Institut für Schaltungstechnik: Ein neuartiger Ansatz zum Recycling von Leiterplatten

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Ein zweijähriges Projekt, das durch einen SMART Grant von Innovate UK finanziert wird, zielt darauf ab, die Auswirkungen von Elektroschrott durch den Einsatz natürlich gewonnener, biologisch abbaubarer und ungiftiger Produkte zu reduzieren. Die Teilnehmer des Webinars für die Jahrestagung des Institute of Circuit Technology am 2. März erfuhren mehr über das Projekt sowie die gesetzlichen Papierkrampflichten gemäß den britischen REACH-Verordnungen.

Im Anschluss an die formelle Sitzung leitete und moderierte die IKT-Vorsitzende Emma Hudson dieses technische Webinar, das einen abschließenden Überblick über den Fortschritt des ReCollect-Projekts gab und die gesetzgeberischen Auswirkungen der britischen REACH-Verordnungen erörterte.

ReCollect (Efficient Manufacturing of Recycleable Composite Laminates for Electrical Goods) war ein 30-monatiges Projekt, das durch das Innovate UK SMART Grant-Programm finanziert und von Jiva Materials in Zusammenarbeit mit Coventive Composites geleitet wurde. Das ReCollect-Projekt zielt darauf ab, die Auswirkungen des Elektroschrottstroms durch den Einsatz natürlich gewonnener, biologisch abbaubarer und ungiftiger Produkte zu reduzieren.

Das als alternative Möglichkeit zur Verwaltung ausgedienter Leiterplatten vorgeschlagene Projekt konzentriert sich auf die Entfernung von Glasfasern und Epoxidharz aus der Lieferkette durch den Einsatz einer neuartigen recycelbaren Laminattechnologie namens „Soluboard“, die auf gewebten Naturfasern basiert Verstärkung und ein in heißem Wasser lösliches Polymer. Am Ende seiner Lebensdauer kann dieses Material recycelt werden, indem man es einfach in fast siedendes Wasser eintaucht, wodurch sich das Polymer auflöst, sodass die Faserverstärkung zur Wiederaufbereitung oder Kompostierung leicht abgetrennt und die elektronischen Komponenten und Schaltkreise zurückgewonnen werden können intakt.

Das Hauptziel bestand darin, die Machbarkeit der Herstellung eines PCB-Substrats in großen Mengen mit vergleichbarer Leistung wie CEM-1 und FR-4 im Vereinigten Königreich zu demonstrieren. Das sekundäre Ziel bestand darin, sicherzustellen, dass dieses Substrat mit den bestehenden wässrigen Ätz- und Galvanisierungsprozessen kompatibel ist, die bei der PCB-Herstellung verwendet werden. ICT hatte für die Verbreitung und das Feedback der Industrie gesorgt. Das Projekt ist nun beendet und Jack Herring, Geschäftsführer von Jiva Materials, gab eine aussagekräftige Zusammenfassung des Erreichten.

Herring beschrieb den ursprünglichen Zielmarkt als Standard-PCB in Haushaltsgeräten, deren Abfall 32 % der Elektro- und Elektronik-Altgeräte ausmachte. Zu den Produkten gehörten PC-Peripheriegeräte, Stromkreise und LED-Beleuchtung. Er erinnerte das Publikum daran, dass die WEEE-Richtlinie die Verantwortung für die Abfallverwertung dem Hersteller des Produkts auferlegt und dass Soluboard-PCBs aus Produkten, die über WEEE-Rücknahmesysteme zurückgewonnen wurden, zum Recycling entfernt werden könnten.

In Bezug auf die CO2-Einsparungen gab er an, dass der CO2-Fußabdruck eines Quadratmeters Soluboard 7,1 kg CO2 entspricht, verglichen mit 17,7 kg für einen ähnlichen Quadratmeter FR-4, was einer Reduzierung um 60 % entspricht. Und die Kunststoffeinsparung von Soluboard im Vergleich zu FR-4 beträgt 620 Gramm pro Quadratmeter. Es kann ein Verkaufspreis erzielt werden, der dem von FR-4 entspricht, und das Material kann in Form eines kupferkaschierten Laminats für die Leiterplattenherstellung oder eines unkaschierten Laminats für gedruckte Elektronikanwendungen geliefert werden.

Es wurde nachgewiesen, dass Soluboard mit branchenüblichen Nassprozessen für die Leiterplattenfertigung kompatibel ist. Es lässt sich einfach bohren und fräsen, und Leiterplattenbaugruppen können erfolgreich mit Niedertemperaturlegierungen gelötet werden. Herring zeigte Beispiele von Platinen für Netzteile, die im Print-and-Etch-Verfahren mit thermisch ausgehärtetem Lötstopplack hergestellt wurden. Ein weiteres Beispiel waren Platinen für LED-Beleuchtung, die so konstruiert sind, dass sie die erforderlichen Reflexionsgrade erreichen. Im Zusammenhang mit gedruckter Elektronik wurde unbekleidetes Soluboard zur Herstellung von Platinen für Arduino-Mikrocontroller unter Verwendung branchenüblicher funktioneller Silbertinten verwendet.

Es wurden vorläufige technische Datenblätter mit einer umfassenden Auflistung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften erstellt. Das Material hat eine Entflammbarkeitsklasse entsprechend UL94V-0 und wird voraussichtlich in Kürze offiziell anerkannt.

Vorausschauen Herring besprach Zukunftspläne. Der ursprüngliche Zielmarkt waren Standard-Leiterplatten – ein- und doppelseitig ohne plattierte Durchgangslöcher – und dieses Technologieniveau wurde im Rahmen des von Innovate finanzierten ReCollect-Projekts erreicht. Künftig sollen mehrschichtige Anwendungen adressiert werden. Eine spannende Perspektive ist das Concept Luna von Dell Technologies, bei dem Dell nach Möglichkeiten sucht, den CO2-Fußabdruck seiner Produkte zu reduzieren, um sie wiederverwendbar und reparierbar zu machen, bevor schließlich Materialien und Komponenten recycelt werden. Dell habe eindeutiges Interesse an „einer neuen biobasierten Leiterplatte mit Flachsfasern in der Basis und wasserlöslichem Polymer als Kleber“ gezeigt, sagte Herring, und Jiva freut sich darauf, an dem Projekt mitzuarbeiten.

Hinsichtlich der Untergrundentwicklung verfügte die erste Version von Soluboard über eine relativ grob gewebte Verstärkung aus Jutegewebe. Ein feiner gewebter Stoff ermöglichte verbesserte elektrische Eigenschaften und würde die Grundlage für ein Laminat der zweiten Generation bilden. Die Löslichkeit der Harzkomponente stellte eindeutig einige Hindernisse dar, die es zu überwinden galt, wenn man auf wässrige Durchkontaktierungschemie stieß, und dies war ein weiterer Entwicklungsbereich, der in Angriff genommen werden musste, sobald weitere Mittel gesichert waren. Ein weiteres interessantes Thema war die In-Mould-Elektronik, wo Soluboard aufgrund seiner thermoplastischen Eigenschaften eine geeignete Wahl darstellt. Außerdem werden effiziente Recyclinganlagen zur Verarbeitung von Soluboard aus Rücknahmesystemen entwickelt.

Ein systematischer Ansatz für VorschriftenUm das Thema chemische Gewissenhaftigkeit und die spannende Welt der Gesetzgebung fortzusetzen, wurden wir von Colin Martin, Senior Partner bei ParaChem Consulting Chemists, an unsere gesetzlichen Pflichten im Rahmen der REACH-Verordnung (Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung von Chemikalien) erinnert.

REACH wurde 2007 als europäische Chemikalienverordnung gegründet, die darauf abzielt, den Schutz der menschlichen Gesundheit und der Umwelt durch die Identifizierung der inhärenten Eigenschaften chemischer Substanzen zu verbessern. Das Vereinigte Königreich hat die EU am 31. Januar 2020 offiziell verlassen („BREXIT“), sodass die EU-REACH-Verordnungen nicht mehr rechtsverbindlich waren. Sie wurden durch UK REACH ersetzt, eine neue gesetzliche Verpflichtung zur Offenlegung von Informationen über die Zusammensetzung hergestellter „Artikel“, und Offenlegungsanfragen würden weiterhin von allen EU-Unternehmen in der Lieferkette nach oben wandern.

Die für REACH zuständige britische Regierungsbehörde ist das Department for Environment Food and Rural Affairs (DEFRA), das eine Umfrage durchgeführt hat, um den Status der britischen Industrie im Hinblick auf die Einhaltung von REACH zu ermitteln. Es kam zu dem Schluss, dass es bei den Herstellern kaum Verständnis für REACH und die daraus resultierenden Verpflichtungen gibt. Der Großteil der Industrie war sich der Vorschriften und ihrer Auswirkungen nicht bewusst, obwohl es eigentlich eine Straftat war, den Offenlegungspflichten nicht nachzukommen. Nachdem DEFRA gerade die Ergebnisse ihrer Umfrage veröffentlicht hat, nimmt es nun eine aktive Haltung zu REACH ein und seine Vorschriften werden durchgesetzt.

Was passiert als nächstes? Martin machte sich daran, die Komplexität der Verfahren zu entwirren und einen systematischen Ansatz zur Compliance vorzustellen. Er betonte, dass dies zwar einen Einsatz von Ressourcen erfordert, es aber nicht überwältigend sein muss, wenn die Aufgabe methodisch angegangen wird. Es ist notwendig, eine Datenbank mit Daten zu „besonders besorgniserregenden Stoffen“ (SVHC) in hergestellten Erzeugnissen zu erstellen. Die Datenbank muss Bestände aller Produktionsverbrauchsmaterialien und aller hergestellten oder eingekauften Artikel enthalten, wobei SVHCs identifiziert und ihre Massenprozentsätze berechnet werden müssen. Die Mindestinformation, die dem Verbraucher zur Verfügung gestellt werden muss, ist der Name des SVHC, und dieser muss innerhalb von 45 Tagen bereitgestellt werden. Für die Verwaltung der Datenbank steht spezielle proprietäre Software zur Verfügung.

Martin listete beispielhaft alle Verbrauchsmaterialien und deren Zusammensetzungen auf und betrachtete dann gezielt die einzelnen Komponenten eines bestimmten Produkts, wobei zur Veranschaulichung die Zusammensetzung einer fiktiven proprietären Lötstoppmaske verwendet wurde. Die Konzentration jedes dieser Verbrauchsstoffe im Produkt wurde bestimmt. Ebenso listete sein Artikelverzeichnis alle bei der Herstellung jedes Artikels verwendeten Zutaten und deren Massenprozentsätze auf.

Nachdem die gesamte Datenerfassung abgeschlossen war, wurde eine Ressource bereitgestellt, aus der fünf Kategorien formeller Berichte erstellt werden konnten: UK-SVHCs in Konzentrationen von mehr als 0,1 %, enthalten in einzelnen Artikeln, ähnlich für EU-SVHCs, Kundenberichte über UK-SVHCs in Artikeln, ähnlich für EU-SVHCs, und ein Bericht der Europäischen Chemikalienagentur, wenn mehr als 1.000 kg SVHC in einem Jahr verarbeitet wurden.

Als jemand, der sich beruflich mit den technischen Details der eigentlichen Herstellung von Leiterplatten beschäftigt hatte, wurde ich daran erinnert, dass die heutigen gesetzlichen Pflichten zum Papierkram weit über die routinemäßige Produktions- und Qualitätssicherungsdokumentation hinausgehen.