L'industrie et le milieu universitaire se tournent vers des circuits imprimés durables

May 18, 2023

IDTechEx a récemment publié un rapport sur la fabrication électronique durable 2023-2033, détaillant les technologies et les tendances à venir pour les cartes de circuits imprimés (PCB) et les circuits intégrés (CI) durables. IDTechEx prévoit qu'au cours de la prochaine décennie, environ 20 % des fabricants de PCB se convertiront à des méthodes plus durables, notamment la gravure à sec et l'impression.

Vous trouverez ci-dessous un aperçu de certaines des façons dont nous pourrions voir la production de PCB et de circuits intégrés évoluer pour répondre aux exigences de durabilité.

Une équipe de recherche de l'Université Purdue dirigée par le Dr Carol Handwerker étudie comment rendre les alternatives de soudure sans plomb aussi efficaces que la soudure au plomb, en particulier pour les applications critiques. Le projet a abouti au « Manuel de l'utilisateur du brasage », une ressource qui guide les utilisateurs dans leurs pratiques de soudage utilisant des alliages sans plomb.

En 1986, l’Environmental Protection Agency (EPA) a interdit l’utilisation de soudure ou de flux contenant plus de 0,2 % de plomb. En 2006, la vente d’appareils électroniques contenant des soudures à base de plomb a été interdite dans l’Union européenne. L’exception à ces deux interdictions concerne les cas d’utilisation non grand public et à haute fiabilité, tels que l’aérospatiale, la défense et certains dispositifs médicaux.

Les alliages étain-plomb étaient traditionnellement le matériau de prédilection pour le soudage de produits électroniques en raison de leur point de fusion élevé, de leur résistance à la corrosion et de leurs propriétés électriques. Les alliages étain-cuivre-argent, la soudure sans plomb la plus utilisée, ont une température de fusion plus élevée que l'étain-plomb, nécessitant environ 245°C pour obtenir l'effet de mèche et le mouillage (par opposition à 220°C pour l'étain-plomb). Cette exigence de température accrue se traduit non seulement par une consommation d'énergie plus élevée pour le soudage, mais peut également avoir un impact sur les composants tels que les condensateurs et les composants optoélectroniques susceptibles d'être endommagés à des températures élevées.

Soutenus par un contrat de 40 millions de dollars avec le Département américain de la Défense, les chercheurs de Purdue élaborent un calendrier indiquant quand les soudures sans plomb seront aussi fiables (ou plus fiables que) les soudures étain-plomb dans les systèmes de défense.

Le rapport IDTechEx prédit que d'ici 2033, le marché des PCB flexibles représentera jusqu'à 1,2 milliard de dollars, tiré par des applications telles que les appareils portables qui peuvent bénéficier des PCB non rigides.

La plupart des PCB rigides sont fabriqués à partir d'un matériau époxy renforcé de fibre de verre, une fibre de verre tissée dans un tissu et recouverte d'une résine époxy ignifuge. Ce matériau appartient à une catégorie appelée FR-4 (ou FR4). Le FR4 est léger, solide, peu coûteux et durable dans divers environnements, ce qui en fait un candidat attrayant pour les PCB. Cependant, la production de FR4 crée plusieurs sous-produits de déchets et nécessite des produits à base de pétrole pour la résine époxy, ce qui la rend potentiellement dangereuse pour l'environnement. Un autre matériau qui gagne rapidement en popularité en tant que substrat de PCB dans les PCB flexibles est un plastique appelé polyimide. Cependant, comme le FR4, le polyimide n’est pas respectueux de l’environnement.

Les chercheurs étudient des alternatives à ces matériaux, en particulier dans le domaine des matériaux d’origine biologique, comme le nanopapier de cellulose transparent. Une équipe de recherche japonaise du Centre de R&D pour les biosciences marines et de l'Agence japonaise pour les sciences et technologies marines et terrestres a développé un substrat de PCB à base de papier qui relève les défis de mise à l'échelle et de fabrication des substrats d'origine biologique.

L'équipe a rapporté que son substrat à base de papier présentait une faible dilatation thermique, une durabilité thermique et une constante diélectrique plus élevée que les autres matériaux PCB à base de plastique. L'équipe envisage ce substrat pour une utilisation dans des applications de PCB flexibles, y compris les dispositifs portables.

Les déchets constituent un autre défi pour la durabilité des PCB. Dans la fabrication soustractive traditionnelle, une couche métallique, telle qu'une feuille de cuivre, recouvre toute la surface de la couche de substrat. Ensuite, les parties inutiles sont dissoutes. Ce processus gaspille non seulement des ressources métalliques, mais nécessite également de nombreux composés chimiques.

Une alternative plus durable est la fabrication additive, où au lieu de supprimer les matériaux inutiles, seuls les matériaux nécessaires sont ajoutés couche par couche. Un exemple en est le P-Flex d'Elphantech, un PCB flexible. Elephantech utilise une nano-encre d'argent pour projeter le motif requis sur une surface flexible de PCB. L’entreprise utilise ensuite un placage de cuivre autocatalytique pour créer les couches de motifs.