobasierter PCB-Alternativen können diese zur Bewältigung von Problemen im Bereich des Elektroschrotts und des Elektronik-Recyclings beitragen.

 

Die Verfahren für das PCB-Design werden um einiges komplizierter werden und „grüne“ PCBs werden zu dieser Verkomplizierung nur noch weiter beitragen. Es ist eine gute PCB-Design-Software erforderlich, die Sie dabei unterstützt, entstehende Lücken zu schließen und den Fokus weiterhin auf das Design zu richten. CircuitStudio bietet eine Vielzahl fortschrittlicher Funktionen, die kontinuierlich aktualisiert werden. Wenn Sie Schaltkreise der nächsten Generation entwerfen möchten, brauchen Sie eine innovative Software wie CircuitStudio.

 

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