Tra i RAEE figura indubbiamente il circuito stampato (PCB), i cui componenti possono ora diventare eco-compatibili e riciblabili
La quantità di rifiuti elettronici generati dai consumatori finali, dall’industria e da altri settori, continua a crescere per vari motivi: la sempre più pervasiva presenza dell’elettronica in tutti i settori e soprattutto nel consumer; ma anche il basso costo di molti dispositivi, che purtroppo incentiva l’usa e getta invece che la riparazione e il riutilizzo. Concentrandoci per un istante sulla sola scheda elettronica, che pure è parte rilevante di dispositivi e apparati, il rifiuto è costituito non solo dal PCB giunto a fine vita, ma anche dagli scarti di produzione, più o meno rilevanti a seconda di quanto è ottimizzato il processo produttivo.
Per questa ragione, trovare il modo di realizzare supporti per circuiti stampati composti da materiali riciclabili, quando non addirittura biologici, è un obiettivo quasi obbligato, sebbene molto ambizioso; ma per quanto ardito, si tratta di un punto di arrivo tutt’altro che irrealizzabile, almeno per le applicazioni dell’elettronica civile.
Ecco quindi che, accanto alle tradizionali FR-4 e al polymmide, sono comparsi speciali materiali come ad esempio Soluboard, un laminato base per circuiti stampati riciclabile e biodegradabile basato su fibre naturali e su un polimero libero. Più esattamente, tale laminato contiene fibre naturali, un polimero idrosolubile e un ritardante di fiamma privo di alogeni, tutti atossici e biodegradabili.
Il prodotto è stato sviluppato dalla Jiva Materials che ad oggi è fortemente attiva nello sviluppo di materiali alternativi e che ha da poco lanciato sul mercato RPCB, il primo PCB riciclabile per uso commerciale al mondo, subito disponibile per l’industria elettronica.
Infineon ha sposato da subito il progetto, proponendo schede di valutazione composte da PCB riciclabili e biodegradabili basate su Soluboard; un esempio di tali circuiti stampati è proposto nella Figura 1 ed è stato realizzato per Infineon allo scopo di dimostrare la possibilità, per quel supporto, di montare schede con componenti SMD che vanno dai piccoli SOT-32 fino ai grandi package di potenza per BJT, MOSFET, IGBT ecc.
Attualmente, Infineon sta utilizzando il materiale biodegradabile per ridurre l’impronta di carbonio delle schede demo e di valutazione, ma sta anche esplorando la possibilità di utilizzare il materiale per tutte le schede, al fine di rendere l’industria elettronica sempre più sostenibile. Ma quello dell’Azienda tedesca è solo un esempio, perché chi è dietro al progetto, ossia Jiva Materials, si è spinta molto avanti, fino alla possibilità di produrre prodotti certificati.
Cosa contiene il PCB eco-friendly
Il materiale PCB a base vegetale della Soluboard è realizzato con fibre naturali (tipo la tela con cui sono fatti i sacchi di juta) che hanno un’impronta di carbonio molto inferiore rispetto alle tradizionali fibre a base di vetro o fiberglass che dir si voglia. La struttura organica è impregnata in un polimero atossico che si scioglie se viene immerso in acqua calda, lasciando solo materiale organico compostabile: lo si vede bene nella Figura 2. Non a caso il nome Soluboard deriva dal fatto che il materiale di supporto del PCB è solubile.
Ciò non solo rende i PCB non più dei rifiuti tossico-nocivi, ma consente anche di recuperare e riciclare con meno fatica i componenti elettronici saldati sulle schede, perché si separano in maniera semplice e naturale dal supporto, insieme alle piste e ai pad, così da poterli poi inviare alle lavorazioni di recupero come l’elettrolisi del rame delle piste, precedute dalla fusione e separazione della lega saldante.
I creatori del Soluboard sostengono che se si potesse sostituire con esso il materiale principalmente utilizzato oggi per la costruzione dei PCB, ossia l’FR-4, si potrebbe ridurre di un buon 60% l’ammontare delle emissioni di carbonio, risparmiando 10,5 kg di carbonio e 590 g di plastica per ogni metro quadrato di PCB, a parità di spessore.
Soluboard è compatibile con i processi di fabbricazione standard del settore ed è ottimizzato per l’incisione, la galvanica, la foratura, la fresatura e altri processi standard di fabbricazione di PCB. Jiva ha ottenuto anche la compatibilità con la tecnologia Plated Through Hole (PTH) con Soluboard. Il laminato può essere lavorato con i processi di fabbricazione a base acquosa standard del settore, come ad esempio la serigrafia con i tradizionali telai e l’applicazione del solder-resist, pur mantenendo la capacità di degradarsi a fine vita se immerso in acqua calda per periodi prolungati.
I prodotti Jiva sono testati per un grado di resistenza al fuoco equivalente a UL94 V1; per ottenere questo, soluboard contiene un ritardante di fiamma a base di fosforo privo di alogeni, significativamente meno dannoso per l’ambiente rispetto alle alternative bromurate impiegate come ritardanti nelle vetroniti, per esempio.
Soluboard è testato secondo gli standard dell’Institute of Printed Circuits (IPC), come richiesto per qualsiasi nuovo materiale introdotto nel settore dei PCB. I dati di test indipendenti sono stati raccolti per produrre una scheda tecnica preliminare che consente ai produttori di schede elettroniche di valutare l’impiego di Soluboard.
Soluboard: quali vantaggi
La complessità dei PCB odierni e la varietà di elementi che ne fanno parte, rendono il processo di riciclo estremamente complesso e, di riflesso, costoso, al punto che a meno di non poter recuperare i costi estraendo metalli preziosi come l’oro delle placcature o il palladio (estratti per elettrolisi) generalmente i circuiti stampati vengono inceneriti come si fa con i rifiuti indifferenziati, seppure con le cautele del caso (non va dimenticato che le vetroniti possono rilasciare gas tossici a causa della resina epossidica che le impregna). Attualmente i PCB giunti a fine vita o quelli di scarto della produzione vengono triturati e inceneriti per recuperare metalli preziosi, tuttavia malgrado il recupero dei metalli, i resti del laminato in fibra di vetro e resina epossidica vengono generalmente smaltiti in discarica. Il riciclo è difficile a causa della presenza, nei laminati, di resine epossidiche termoindurenti a polimerizzazione irreversibile.
Se l’industria potesse realizzare i circuiti stampati basati su un laminato che può essere smaltito senza la necessità di incenerire il materiale, le emissioni di carbonio dovute allo smaltimento sarebbero notevolmente ridotte e la filiera del riciclo dei RAEE raggiungerebbe maggiori rese di recupero dei metalli preziosi. I dati derivanti dalle sperimentazioni dimostrano che i metalli riciclati possono avere un’impronta di carbonio inferiore fino al 95% rispetto alle materie prime appena lavorate.
Si stima che l’impronta di carbonio di un metro quadrato di PCB Soluboard sia di 5,52 kg rispetto ai 16,94 kg di un PCB FR-4; ciò equivale a una riduzione complessiva dell’impronta di carbonio del 67%.
Un vantaggio secondario del passaggio da un materiale tradizionale a base di fibra di vetro a quello a base di fibra naturale sarebbe una riduzione della densità del PCB: la densità di 1,35 g per centimetro cubo di Soluboard rispetto ai 2 g per centimetro cubo di FR-4 equivale a un risparmio di massa di oltre 1 kg per metro quadrato. Questa differenza di massa riduce notevolmente l’impatto ambientale di Soluboard in termini di impronta di carbonio e plastica rispetto al ciclo di vita di un PCB FR-4.
Inoltre, secondo i raffinatori di metalli derivanti da RAEE, Soluboard avrà un impatto positivo grazie alla rimozione della resina epossidica e dei ritardanti di fiamma bromurati dal flusso di gestione dei rifiuti, perché la gestione di tali sostanze, che sono tossiche, richiede processi costosi.
RPCB: la produzione elettronica cambia
Il lancio del progetto RPCB (acronimo di Recyclable PCB) segna un momento cruciale nella produzione elettronica. RPCB è la linea di circuiti stampati basati sul laminato Soluboard che Jiva Materials rende oggi disponibile come soluzione certificata in grado di competere, superandole sul piano ecologico, con le schede FR4 tradizionali. Jiva Materials offre un supporto completo alla progettazione, schede tecniche e supporto commerciale per rendere l’adozione più semplice da parte delle aziende e dei progettisti di PCB.
RPCB offre piena compatibilità con la saldatura a bassa temperatura e l’assemblaggio di PCB standard, è disponibile in spessori standard e diversi spessori delle piste in rame, in configurazioni a singola e a doppia faccia. La soluzione è certificata, quindi consente ai produttori di dispositivi elettronici di dimostrare la rispondenza alle più stringenti normative ambientali, oltre che di accedere a benefici perché produttori di soluzioni eco-friendly.
Un aiuto dalla ricerca: i vitrimeri
Il futuro del PCB visto nell’ottica della tutela ambientale può in parte essere affidato ad un materiale sviluppato da un gruppo di ricercatori della Washington University, dove è stata creata una formulazione di laminato che utilizza vetrimeri di transesterificazione (vPCB) e un processo di fabbricazione end-to-end compatibile con gli ecosistemi di produzione standard. La compatibilità è stata dimostrata dai ricercatori confrontando prototipi funzionali di dispositivi IoT operanti a 2,4 GHz realizzati su vPCB con altri basati su laminati tradizionali, riscontrando che quelli in vPCB hanno proprietà elettriche e meccaniche conformi agli standard di settore. La valutazione del ciclo di vita “cradle-to-cradle” mostra una sostanziale riduzione dell’impatto ambientale dei vPCB rispetto ai PCB convenzionali in 11 categorie.
Una particolarità del vPCB è che il laminato può essere riparato in caso di frattura. Inoltre il processo di riciclo non è distruttivo, perché a differenza del tradizionale riciclo tramite solvolisi, questo processo non degrada i materiali ed il riciclo raggiunge il 98% di recupero del polimero, il 100% di recupero della fibra di vetro di supporto e il 91% di recupero del solvente, consentendo di creare nuovi vPCB dai rifiuti senza degradazione delle prestazioni.
Questi perché nei vitrimeri, quando esposti a determinate condizioni come calore oltre una certa temperatura, le molecole possono riorganizzarsi e formare nuovi legami.
Utilizzando un apposito solvente organico a basso punto di ebollizione, il vitrimero si ammorbidisce e si trasforma in una sostanza gelatinosa dalla quale è facile estrarre i componenti solidi per il riutilizzo o il riciclo, anche più volte (Figura 3); l’operazione provoca un rigonfiamento del materiale plastico tale da staccarlo senza danneggiare le fibre di vetro e i componenti elettronici, che vengono separati automaticamente, permettendo il recupero e il riciclo di questi ultimi, mentre il vitrimero e le fibre di vetro possono diventare la base di nuovi laminati per PCB.
Non solo PCB
Quel che è stato fatto con i circuiti stampati non è l’unico esempio di come l’industria elettronica sta affrontando le sfide della tutela ambientale; tra le aziende impegnate su questo fronte va citata Schurter, che da qualche anno impiega plastiche eco-compatibili per realizzare involucro e struttura di alcuni connettori, come ad esempio quelli di rete IEC C15 e C16 Green Line (Figura 4), partendo dalla constatazione che i package per componenti formati da bioplastiche riducono l’impronta carbonio da 6,5 a 1,9 kg CO2 /kg. Questo sia perché l’estrazione e la produzione della plastica richiedono meno energia, sia perché pianta di ricino assorbe CO₂ dall'atmosfera durante la coltivazione.
Per la sua produzione, Schurter ha sviluppato polimeri tecnici di origine vegetale derivati dai semi di ricino (gli stessi da cui si ricava il famigerato olio…) la cui pianta cresce spontaneamente in zone semiaride, senza quindi competere con la produzione di cibo. La coltivazione dei semi di ricino per la produzione di plastica eco-compatibile è un’opportunità per creare una catena di approvvigionamento sostenibile, dato che i semi di ricino possono essere coltivati in varie regioni del mondo e richiedono relativamente poca acqua e fertilizzanti rispetto ad altre colture.
Sebbene non sia biodegradabile, la plastica vegetale ricavata dai semi di ricino può essere riciclata e in ogni caso il suo smaltimento è più sostenibile rispetto a quella fossile.
Le eco-plastiche Schurter soddisfano gli standard di qualità meccanica, nonché i requisiti per la lavorazione delle plastiche tradizionali, come ad esempio la stampabilità ad iniezione, la resistenza meccanica, termica ecc. I test hanno dimostrato che i prodotti in plastica basata sui semi di ricino sono conformi ai requisiti di sicurezza della norma IEC 60320 ed hanno specifiche tecniche compatibili con quelle degli analoghi composti da plastica di origine minerale.
