如何減少汽車中越來越多的電子元件對(duì)環(huán)境的影響？

In2Tec為全球電子垃圾問題帶來了創(chuàng)新閉環(huán)解決方案。

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師正面臨一個(gè)嚴(yán)肅的問題：如何減少汽車中越來越多的電子元件對(duì)環(huán)境的影響？

“堆積如山”的廢棄電子垃圾是一個(gè)逐年惡化的全球性問題。雖然消費(fèi)類電子產(chǎn)品是電子垃圾的主要組成部分，但汽車行業(yè)正在不斷加劇這一混亂局面。隨著實(shí)現(xiàn)每一項(xiàng)新功能的車載處理器的增加，以及看不到盡頭的傳感器泛濫，目前一輛輕型乘用車可包含多達(dá)200個(gè)電子控制單元（ECU）。每個(gè)ECU都有一個(gè)印制電路板（PCBA），其拆卸和回收既困難又昂貴。根據(jù)美國環(huán)保署的報(bào)告，盡管廢棄電路板的部件和材料仍有回收價(jià)值，但大多數(shù)都進(jìn)入了垃圾填埋場。

一些行業(yè)內(nèi)的供應(yīng)商已經(jīng)提出了回收PCBA和改善供應(yīng)鏈下游混亂的解決方案。其中一家電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造公司In2Tec的眼光更為廣闊。公司高管認(rèn)為，電子行業(yè)實(shí)現(xiàn)真正的可持續(xù)發(fā)展需要采用循環(huán)經(jīng)濟(jì)。他們的解決方案將產(chǎn)品創(chuàng)新與閉環(huán)、環(huán)保的PCBA生產(chǎn)和再加工相結(jié)合。公司工程師計(jì)劃在一個(gè)正在開發(fā)的示范設(shè)施中演示該理念。

In2Tec集團(tuán)董事總經(jīng)理Neil Armstrong在接受SAE媒體采訪時(shí)表示：“在消費(fèi)者和政府的推動(dòng)下，電子垃圾問題正變得像塑料袋問題一樣，引起人們的重視?！彼硎?，要從源頭上減少浪費(fèi)，汽車行業(yè)需要積極主動(dòng)，而不是“不情不愿地被人拽到問題跟前。”

他聲稱，In2Tec的目標(biāo)是利用其技術(shù)提供“行業(yè)中可回收率最高”的PCBA。Armstrong表示，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這家總部位于英國凱特林的公司自25年前成立以來一直專注于柔性基板技術(shù)和可持續(xù)電子解決方案。該公司服務(wù)于包括醫(yī)療和航空航天在內(nèi)的一系列工業(yè)領(lǐng)域，保時(shí)捷、阿斯頓·馬丁、科尼賽克以及多家F1和世界拉力賽車隊(duì)都在使用In2Tech提供的“一攬子”HMI解決方案。

In2Tec在英國和中國都設(shè)有工廠，并將三分之一的資源用于研發(fā)。該公司早就意識(shí)到了一個(gè)商業(yè)機(jī)遇，就是將PCBA的制造和回收模式轉(zhuǎn)變?yōu)榭沙掷m(xù)模式。

可以用熱水分解

這種新工藝已經(jīng)研究了10年。在英國技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)的資助下，In2Tec與國家物理實(shí)驗(yàn)室以及Gwent Electronic Materials合作開發(fā)了ReUSE，公司將其描述為一種“終生”的技術(shù)，可以提供能夠重復(fù)利用且未損壞的材料，以供循環(huán)使用。

按照ReUSE規(guī)范制造的PCBA是“可以被‘解壓縮’的，也就是說可以使用熱水[90℃/ 194℉]在一個(gè)3~6分鐘的循環(huán)內(nèi)從柔性基板上移除元器件，”首席技術(shù)官M(fèi)ark Hudman解釋道。整個(gè)過程的耗能極低，其中大部分技術(shù)正在申請(qǐng)專利，分解完成后還能產(chǎn)生一個(gè)干凈的電路板表面，并“使用戶有機(jī)會(huì)重復(fù)利用原基板90%的材料，以及印制電路板上的幾乎所有元件?！?/p>

與之相比，目前至少有十多家公司采用拆卸PCBA的方法，其中包括Boliden Group和Umicore N.V.這樣的巨頭，這種方法需要耗費(fèi)巨大能源和勞力。機(jī)械回收是另一種廣泛使用且原始的辦法，即有選擇地拆卸和粉碎電路板，然后使用磁力或靜電工具收集各種金屬顆粒。還有化學(xué)和熱工藝方法，包括鹽浴和酸浴，采用甲基苯基硅油作為介質(zhì)，通過超聲波將熱量傳遞給PCBA。

Hudman介紹，目前最常見的帶焊接元器件的FR4（環(huán)氧玻璃布層壓板）最多只能回收5%的材料。該工藝同時(shí)適用于柔性和剛性印制電路板。In2Tec可根據(jù)最終應(yīng)用的要求和項(xiàng)目對(duì)可回收性的重視程度提供各種基板材料?！拔覀冇蠵ET（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）和各種塑料，包括納米纖維素結(jié)構(gòu)，后者本質(zhì)上是可生物降解的?！?/p>

實(shí)現(xiàn)In2Tec工藝的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是與合作伙伴Sun Chemical共同開發(fā)的基板材料和導(dǎo)電膠粘劑。Sun Chemical是一家總部位于新澤西的印制電路技術(shù)供應(yīng)商。Hudman說，與傳統(tǒng)的焊料和其他膠粘劑相比，Sun Chemical開發(fā)的膠粘劑可以通過熱水分解，從而快速讓PCBA元器件松動(dòng)。“只要將電路板用熱水浸泡在一個(gè)3~6分鐘的循環(huán)中，就能將基板與元器件的膠粘劑清除多達(dá)90%。除此以外，單單只是濕度或是高溫都不會(huì)將其分解?！盚udman解釋說，該工藝需要按順序施加一些條件，才能達(dá)到“真正有效的解決方案”。

專家們表示，用于PCBA的導(dǎo)電膠粘劑比焊料更柔韌，因此更耐振動(dòng)。它們也適用噴印或標(biāo)繪等應(yīng)用手段。電子膠粘劑供應(yīng)商MasterBond指出，膠粘劑的固化溫度明顯低于無鉛焊錫加工所需的最低溫度450℉（232℃）。快速固化膠粘劑的固化溫度通常在250~350℉（121~177℃）。

Armstrong指出：“我們意識(shí)到，ECU或手機(jī)PCB中的元器件不是全都可以再利用的。但在復(fù)雜程度較低的電子產(chǎn)品中，可以再利用的元器件多得令人難以置信。當(dāng)你重新利用電子元件的那一刻起，甚至是兩次、三次或更多次的時(shí)候，你就為減少生產(chǎn)能耗和溫室氣體排放做出了巨大貢獻(xiàn)。更不用說節(jié)省地球上珍貴的稀有材料了?？茖W(xué)家表示這些材料正在以一種不可恢復(fù)的速度被消耗?！?/p>

為未來解壓

In2Tec集團(tuán)董事總經(jīng)理Neil Armstrong承諾，“可解壓”電子技術(shù)“進(jìn)入門檻非常低”。（In2Tec）

開發(fā)針對(duì)整車應(yīng)用的更先進(jìn)的柔性電子元器件是進(jìn)一步推進(jìn)再利用技術(shù)的必要條件?！叭嵝噪娮油黄屏讼到y(tǒng)架構(gòu)中的設(shè)計(jì)障礙，”Armstrong說?！拔覀円呀?jīng)開發(fā)了可固定在車輛任何位置的印制天線和柔性天線的解決方案以及透明天線在光透鏡中的應(yīng)用，并且為數(shù)據(jù)通信申請(qǐng)了平面扭曲串行對(duì)的專利，這本質(zhì)上就是印制的CAN總線架構(gòu)?！?/p>

集成電子線束和PCBA可能會(huì)淘汰連接器——據(jù)工程師的說法，超過70%的汽車電氣架構(gòu)故障是由連接器造成的。柔性混合電子（FHE）是一種將導(dǎo)電油墨印制在薄膜狀基材上的技術(shù)。福特在2013年Fusion的頂部控制臺(tái)上進(jìn)行過該技術(shù)的小規(guī)模試驗(yàn)，目前大型家電制造商和美國軍方正在對(duì)其進(jìn)行研究。Hudman和Armstrong表示，這一概念可以激發(fā)In2Tec開展進(jìn)一步的可持續(xù)電子創(chuàng)新。

一般來說，當(dāng)革新技術(shù)出現(xiàn)時(shí)，汽車OEM通常會(huì)保持觀望。但Armstrong感覺他們的保守主義在過去的一年里有所緩和?！拔覀冋谂c那些注重可持續(xù)發(fā)展的公司合作，這些公司愿意實(shí)現(xiàn)真正的可持續(xù)發(fā)展，以減少二氧化碳排放?！?/p>

汽車行業(yè)一直缺乏一個(gè)健全且高性價(jià)比的電子產(chǎn)品回收流程。而In2Tec將很快示范其專利方法。Armstrong承諾，客戶使用其閉環(huán)解決方案的“準(zhǔn)入門檻非常非常低”?！敖怄i”微電子電路的旅程才剛剛開始。

電子垃圾泛濫

據(jù)聯(lián)合國估計(jì)，2021年，全球人均產(chǎn)生7.6公斤（16.7磅）電子垃圾，全球共計(jì)5740萬噸，而且該數(shù)字每年都在增長。聯(lián)合國指出，這些混合了有毒物質(zhì)和有價(jià)值物質(zhì)的電子垃圾只有17.4%得到了適當(dāng)?shù)氖占?、處理和回收。?jù)聯(lián)合國全球電子垃圾監(jiān)測（Global E-waste Monitor）的數(shù)據(jù)，中國、美國和印度的電子垃圾總量占全球的38%。即使在電子垃圾回收方面處于世界領(lǐng)先地位的歐盟，也只有35%的電子垃圾得到了正式的收集和回收。全球平均回收率為20%，剩下的80%沒有記錄。在這些垃圾中，沒有一種材料是可生物降解的；大部分垃圾最終將在垃圾填埋場的地下存在幾個(gè)世紀(jì)。

未來的前景并不樂觀：據(jù)聯(lián)合國預(yù)測，到2030年，全球電子垃圾將達(dá)到7400萬噸。這一數(shù)字幾乎是2014年的兩倍，原因是設(shè)計(jì)壽命周期更短的電氣和電子設(shè)備的消耗率更高，維修選擇也很少。

審核編輯：劉清