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Leiterplatten auf Holzbasis Holz statt Epoxidharz: Grüne Leiterplatten haben einen großen Feind

Von Susanne Braun 3 min Lesedauer

Anbieter zum Thema

EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt
Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH
IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG
Eurocircuits GmbH

Elektroschrott ist ein Problem, aber auch eine große Chance, durch Recycling wieder an wertvolle Ressourcen zu gelangen und Lieferketten resilienter zu gestalten. Ein großes Hindernis ist dabei die Leiterplatte aus FR-4 und die Art, wie sie bestückt wurde. Forscher suchen deswegen nach abbaubaren Lösungen wie Holz. Doch das hat ein Problem.

Die "grüne" Leiterplatte ist nicht grün, sondern braun: Links eine Maus-Platine aus Lignocellulose, rechts eine konventionelle Maus-Platine aus fossilen Rohstoffen.(Bild: Empa)
Die "grüne" Leiterplatte ist nicht grün, sondern braun: Links eine Maus-Platine aus Lignocellulose, rechts eine konventionelle Maus-Platine aus fossilen Rohstoffen.
(Bild: Empa)

Leiterplatten sind die Trägerstrukturen für elektronische Schaltungen und damit das Herz elektronischer Lösungen. Die Leiterplatten bestehen heute fast immer aus Verbundmaterialien auf fossiler Basis, und am weitesten verbreitet ist FR-4, ein glasfaserverstärktes Epoxidharzlaminat. Es vereint gute elektrische Isoliereigenschaften mit mechanischer Stabilität und moderaten Kosten. Das Problem ist aber, dass das Material nicht recycelbar ist und vollständig aus Erdöl besteht.

Varianten wie CEM-1 oder CEM-3, ebenfalls Epoxidharze mit Papier- oder Glasfaseranteil, sind mechanisch schwächer. In Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen kommen wiederum Keramiksubstrate oder keramisch gefüllte Materialien zum Einsatz, die hervorragende Wärmeleitfähigkeit bieten, aber teuer und spröde sind. Für Leistungs- und LED-Elektronik werden Metallkernleiterplatten mit Aluminium- oder Kupferträgern genutzt, um Wärme effizient abzuführen. Ergänzend dazu gibt es flexible Substrate aus Polyimid oder Polyester, die sich biegen lassen, jedoch weniger hitzebeständig und stabil sind.

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Wie sieht die Zukunft der Leiterplatte aus?

Forschungseinrichtungen und Unternehmen erkennen das Problem mit Leiterplatten, die nach Lebensdauer nicht biologisch abbauen oder nicht problemlos „entkernt“ werden können. Deswegen wird vielerorts an neuen nachhaltigen oder funktional erweiterten Leiterplattenmaterialien gearbeitet. Besonders viel Aufmerksamkeit erhalten derzeit biobasierte und biologisch abbaubare Substrate.

Hierzu gehören Lignocellulose oder Holz-Nanofibrillen, also Materialien, die aus pflanzlichen Fasern gewonnen und zu festen Platten gepresst werden. Forschende der Empa haben daraus kürzlich eine funktionierende Computermaus und eine RFID-Karte gebaut – zwei Proofs of Concept, die zeigen, dass Elektronik auf Holzbasis grundsätzlich möglich ist. Die Empa ist das interdisziplinäre Forschungsinstitut des ETH-Bereichs für Materialwissenschaften und Technologie. 

Durch Mahlen, Pressen und Trocknen („Hornifizierung“) kreierten die Forschenden eine feste, stabile Platte, die fast so widerstandsfähig wie herkömmliche Leiterplatten ist, sich aber unter geeigneten Bedingungen kompostieren lässt.

Noch gelten Leiterplatten aus Holz als technologische Kuriosität, denn es gibt noch zu viele Probleme, vor allem mit Feuchtigkeit, die einer breiten Anwendung im Weg stehen. Holzbasierte Materialien reagieren empfindlich auf Wasser und Luftfeuchtigkeit, was ihre Einsatzmöglichkeiten einschränkt. Auch PLA-Kunststoffe (Polymilchsäure) oder PLA-Baumwollverbunde werden erprobt; sie sind kompostierbar, aber mechanisch und thermisch weniger robust als herkömmliche Substrate.

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Technologietage Leiterplatte

Die Leiterplatte ist das Fundament jedes elektronischen Systems und sichert dessen Funktionalität, Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit. Gleichzeitig definieren branchenspezifische Anforderungen den Innovationskurs der Leiterplatten und elektronischen Baugruppen. Die Technologietage Leiterplatte bieten Hardware-Entwicklern, Leiterplatten- und Baugruppendesignern und Entscheidern eine einzigartige Plattform. Erstklassige Vorträge, Best-Practice-Beispiele und praxisnahe Diskussionen zeigen, wie innovative und zuverlässige elektronische Baugruppen zukunftssichere Elektronik ermöglichen.

Eine Location, drei Events

Die Technologietage Leiterplatte finden parallel zur Konferenz für Hardware-Entwickler Power of Electronics und zum Anwenderforum Relaistechnik im Vogel Convention Center statt. Die Veranstaltungen sprechen ein ähnliches Publikum an, deswegen teilen sie sich die gleiche Ausstellung, Pausenräume und Abendveranstaltung. Sie haben die Möglichkeit, alle drei Events zu besuchen und profitieren so von wertvollen Synergieeffekten – sei es im Austausch mit Experten, in den Vorträgen oder durch die direkte Interaktion mit Ausstellern und Teilnehmern.

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Die Leiterplatte wird vielfältiger

Neben den biobasierten Ansätzen werden auch reparier- und recycelbare Kunststoffe untersucht, etwa sogenannte Vitrimer-Polymere, die sich bei Wärme umstrukturieren und wiederverwenden lassen. Wasserlösliche Substrate wie PVA (Polyvinylalkohol) eröffnen experimentell die Möglichkeit, ganze Leiterplatten nach Gebrauch im Wasser aufzulösen, um Metalle und Komponenten zurückzugewinnen. Das ist ein Konzept, das vor allem für kurzlebige Elektronik interessant sein könnte.

Auch Glas spielt eine wachsende Rolle in der Leiterplattentechnik, allerdings weniger als eigenständiger Träger, sondern als Verstärkungsmaterial in Verbundsystemen. In modernen FR-4-Varianten oder Hochfrequenzsubstraten dienen Glasfasern dazu, Stabilität, Planheit und dielektrische Eigenschaften zu verbessern. Daneben gibt es erste Projekte zu glaskeramischen Substraten, die besonders für Hochfrequenz- und 6G-Anwendungen interessant sind, weil sie geringe Verluste und hohe Temperaturstabilität bieten.

Neben klassischen Epoxidharzen gewinnen Materialien an Bedeutung, die recycelbar, biologisch abbaubar oder energieeffizient herstellbar sind. Holzbasierte und glasbasierte Substrate gelten dabei als besonders aussichtsreich – die einen aus ökologischer, die anderen aus technologischer Perspektive. (sb)

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