Thiết kế vì Sự Bền Vững với Công nghệ In Điện tử
Các chính phủ trên toàn cầu đang trực tiếp hoặc gián tiếp giải quyết vấn đề về tính bền vững, mặc dù ở các mức độ và cường độ khác nhau, không kém phần quan trọng đối với lạm phát gần đây và các mức thuế quan chuỗi cung ứng quốc tế. Họ đang kêu gọi các nhà sản xuất giảm lượng chất thải, tiêu thụ năng lượng, hóa chất và tác động môi trường tổng thể trong suốt vòng đời sản phẩm.
Vòng đời sản phẩm điện tử là một ngành công nghiệp phải xử lý các vật liệu độc hại như chì, thủy ngân và cadmium. Các vật liệu nguy hiểm có khả năng chống cháy, và các khoáng sản hiếm như lithium, cobalt và vàng. Kết quả cuối cùng là hơn 53 triệu tấn rác thải điện tử mỗi năm, với ước tính chỉ có 17% được tái chế một cách chính thức.
Ngành công nghiệp điện tử truyền thống tập trung vào công nghệ sản xuất trừ khi liên quan đến bảng mạch in, tuy nhiên bằng cách sử dụng công nghệ sản xuất cộng thêm có khả năng giảm đáng kể lượng chất thải, năng lượng, loại bỏ vật liệu nguy hại và cải thiện khả năng tái chế. Với các quy định về môi trường ngày càng chặt chẽ và nhu cầu về các lựa chọn xanh hơn, bây giờ có thể là thời điểm để khám phá cách điện tử in có thể phù hợp với mục tiêu thiết kế và bền vững. Altium đang chiến lược và tích cực hỗ trợ sự phát triển này bằng cách tương tác với cơ sở người dùng của mình để cải thiện và phát triển các tính năng hỗ trợ thiết kế điện tử cho sự bền vững.
Điện tử In là gì?
Công nghệ điện tử in bao gồm việc sử dụng các kỹ thuật in như in phun, in lưới, in trục xoay, hoặc in flexo để đặt vật liệu lên các nền tảng linh hoạt hoặc cứng. Những vật liệu này có thể bao gồm mực dẫn điện, lớp bán dẫn, và vật liệu cách điện, làm việc cùng nhau để tạo ra mạch điện, cảm biến, ăng-ten, và các thành phần điện tử khác.
Những thành phần này thường được in trên các nền tảng như PET (polyethylene terephthalate), giấy, hoặc các polymer phân hủy sinh học, cho phép sản phẩm nhẹ và linh hoạt với việc tiêu thụ ít vật liệu hơn. Ứng dụng của chúng bao gồm từ thiết bị theo dõi sức khỏe đeo được đến tấm pin mặt trời linh hoạt bằng cách tạo ra các hình thức và ứng dụng mới. Một trong những lợi ích chính của công nghệ điện tử in là dấu chân môi trường giảm thiểu của nó, tăng khả năng cho sự đổi mới bền vững.
Tại sao Sản xuất Cộng hóa so với Trừ hóa lại Bền vững hơn?
Để hiểu điều này, người ta cần xem xét sự khác biệt cơ bản trong công nghệ sản xuất, cụ thể là quy trình sản xuất cộng hóa so với trừ hóa.
Quy trình sản xuất bằng phương pháp trừ, chiếm hơn 99% sản xuất PCB truyền thống, bắt đầu với một vật liệu rắn như FR4 phủ đồng (laminat epoxy cốt sợi thủy tinh). Mẫu mạch mong muốn được tạo ra bằng cách ăn mòn đồng thừa bằng các hóa chất mạnh như clorua sắt hoặc persulfat amoni. Quá trình này tạo ra lượng lớn chất thải nguy hại và hóa chất cần được xử lý nước và loại bỏ an toàn. Độ phức tạp tương đối của thiết kế PCB sẽ tăng số lượng lớp hoặc quy trình ăn mòn và điều này sẽ làm tăng thêm tác động bền vững của thiết bị điện tử.
Quy trình của sản xuất cộng hưởng được áp dụng cho điện tử in ấn, xây dựng mạch bằng cách chỉ đặt vật liệu ở những nơi cần thiết. Không cần ăn mòn, không cần tẩy, không cần phòng tắm mạ, chỉ cần in chính xác mực chức năng trực tiếp lên một nền, chỉ thêm vào nơi cần thiết. Điều này giảm đáng kể dấu chân môi trường của quy trình sản xuất theo nhiều cách như được mô tả dưới đây.
Giảm Lượng Chất Thải
Loại bỏ nhu cầu về ăn mòn hóa chất và mạ, điện tử in giảm chất thải rắn, nước thải lỏng và khí thải vào không khí. Sản xuất PCB truyền thống bao gồm các giai đoạn xả, kim loại độc hại và sử dụng nước nặng, góp phần vào cả rủi ro môi trường và sức khỏe tiềm ẩn. Sản xuất cộng hưởng có thể không tạo ra chất thải vật liệu từ việc cắt hoặc ăn mòn, và không có bể hóa chất.
Hiệu Quả Năng Lượng
Quy trình của điện tử in hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn và do đó yêu cầu ít năng lượng hơn so với quy trình sản xuất PCB bằng phương pháp trừ, bao gồm lamination ở nhiệt độ cao, các bể tắm nóng độc hại khác nhau, quá trình chữa lành, khoan và mạ. Kết quả rõ ràng là dấu chân carbon thấp hơn cho mỗi đơn vị sản phẩm. Điều này làm cho điện tử in trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các công ty, có thể áp dụng kỹ thuật sản xuất cộng hưởng cho sản phẩm của mình, tiêu chuẩn ngành, yêu cầu của khách hàng và yêu cầu của chính phủ.
Không Mạ
Một trong những tác động tiêu cực lớn về môi trường của việc sản xuất PCB là quá trình mạ điện được sử dụng để phủ kim loại lên các đường mạch hoặc vias. Quá trình này yêu cầu các chất điện phân dẫn điện cao như đồng, niken, hoặc vàng và tiêu thụ một lượng lớn điện năng.
Điện tử in tự nhiên loại bỏ hoàn toàn quá trình này. Các dấu vết dẫn điện được tạo trực tiếp bằng mực dẫn điện in như bạc hoặc carbon, ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ vừa phải. Việc loại bỏ quá trình mạ làm đơn giản hóa sản xuất, giảm độc tính, tăng cường an toàn và yêu cầu không gian hoạt động đáng kể ít hơn.
Quản Lý Chu Kỳ Sống Của Điện Tử
Việc xử lý và tái chế PCB được sản xuất bằng công nghệ trừ ở cuối vòng đời thường được làm từ FR4, một vật liệu không phân hủy sinh học và khó tái chế. Việc tách kim loại và thu hồi vật liệu từ PCB dựa trên FR4 tiêu tốn nhiều năng lượng và thường không khả thi về mặt kinh tế, dẫn đến rác thải điện tử hoặc thiêu đốt với lượng tiêu thụ năng lượng đáng kể.
Công nghệ in điện tử có thể sử dụng các loại nền tảng dễ tái chế hoặc phân hủy sinh học, như giấy hoặc nhựa compostable. Tuy nhiên, người ta cần đảm bảo rằng những vật liệu này có các phê duyệt thích hợp liên quan đến việc sử dụng và ngành công nghiệp. Vì các vật liệu không được ép lớp trong các cấu trúc đa lớp, việc tháo dỡ và thu hồi vật liệu trở nên đơn giản hơn nhiều.
Cơ hội Thiết kế vì Sự Bền vững hoặc Thiết kế Tuần hoàn
Công nghệ in điện tử mở ra cánh cửa cho thiết kế tuần hoàn bằng cách tiềm năng cho phép chủ sở hữu sản phẩm chọn các nền tảng tái chế hoặc phân hủy sinh học, sử dụng các vật liệu không độc hại, ít ảnh hưởng như mực in, và áp dụng thiết kế cho việc tái chế và tháo dỡ vòng kín hỗ trợ quản lý vòng đời sản phẩm điện tử từ nôi đến nôi.
Quản lý vòng đời sản phẩm liên quan đến cuối đời và do đó tái chế, là một lĩnh vực quan tâm đặc biệt và tiềm năng tiến bộ đáng kể về mặt bền vững. Thành phần vật liệu điện tử in cho phép các phương pháp tái chế bền vững hơn với lượng vật liệu tái chế cao hơn, tiêu thụ năng lượng giảm do có ít loại vật liệu tiên tiến cần phân tách, và lượng khí thải độc hại ít hơn.
Các Trường hợp Thực tế Đã Thay đổi Ngành Công nghiệp
Các công ty bao bì thông minh đang tích hợp cảm biến in để theo dõi nhiệt độ, độ ẩm, hoặc sự xâm nhập trái phép, sử dụng các nền tảng giấy hoàn toàn tái chế, cho phép bao bì thông minh mà không làm tăng rác thải điện tử.
Thiết bị chăm sóc sức khỏe đeo được hoặc "tơ nhện điện tử" có thể được in trực tiếp lên da người sử dụng các cảm biến linh hoạt, tương thích với da, được tạo ra thông qua in phụ gia trên vật liệu sinh học phân hủy, để cung cấp chẩn đoán thời gian thực mà không gây ô nhiễm nhựa.
Các công ty năng lượng mặt trời đang khám phá photovoltaic in trên nền nhựa hoặc vải, cho phép tạo ra các tấm pin mặt trời nhẹ, giá rẻ và có thể tái chế, phù hợp cho năng lượng di động hoặc khẩn cấp.
Điện tử In và Thách thức Cần Vượt Qua
Lợi ích về bền vững của điện tử in là rõ ràng, tuy nhiên vẫn còn những thách thức tồn tại. Mực dẫn điện, cụ thể là bạc có thể đắt đỏ, và tác động môi trường tổng thể phụ thuộc vào việc cung cấp vật liệu. Độ bền cơ học, sự mini hóa, và khả năng dẫn điện của điện tử in cũng đang liên tục phát triển so với các bảng mạch in trừ truyền thống.
Sự tiến bộ trong khoa học vật liệu và quy mô kinh tế chắc chắn sẽ dẫn đến việc điện tử in ngày càng trở nên phổ biến. Những phát triển mới trong graphene, bán dẫn hữu cơ, và polyme dẫn điện tái chế đang làm nghiêng cán cân về phía các giải pháp bền vững.
Sự thay đổi trong quy định, nhận thức của người tiêu dùng, và áp lực từ nhà đầu tư sẽ chỉ tiếp tục thúc đẩy nhu cầu về sản xuất thân thiện với môi trường, và điện tử in cung cấp một cách để đáp ứng những yêu cầu đó mà không làm ảnh hưởng đến chức năng hoặc hiệu suất.
Kết luận: Thiết kế vì Sự Bền Vững
Công nghệ điện tử in ấn đại diện cho một công nghệ đột phá và do đó là một sự thay đổi lớn về cách chúng ta có thể đổi mới và thiết kế điện tử, sản xuất, và tổ chức vòng đời điện tử. Bằng cách áp dụng một phương pháp cộng thêm, tác động môi trường thấp, các kỹ sư và chủ sở hữu sản phẩm có thể thiết kế sản phẩm với sự bền vững là một thành phần quan trọng.
Một đổi mới kỹ thuật như điện tử in ấn là một giải pháp khả thi để hỗ trợ các thách thức môi trường toàn cầu đang tăng lên và các quy định nghiêm ngặt hơn. Việc tạo điều kiện cho việc tái chế và giảm thiểu chất thải độc hại, sẽ hỗ trợ thêm cho sự bền vững của nền kinh tế tuần hoàn.
