Conception pour la durabilité avec l'électronique imprimée

Les gouvernements du monde entier abordent directement ou indirectement l'aspect de la durabilité, bien que à des degrés et intensités variables, notamment en ce qui concerne l'inflation récente et les tarifs internationaux de la chaîne d'approvisionnement. Ils appellent les fabricants à réduire les déchets, la consommation d'énergie, les produits chimiques et leur impact environnemental général sur le cycle de vie des produits. 

Le cycle de vie des produits électroniques constitue une industrie qui doit gérer des matériaux toxiques tels que le plomb, le mercure et le cadmium. Des matériaux dangereux qui sont ignifuges, et des minéraux de terres rares tels que le lithium, le cobalt et l'or. Le résultat final est plus de 53 millions de tonnes de déchets électroniques chaque année, avec une estimation de 17% à être recyclés de manière formelle. 

L'industrie électronique a traditionnellement mis l'accent sur la technologie de fabrication soustractive en ce qui concerne les circuits imprimés, cependant, en employant la technologie de fabrication additive, il est possible de réduire considérablement les déchets, l'énergie, d'éliminer les matériaux dangereux et d'améliorer la recyclabilité. Avec le renforcement des réglementations environnementales et une demande pour des alternatives plus vertes, le moment peut être venu d'explorer comment les électroniques imprimées peuvent aligner les objectifs de conception et de durabilité. Altium soutient stratégiquement et activement ce développement en s'engageant auprès de sa base d'utilisateurs pour améliorer et développer des fonctionnalités pour soutenir la conception électronique pour la durabilité.

Qu'est-ce que les Électroniques Imprimées ?

Les électroniques imprimées utilisent des techniques d'impression telles que l'inkjet, la sérigraphie, la gravure ou l'impression flexographique pour déposer des matériaux sur des substrats flexibles ou rigides. Ces matériaux peuvent inclure des encres conductrices, des couches semi-conductrices et des isolants diélectriques, qui travaillent ensemble pour créer des circuits, des capteurs, des antennes et d'autres composants électroniques.

Ces composants sont généralement imprimés sur des substrats tels que le PET (polyéthylène téréphtalate), le papier ou des polymères biodégradables, permettant des produits légers et flexibles avec une consommation de matériaux réduite. Les applications vont des moniteurs de santé portables aux panneaux solaires flexibles en permettant de nouvelles formes et applications. L'un des principaux avantages des électroniques imprimées est leur empreinte environnementale intrinsèquement réduite, augmentant la possibilité pour l'innovation durable.

Pourquoi la fabrication additive est-elle plus durable que la fabrication soustractive ?

Pour comprendre cela, il faut examiner la différence fondamentale entre les technologies de fabrication, à savoir le processus de fabrication additive par rapport à la fabrication soustractive.

La fabrication soustractive, qui constitue plus de 99 % de la fabrication conventionnelle de PCB, commence avec un matériau solide tel que le FR4 (laminate époxy renforcé de fibre de verre) recouvert de cuivre. Le motif de circuit souhaité est créé en éliminant l'excès de cuivre à l'aide de produits chimiques agressifs comme le chlorure ferrique ou le persulfate d'ammonium. Cela génère de grandes quantités de déchets dangereux et de produits chimiques qui nécessitent un traitement de l'eau et une élimination sûre. La complexité relative de la conception du PCB augmentera donc le nombre de couches ou de processus de gravure et cela augmentera encore l'impact sur la durabilité de l'appareil électronique.

Le processus de fabrication additive utilisé pour l'électronique imprimée, construit les circuits en déposant les matériaux uniquement là où c'est nécessaire. Pas de gravure, pas de décapage, pas de bains de placage, mais une impression de précision d'encres fonctionnelles directement sur un substrat, ajoutée uniquement là où c'est nécessaire. Cela réduit considérablement l'empreinte environnementale du processus de production de plusieurs manières comme décrit ci-dessous.

Réduction des déchets

En éliminant le besoin de gravure chimique et de placage, l'électronique imprimée réduit les déchets solides, les effluents liquides et les émissions dans l'air. La production conventionnelle de PCB implique des étapes de rinçage, des métaux toxiques et une consommation d'eau importante, ce qui contribue à la fois aux dangers environnementaux et potentiels pour la santé. La fabrication additive peut entraîner une absence de déchets matériels dus à la découpe ou à la gravure, et aucun bain chimique.

Efficacité énergétique

Les processus d'électronique imprimée fonctionnent à des températures plus basses et nécessitent donc moins d'énergie que la fabrication de PCB par soustraction, qui implique une lamination à haute température, différents bains dangereux chauds, le durcissement, le perçage et le placage. Le résultat évident est une empreinte carbone plus faible par unité produite. Cela rend l'électronique imprimée une option convaincante pour une entreprise, qui peut employer la technique de fabrication additive pour ses produits, les normes industrielles, les demandes des clients et les exigences gouvernementales.

Pas de Placage

L'un des principaux facteurs négatifs environnementaux de la fabrication des PCB est le processus de galvanoplastie utilisé pour déposer du métal sur les chemins de circuits ou les vias. Cela nécessite des électrolytes hautement conducteurs comme le cuivre, le nickel ou l'or et le processus consomme de grandes quantités d'électricité.

L'électronique imprimée allège naturellement complètement ce processus. Les traces conductrices sont créées directement avec des encres conductrices imprimées telles que l'argent ou le carbone, à température ambiante ou modérée. L'élimination du placage simplifie la production, réduit la toxicité, améliore la sécurité et nécessite significativement moins d'espace opérationnel.

Gestion du Cycle de Vie Électronique

L'élimination en fin de vie et le recyclage des PCB fabriqués avec le processus de technologie par soustraction sont typiquement réalisés à partir de FR4, un matériel à la fois non biodégradable et difficile à recycler. Séparer les métaux et récupérer les matériaux des PCB basés sur FR4 est énergivore et souvent économiquement non viable, résultant en des déchets électroniques ou en une incinération avec une consommation d'énergie significative.

L'électronique imprimée peut utiliser des substrats plus faciles à récupérer ou à biodégrader, tels que le papier ou les plastiques compostables. Cependant, il faut s'assurer que ces matériaux disposent des approbations nécessaires en ce qui concerne leur utilisation et l'industrie.  Comme les matériaux ne sont pas laminés dans des constructions multicouches, le démontage et la récupération des matériaux deviennent beaucoup plus simples.

Conception pour les opportunités de durabilité ou conception circulaire

L'électronique imprimée ouvre la porte à la conception circulaire en permettant potentiellement au propriétaire du produit de choisir des substrats recyclables ou biodégradables, d'utiliser des encres non toxiques à faible impact et d'employer une conception pour un recyclage en boucle fermée et un démontage qui soutient la gestion du cycle de vie électronique du berceau au berceau.

La gestion du cycle de vie du produit en relation avec la fin de vie et par conséquent le recyclage, constitue un domaine d'intérêt particulier et de potentielles avancées significatives en matière de durabilité. La composition matérielle de l'électronique imprimée permet des méthodes de recyclage plus durables avec une plus grande quantité de matériaux recyclables, une consommation d'énergie réduite car il y a moins de types de matériaux avancés à séparer, et moins d'émissions toxiques dans l'air.

Cas factuels changeant déjà l'industrie

Les entreprises d'emballage intelligent intègrent des capteurs imprimés qui surveillent la température, l'humidité ou les altérations, en utilisant des substrats en papier entièrement recyclables, permettant un emballage intelligent sans augmenter les déchets électroniques.

Les dispositifs de santé portables ou la "soie d'araignée électronique" peuvent être imprimés directement sur la peau humaine en utilisant des capteurs flexibles compatibles avec la peau, fabriqués par impression additive sur des matériaux biodégradables, pour offrir un diagnostic en temps réel sans contribuer à la pollution plastique.

Les entreprises d'énergie solaire explorent les photovoltaïques imprimés sur des substrats en plastique ou en textile, permettant des panneaux solaires légers, à faible coût et recyclables, adaptés pour l'énergie portable ou d'urgence.

Électronique imprimée et défis à surmonter

Les avantages en termes de durabilité de l'électronique imprimée sont évidents, cependant, des défis demeurent. Les encres conductrices, en particulier l'argent, peuvent être coûteuses, et l'impact environnemental total dépend de la source des matériaux. La durabilité mécanique, la miniaturisation et la conductivité de l'électronique imprimée évoluent également continuellement par rapport aux circuits imprimés traditionnels par soustraction.

Les avancées en science des matériaux et les économies d'échelle aboutiront inévitablement à une adoption de plus en plus généralisée de l'électronique imprimée. Les nouveaux développements en graphène, semi-conducteurs organiques et polymères conducteurs recyclables penchent davantage la balance en faveur de solutions durables.

Les changements réglementaires, la sensibilisation des consommateurs et la pression des investisseurs ne feront que continuer à stimuler le besoin de fabrication écologique, et l'électronique imprimée offre un moyen de répondre à ces demandes sans compromettre la fonctionnalité ou la performance.

Conclusion : Concevoir pour la durabilité

L'électronique imprimée représente une technologie perturbatrice et, par conséquent, un changement de paradigme concernant la manière dont nous pouvons innover et concevoir l'électronique, la fabrication et organiser le cycle de vie électronique. En adoptant une approche additive à faible impact environnemental, les ingénieurs et les propriétaires de produits peuvent concevoir des produits avec la durabilité comme ingrédient clé.

Une innovation technique telle que l'électronique imprimée est une solution viable pour soutenir les défis environnementaux mondiaux croissants et les réglementations plus strictes. La facilitation du recyclage et la réduction des déchets toxiques soutiendront davantage la durabilité de l'économie circulaire.

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