Nachhaltigere PCBs Biologisch abbaubare FR-4-Alternative ist für HF-Anwendungen tauglich

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Soluboard-Leiterplatten von Jiva Materials stellen eine biologisch abbaubare Alternative zu FR-4 dar, die auch bezüglich des CO₂-Fußabdrucks zu überzeugen weiß. Infineon nutzt das Material etwa für Demoboards. Die Tauglichkeit für Hochfrequenz-Anwendungen belegt nun die University of Glasgow.

Weltweit wird vornehmlich eine Kombination aus Glasfasergewebe und Epoxidharz eingesetzt, um als steifes, dimensionsstabiles und kostengünstiges Substrat als Standardmaterial für starre Leiterplatten zu dienen. FR-4 wird das Substrat genannt, ein Name, der sich übrigens auf die Flammschutzklasse des Materials bezieht, die in der Regel über bromierte Flammschutzmittel im Harz erreicht wird.

FR-4 besteht aus zwei zentralen Komponenten: einem Trägergewebe aus gewobenem Glasfasergewebe und einem flammenhemmenden Epoxidharz, das dieses Gewebe vollständig durchtränkt und aushärtet. Die Glasfasern verleihen dem Material seine mechanische Stabilität, Zugfestigkeit und Formbeständigkeit, während das Epoxidharz für elektrische Isolation, Wärmestabilität und chemische Resistenz sorgt. Das Problem: FR-4-Leiterplatten haben einen relativ hohen CO₂-Fußabdruck von geschätzt rund 17 kg pro Quadratmeter. Je nach Harzsystem, Glasgehalt und Produktionsroute kann das tatsächlich zwischen 12 und 25 kg CO₂/m² schwanken. Eine Tatsache, die aber auf alle FR-4-Boards zutrifft: Das Material lässt sich nur schwer und kaum wirtschaftlich recyceln.

Die Verantwortlichen von Jiva Materials aus Großbritannien haben bereits vor einiger Zeit ein Leiterplatten-Substrat basierend auf Naturfasern (Jute oder Flachs) und einem halogenfreien, wasserlöslichen Polymer entworfen. Pro Quadratmeter verursacht das Material in der Herstellung rund 5,5 kg CO₂, wie das Unternehmen mit der Unterstützung der University of Portsmouth berechnet hat. In der Hinsicht ist das Material also schon umweltschonender. Doch das Hauptfeature des Materials ist, dass es sich beim Recycling in Wasser auflöst, die Baugruppen so problemlos gelöst und dann wiederaufbereitet werden können.

Wasserlöslichkeit … unter speziellen Voraussetzungen

Bevor Sie sofort anmerken, dass die Wasserlöslichkeit das Soluboard aus industriellen Anwendungen ausschließt, gibt es einen aufschlussreichen Hinweis: Das Material löst sich erst bei anhaltendem Aufenthalt in heißem Wasser auf. „Heiß“ bedeutet, dass das Wasser 90 °C erreicht und sich die Leiterplatte, basierend auf der Komplexität des Boards, 30 bis 120 Minuten in dem Wasser befindet. „Sowohl SMT- als auch THT-Komponenten können in bestimmten Anwendungen nach einer Aufarbeitung entfernt und wiederverwendet werden. Bei Materialien, die nicht wiederverwendet werden können, reduziert das Recycling auf Wasserbasis die Verluste an Edelmetallen, die normalerweise bei Verbrennungsprozessen entstehen“, erklärt das Unternehmen.

Nachhaltigkeit

Biologisch abbaubare Alternative zu FR-4

Wenn Sie die Berichterstattung bei uns regelmäßig verfolgen, dann haben Sie bereits von Soluboard gehört und auch davon, dass Infineon das Material etwa für Demo- und Evaluierungsboards einsetzt. In Zusammenarbeit mit Forschern wurde nun auch die Tauglichkeit von Soluboard für HF-Anwendungen bestätigt.

Soluboard in HF-Anwendungen

Im Rahmen einer Untersuchung durch die James Watt School of Engineering der University of Glasgow wurde Soluboard hinsichtlich seiner HF- und Hochgeschwindigkeitseigenschaften getestet, wie das Unternehmen berichtet. Das Paper trägt den Namen „Biodegradable RF PCBs Towards Sustainable Wireless and IoT“ und kann auf der Webseite der Universität eingesehen werden. Die Forscher konnten nachweisen, dass das Material drahtlose Signale oberhalb von 4 GHz unterstützt und Datenraten von mehr als 3 Gb/s ohne nennenswerte Verzerrungen ermöglicht. Damit erfüllt Soluboard die Anforderungen typischer Anwendungen wie Wi-Fi, Bluetooth, RFID sowie digitaler Hochgeschwindigkeitsschnittstellen.

Das zeigt, dass biologisch abbaubare Substrate auch ohne Abstriche in Bereichen eingesetzt werden können, die bislang als Domäne konventioneller FR-4-Materialien galten. Herausforderungen ergeben sich weiterhin aus der Verarbeitung natürlicher Faserverbunde und der Optimierung für HF-Anwendungen, etwa durch geeignete Schaltungs- und Antennendesigns.

Das Projekt ist Teil eines größer angelegten Forschungsprogramms des „Responsible Electronics and Circular Technology Centre“ (REACT) der University of Glasgow, das von UKRI gefördert wird. Die Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie soll nachhaltige Materialalternativen vorantreiben und die Kreislaufwirtschaft in der Elektronik stärken. (sb)

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