산업계와 학계는 지속 가능한 회로 기판을 바라보고 있습니다

May 18, 2023

IDTechEx는 최근 지속 가능한 인쇄 회로 기판(PCB) 및 집적 회로(IC)에 대한 기술과 동향을 자세히 설명하는 지속 가능한 전자 제조 2023~2033에 대한 보고서를 발표했습니다. IDTechEx는 향후 10년 내에 PCB 제조업체의 약 20%가 건식 에칭 및 인쇄를 포함한 보다 지속 가능한 방법으로 전환할 것으로 예상합니다.

다음은 지속 가능성 요구 사항을 충족하기 위해 PCB 및 IC 생산 변화를 볼 수 있는 몇 가지 방법에 대한 개요입니다.

Carol Handwerker 박사가 이끄는 퍼듀 대학교 연구팀은 특히 중요한 응용 분야에서 납 솔더만큼 효과적인 비납 솔더 대체품을 만드는 방법을 조사하고 있습니다. 이 프로젝트를 통해 사용자에게 비납 합금을 사용한 납땜 작업을 안내하는 리소스인 "납땜 사용자 핸드북"이 탄생했습니다.

1986년 환경 보호국(EPA)은 0.2% 이상의 납을 함유한 납땜이나 플럭스의 사용을 금지했습니다. 2006년에 유럽 연합에서는 납 기반 납땜이 포함된 전자 제품 판매가 금지되었습니다. 이러한 두 가지 금지에 대한 예외는 항공우주, 국방, 특정 의료 기기 등 비소비자, 고신뢰성 사용 사례입니다.

주석-납 합금은 높은 녹는점, 부식에 대한 저항성 및 전기적 특성으로 인해 전통적으로 전자 납땜에 사용되는 재료였습니다. 가장 많이 사용되는 무연 솔더인 주석-구리-은 합금은 주석-납보다 용융 온도가 더 높으며, 흡수 및 습윤을 달성하려면 약 245°C가 필요합니다(주석-납의 경우 220°C와 반대). 이러한 증가된 온도 요구 사항은 납땜에 더 많은 에너지가 필요하다는 것을 의미할 뿐만 아니라 고온에서 손상되기 쉬운 커패시터 및 광전자공학과 같은 구성 요소에도 영향을 미칠 수 있습니다.

미국 국방부와의 4천만 달러 계약을 바탕으로 퍼듀 연구원들은 무연 솔더가 국방 시스템에서 주석-납 솔더만큼 신뢰할 수 있거나 더 신뢰할 수 있는 시기에 대한 타임라인을 개발하고 있습니다.

IDTechEx 보고서는 2033년까지 유연한 PCB 시장이 비강성 PCB의 이점을 누릴 수 있는 웨어러블 장치와 같은 애플리케이션에 의해 주도되어 최대 12억 달러의 가치가 있을 것으로 예측했습니다.

대부분의 경질 PCB는 유리섬유 강화 에폭시 재료, 즉 천으로 직조되고 난연성 에폭시 수지로 코팅된 유리섬유로 만들어집니다. 이 재료는 FR-4(또는 FR4)라는 범주에 속합니다. FR4는 가볍고 강하며 저렴하고 내구성이 뛰어나 다양한 환경에서 PCB용으로 매력적인 후보입니다. 그러나 FR4를 생산하면 여러 가지 폐기물 부산물이 생성되고 에폭시 수지에 석유 기반 제품이 필요하므로 환경에 잠재적으로 위험할 수 있습니다. 유연한 PCB의 PCB 기판으로 빠르게 인기를 얻고 있는 또 다른 재료는 폴리이미드라고 불리는 플라스틱입니다. 그러나 FR4와 마찬가지로 폴리이미드는 환경 친화적이지 않습니다.

연구자들은 특히 투명 셀룰로오스 나노종이와 같은 바이오 기반 소재 영역에서 이러한 소재에 대한 대안을 조사하고 있습니다. 해양 생명 과학 R&D 센터와 일본 해양 지구 과학 기술청의 일본 연구팀이 바이오 기반 기판의 크기 조정 및 제조 문제를 해결하는 종이 기반 PCB 기판을 개발했습니다.

팀은 종이 기반 기판이 다른 플라스틱 기반 PCB 재료보다 낮은 열 팽창, 열 내구성 및 더 높은 유전 상수를 나타냈다고 보고했습니다. 팀은 웨어러블 장치를 포함한 유연한 PCB 응용 분야에 사용할 수 있는 이 기판을 구상하고 있습니다.

폐기물은 PCB 지속 가능성에 대한 또 다른 과제입니다. 전통적인 절삭 가공에서는 구리 호일과 같은 금속 층이 전체 기판 층 표면을 코팅합니다. 그런 다음 불필요한 부분이 용해됩니다. 이 공정은 금속 자원을 낭비할 뿐만 아니라 달성하기 위해 많은 화학 물질이 필요합니다.

보다 지속 가능한 대안은 필요하지 않은 재료를 제거하는 대신 필요한 재료만 층별로 추가하는 적층 제조입니다. 이에 대한 한 가지 예는 유연한 PCB인 Elphantech의 P-Flex입니다. Elephantech는 은나노 잉크를 사용하여 유연한 PCB 표면에 필요한 패턴을 잉크젯으로 인쇄합니다. 그런 다음 회사는 무전해 구리 도금을 사용하여 패턴 레이어를 구축합니다.