Forschungsprojekt ALU4CED Architektur ohne Leiterplatte: Die Alu-Revolution für die Elektronik

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Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM

OKW Odenwälder Kunststoffwerke Gehäusesysteme GmbH

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

27 Millionen Tonnen Elektroschrott landen jedes Jahr im Müll. Ein Teil davon sind alte Router oder sonstige Kunststoffgehäuse mitsamt den darin verbauten Platinen – eine Trennung und das damit verbundene Recycling ist kaum möglich. Das Fraunhofer IEM adressiert das Problem mit drei Kooperationspartnern im Forschungsprojekt ALU4CED.

Ohne sie geht in der vernetzten Welt nichts mehr: WLAN-Router sind an allen Ecken und Enden zu finden, vom privaten Haushalt bis zur öffentlichen Verwaltung. Die Geräte schaffen die Grundlage für eine durchgängige Vernetzung aller Lebensbereiche. Im Design sind sie häufig unterschiedlich, schließlich möchte jeder Hersteller oder Netzanbieter seine eigenen unverwechselbaren Produkte an die Kundinnen und Kunden liefern.

Eines haben die Router bisher aber fast alle gemein: Die Gehäuse sind aus Plastik gefertigt, ihre Aufgabe ist unter anderem der Schutz der Platine im Inneren. Auf den ersten Blick wirkt die Materialwahl logisch, am Lebensende zeigt sich jedoch das Problem: Die Materialverbunde aus Kunststoffen, Metallen und Leiterplatten lassen sich nur schwer trennen. Selbst hochwertige Kunststoffe in Gehäusen verlieren beim Recycling ihre technischen Eigenschaften und sind daher nur sehr eingeschränkt kreislauffähig. Hinzu kommt, dass einige Kunststoffbauteile flammenhemmende Additive enthalten und die Trennung von Kunststoffen, Metallen sowie der auf Platinen verbauten Elektronik äußerst komplex ist. „Mit bestehenden Kunststoffgehäusen ist Recycling daher kaum möglich“, sagt Thomas Mager, Forscher am Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM in Paderborn und Leiter des Forschungsprojekts ALU4CED. Landen die Router auf einer Müllhalde etwa in Afrika, birgt das Gefahren für Mensch und Umwelt.

Kreislauffähigkeit von elektronischen Geräten steigern

ALU4CED hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Kreislauffähigkeit von elektronischen Geräten deutlich zu steigern. Der Name steht für „Aluminium based multifunctional housing for circular electronic devices“. Dazu arbeitet das Fraunhofer IEM mit dem Berliner Fraunhofer IZM sowie dem Tele and Radio Research Institute und dem Institute of Non-Ferrous Metals des polnischen Łukasiewicz Research Network zusammen – gefördert im CORNET-Programm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie.

Wie der Name bereits vermuten lässt, kommt dem Metall Aluminium eine wichtige Rolle zu. Denn im Gegensatz zu den bisher verwendeten Kunststoffen in Plastikroutern kann Aluminium beliebig oft eingeschmolzen und wiederverwendet werden. Dabei ist sich das Projektteam bewusst, dass die Herstellung von Aluminium CO₂-intensiver ist als jene von Kunststoff: Der Carbon Footprint in der Primärproduktion von Kunststoffen beträgt 1,9 bis 5,5 kg CO₂-Äquivalent pro Kilogramm Material, während er bei Aluminium zwischen 6,8 und 13,5 kg CO₂-Äquivalent pro Kilogramm liegt. „Der Vorteil liegt aber in der Kreislauffähigkeit“, erklärt Thomas Mager. Denn bereits ab der ersten Wiederverwendung ergibt sich ein großer Nachhaltigkeitsvorteil, der mit jeder Wiederverwendung noch weiter steigt.

Hinzu kommt eine Vielzahl an weiteren Vorteilen: Aluminium ist mechanisch stabil, hat eine hohe Oberflächengüte, elektromagnetische Abschirmeigenschaften und eine hohe Beständigkeit gegenüber externen Einflussfaktoren wie Feuchtigkeit und UV-Strahlung. Außerdem leitet Aluminium die Abwärme der Systeme problemlos ab, es braucht keine separate Kühlung mehr. „Aluminium eignet sich für alle Anwendungen, die hermetisch gekapselt sein müssen, denn es wird keine Öffnung für die Lüftung benötigt“, weiß Mager. Daher sind die Ergebnisse aus ALU4CED auch interessant für gehäusebasierte Elektronik, die im Outdoorbereich oder in der Industrie eingesetzt wird.

Platine als Kernproblem

Während das Projektteam mit der Arbeit an Aluminiumgehäusen bereits positive Erfahrungen gemacht hat, liegt der Fokus auf dem wichtigsten elektronischen Bauteil des Routers – der Platine. „Die Platine ist der Hauptübeltäter“, sagt Fraunhofer-Forscher Thomas Mager.

Eine herkömmliche Leiterplatte besteht aus 1,5 Millimeter dickem Epoxidharz. Das Material sorgt für eine hohe Stabilität, es ist allerdings nicht recycelbar. Viel zu oft landen die Platinen in der Natur. Auch die aufgebrachten Bauteile stellen ein Problem dar: Statt Transceiver-Chips, Speicher, Kondensatoren, Spulen und Co. von der Platine zu trennen und neu zu nutzen, werden sie lieber neu gekauft. „Das ist ein wirtschaftliches Problem: Neue Bauteile sind billiger als recycelte“, weiß man am Institut. Mit ALU4CED soll der Recyclingaufwand deutlich sinken. Das Projekt setzt auf eine Architektur, die ohne klassische Leiterplatte auskommt.

Laserdirektstrukturierung steigert Nachhaltigkeit

Das Team nutzt gezielt eine Technologie, die bereits seit Langem bekannt ist und insbesondere im Umgang mit kunststoffbasierten, mechatronisch integrierten Bauteilen – den sogenannten MIDs – häufig zum Einsatz kommt: die Laserdirektstrukturierung (LDS). „Wir haben Wert darauf gelegt, dass das LDS-Verfahren bei ALU4CED komplett kompatibel mit den Verfahren aus der MID-Produktion ist“, erläutert Mager.

Bei der Laserdirektstrukturierung aktivieren Hersteller mit einem Laser bestimmte Bereiche auf einer 150 Mikrometer dicken isolierenden Lackschicht, die direkt auf dem Aluminiumgehäuse aufgetragen ist. Das hat den Vorteil, dass die Kupferabscheidung im anschließenden galvanischen Bad selektiv auf den laseraktivierten Flächen erfolgt. Damit arbeitet das Verfahren genau entgegengesetzt zur herkömmlichen Platinenherstellung. Dort ätzen die Unternehmen alle nicht benötigten Bereiche einer größeren Kupferfolie weg. „In der Regel wird mehr Material abgetragen als genutzt“, so Mager. In der herkömmlichen Herstellung muss das weggeätzte Kupfer erst wieder chemisch aufbereitet werden, bei der Laserdirektstrukturierung können die galvanischen Bäder mehrfach wiederverwendet werden.

Die Kombination aus Aluminium, Lack und Laserdirektstrukturierung ist besonders ressourcenschonend: „Wir haben damit einen minimalen Ressourceneinsatz“, heißt es aus dem Projekt. Auch bei der thermischen Verwertung des Gehäuses entsteht kein zusätzlicher Abfall, da sich der Lack in der dabei ohnehin entstehenden Schlacke – einer mineralischen Restmasse, die bei Hochtemperaturprozessen nichtmetallische Bestandteile bindet – ablagert.

Vom Auto bis zum Access Point

Mit seiner Lösung schafft das Forschungsprojekt ALU4CED eine Alternative für eine große Breite an gehäusebasierter Elektronik. Die Technologie könnte in Steuergeräten für Fahrzeuge, in Access Points – also drahtlosen Zugangspunkten für Netzwerke – oder Sensoren zum Einsatz kommen. „Alles, was einen moderaten Anteil an Elektronik aufweist und wo die Platine nicht extrem hoch bestückt ist“, sagt Mager.

Zusammen mit seinem Team konzentriert er sich vor allem auf den industriellen ICT-Sektor. Nachgelagert könnte es auch für WLAN-Router in privaten Haushalten relevant sein. Dort spielt aber die Design-Flexibilität von Kunststoff eine größere Rolle. Der Bedarf für nachhaltigere Lösungen in der Elektronik ist groß: Das Fraunhofer IZM hat berechnet, dass pro Jahr eine Million Server in Deutschland ausgetauscht werden. Für diese Masse an elektronischen Geräten muss es eine Möglichkeit geben, einen effizienten Recyclingprozess durchzuführen. Genau das könnte das Projekt bieten: „ALU4CED ist der erste Schritt für eine teil- bis vollautomatisierte Entstückung von Bauteilen nach ihrer Lebenszeit“, meint Thomas Mager. (sb)

* Julian Hörndlein ist freier Wissenschafts- und Industriefachjournalist.

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