Sustainable ELECTronics Assembly Utilizing Plastic Waste
Projekt aplikovaného výzkumu řešený v období 04/2024-06/2026
Cílem projektu je návrh, realizace a testování nového způsobu výroby desek plošných spojů (DPS) osazených součástkami a tvořící funkční celek (elektronický obvod) s využitím odpadního plastu, který bude tvořit alespoň 50 % hmotnosti základního substrátu. Ten bude vyráběn pomocí technologie 3D tisku z polymerního vlákna (filamentu), splňujícího požadavky pro použití v elektronice z hlediska materiálových vlastností a hořlavosti. Jeho vývoj je dílčím cílem projektu. Proběhne analýza tohoto materiálu a optimalizace jeho složení; dále testování a optimalizace postupu výroby vícevrstvé DPS využívající zapouzdření součástek. Tento alternativní postup bude šetrný k životnímu prostředí, bude významně redukovat toxické látky využívané v konvenční výrobě a výrobky budou opětovně recyklovatelné.
Plánovanými výsledky projektu jsou funkční vzorek nehořlavé tiskové struny z recyklovaných materiálů, užitný vzor nehořlavé tiskové struny z recyklovaných materiálů, souhrnná výzkumná zpráva shrnující výsledky výzkumu a vývoje alternativního technologického postupu výroby desek plošných spojů a recenzovaný odborný článek popisující hlavní výsledky projektu.
Řešitel projektu: Ing. Petr Veselý, Ph.D.
Další řešitel: Ing. Alena Kadeřábková, Ph.D. (Vysoká škola chemicko-technologická, Fakulta chemické technologie, Ústav polymerů)
Kód projektu: SS07020107
Poskytovatel: Technologická agentura České Republiky
Programová výzva: Prostředí pro život, 7. VS
Popis projektu na portálu STARFOS: https://starfos.tacr.cz/projekty/SS07020107
Tento projekt je spolufinancován ze státní podpory Technologické agentury ČR v rámci Programu Prostředí pro život. Tento projekt je financován v rámci Národního plánu obnovy z evropského Nástroje pro oživení a odolnost.
VÝSLEDKY PROJEKTU
Publikace
- Zdráhal, J.; Reinšteinová, L.; Koc, D.; Uřičář, J.; Dušek, K.; Veselý, P.
3D Printed Circuit Boards from Recycled Plastics: Conductive Pattern Properties
In: 2025 International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE). New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2025. ISSN 2161-2536. ISBN 979-8-3315-1217-0. - Uřičář, J.; Chodounská, A.; Benešová, V.; Brožek, J.; Kalousková, R.
Coupled Thermogravimetric Analysis-Potentiometric Titration for Complex Analysis of Poly(vinyl chloride) Thermal Stability
ACS Measurement Science, 2025, 5, 1, 70–73, https://doi.org/10.1021/acsmeasuresciau.4c00090
Samozhášivá struna pro 3D tisk na bázi PVC/PVAc
V rámci projektu byl vyvinut a vyroben termoplastický filament na bázi homopolymeru polyvinyl chloridu (PVC) a kopolymeru vinyl chloridu s vinylacetátem (PVC/PVAc). Tento materiál se běžně využívá pro výrobu gramofonových desek, pro výrobu filamentu byla využita odpadní drť z této výroby. Výhodou tohoto filamentu je jeho přirozená samozhášivá schopnost, která vyplývá z jeho chemického složení. Tato vlastnost je klíčová pro seriózní využití v oblasti elektrotechniky. U tohoto materiálu není tedy potřeba přídavek retardérů hoření, které by mohly, mimo jiné, naopak zhoršovat jeho mechanické vlastnosti. V rámci projektu probíhá výroba filamentu na pracovišti Ústavu polymerů, VŠCHT Praha pomocí vytlačovacích strojů ve dvou krocích – dvoušnekový stroj je využit k míchání odpadní drti a tvorbě granulátu, který slouží jako vstupní surovina pro vytlačování filamentu pomocí jednošnekového stroje.
Bylo ověřeno, že takto vyrobený filament je možné využít v běžných desktopových tiskárnách založených na FDM technologii (Fused Depositing Modeling). V rámci projektu probíhalo testování na komerčních tiskárnách Prusa MK4 a Bambulab X1E. Z filamentu je možné tisknout i složitější struktury, které vyžadují náročnější tiskový proces zahrnující různé rychlosti tisku, přejezdy extruzní hlavy, retrakce filamentu, tisk přemostění atp. Podle složení vstupní drti (může být s výhodou využita různobarevná, která se již nedá dále recyklovat přímo v rámci výroby gramofonových desek) se mění barva filamentu od tmavě zelené (khaki) po černou.
Digitální záznam funkčního vzorku této samozhášivé tiskové struny na bázi PVC/PVAc je k dispozici ZDE. Výsledku bylo dosaženo 12/2025. Dále je v řízení přihláška užitného vzoru s pořadovým číslem PUV 2025-43014.
Vlastnosti 3D tištěných těles z vyrobeného filamentu
V následující tabulce jsou shrnuty nejdůležitější materiálové vlastnosti, které byly zjištěny u zkušebních těles vytištěných z vyrobeného filamentu na bázu PVC/PVAc. Protože v rámci projektu slouží materiál primárně jako náhrada substrátu pro desky plošných spojů, v tabulce jsou také uvedeny materiálové vlastnosti nejběžnějšího komerčního substrátu pro DPS s označením FR4.
| Vlastnost a jednotka | PVC/PVAc | FR4 |
|---|---|---|
| Teplota skelného přechodu (°C) | 71-74 | 130-180 |
| Mechanická pevnost v tahu (MPa) | 46-55 | 63 |
| Youngův modul pružnosti (GPa) | 0,2-0,6 | 22 |
| Objemová rezistivita (MOhm.cm) | 4 × 10^10 | 2 × 10^9 |
| Povrchová rezistivita (MOhm) | 1 × 10^9 | 4 × 10^6 |
| Relativní permitivita při 1 MHz (-) | 2,7 | 4,7 |
| Ztrátový činitel při 1 MHz (-) | 0,04 | 0,014 |
| Elektrická pevnost (kV/mm) | 22 | 40 |
| Kategorie samozhášivosti dle UL94 | V-0 | V-0 |
Vytvořená samozhášivá struna pro 3D tisk může být využita pro různé aplikace v elektrotechnice, například pro výrobu různých izolačních krytů (šasi) elektrotechnických a elektronických zařízení, kde je díky 3D tisku možné dosáhnout nestandardních tvarů či přizpůsobit návrh modelu potřebám zákazníka bez nutnosti měnit vstřikolisovou formu; pro konstrukční izolační prvky a komponenty, například distanční podložky, průchodky; dále pak pro tištěnou elektroniku a funkční elektronické celky, kde je struna využita pro tisk izolačního nosného substrátu pro zapouzdření (mechanickou fixaci) elektronických součástek a následný potisk elektricky vodivou suspenzí (inkoustem) tlustovrstvými technologiemi pro vytvoření příslušného funkčního elektrického obvodu. Ve spojení s výrobou struny z odpadního materiálu se pak jedná o ekologicky šetrnou alternativu ke konvenční výrobě desek plošných spojů. Díky přirozené samozhášivé schopnosti materiálu a absenci aditiv ve formě retardérů hoření nedochází, na rozdíl od komerčně dostupných filamentů s totožnou kategorií samozhášivosti V-0, ke zhoršení mechanických vlastností. Na následujícím grafu je vidět porovnání mechanické pevnosti v tahu s komerčně dostupnými alternativami (zkratka FR značí flame retardant – u filamentů se samozhášivou schopností).
Alternativní technologický postup výroby osazené desky plošných spojů
Tradiční způsob výroby desek plošných spojů zahrnuje ekologicky náročné chemické procesy. V rámci projektu byl s využitím materiálu z odpadního plastu popsaného výše navržen postup výroby, který využívá aditivní technologie a zcela eliminuje použití toxických látek. Tento postup byl optimalizován pro výrobu oboustranných DPS, které tvoří významnou část produkce v České republice i ve světě (odhadem okolo 50 %). Zároveň tento postup řeší i připojení součástek na DPS bez použití pájení, které významným způsobem také přispívá k emisní stopě díky vysoké energetické náročnosti.
Celkový technologický proces se skládá z několika dílčích kroků. Izolační substrát je vyroben technologií FDM, která umožňuje vytvoření otvorů pro vložení součástek. Ty jsou posléze do substrátu vloženy a plně zapuštěny. Po vložení součástek dochází ke slisování substrátu, což zajistí mechanickou fixaci součástek a zároveň eliminaci typické textury 3D tištěného povrchu a snížení drsnosti. Elektricky vodivé propojení je realizováno ve dvou krocích: technologií sítotisku jsou vytvořeny vodivé cesty mezi součástkami na obou stranách DPS; technologií šablonového tisku pak spoje součástek. Pro obě technologie je možné využít stejnou elektricky vodivou pastu/inkoust, která se následně tepelně vytvrdí. Posledním krokem je tvorba elektrického propojení mezi vrstvami, které je realizováno kovovými nýty, které mohou být do substrátu vlisovány jednoduchým pákovým nýtovačem. Jako alternativní technologii pro depozici elektricky vodivé pasty lze využít automatickou dispenzi (tisk) z kartuše, která je vhodná např. pro prototypování a umožňuje promptní změny návrhu DPS.
Optimalizace výrobních parametrů a selekce materiálů
Popsaný výrobní postup zahrnuje relativně velké množství parametrů a nastavení, které bylo potřeba optimalizovat s ohledem na používané materiály. Primární otázkou bylo tepelné vytvrzování elektricky vodivé pasty na bázi stříbra, protože většina materiálů dostupných na trhu vyžaduje pro získání dostatečných elektrických vlastností teploty vytvrzování vyšší než 100 °C, což přesahuje významně teplotní odolnost 3D tištěného substrátu z filamentu na bázi PVC/PVAc. Z toho důvodu byla vybrána pasta od společnosti Dycotec (P1), kterou je možné vytvrdit i za pokojových teplot. Nicméně pro dosažení lepších elektrických vlastností byla provedena optimalizace vytvrzování za zvýšené teploty. V následující tabulce jsou uvedeny optimalizované parametry vytvrzování a výsledné elektrické vlastnosti vodivé vrstvy na substrátu z PVC/PVAc. Vytvrzování bylo realizováno v průmyslové horkovzdušné sušárně.
V rámci projektu byla testována také elektricky vodivá pasta na bázi mědi od společnosti Elantas (P2), která má potenciálně menší dopad na životní prostředí a je ekonomicky výhodnější. Obdobným postupem vytvrzování bylo dosaženo sice významně horších, ale stále pro určité spektrum aplikací dostatečných elektrických vlastností. Bylo nicméně zjištěno, že je nedostatečná stabilita těchto vrstev v čase. Významná degradace vlastností byla pozorována již po několika týdnech skladování při normálních podmínkách. Žádnou formou povrchové ochrany se v rámci projektu nepodařilo této degradaci zabránit, a proto byla tato pasta z dalšího výzkumu v rámci projektu vyřazena. Kvůli potenciálním výhodám past na bázi mědi je ale tento směr více než zajímavý pro další možnosti pokračování projektu.
| Pasta | Typ vodivých částic | Teplota vytvrzování | Čas vytvrzování | Výsledný odpor na čtverec |
|---|---|---|---|---|
| P1 | Stříbro | 65 °C | 3 hodiny | 129 ± 13 mΩ |
| P2 | Měď | 65°C | 4 hodiny | 744 ± 229 mΩ |
Dalším kritickým bodem je elektrické propojování vrstev pro výrobu oboustranných DPS. V této souvislosti byly testovány tři možné způsoby: vyplnění průchozího otvoru v DPS vodivou pastou (a), lisovaný spoj ve formě kovového nýtu (b) a vložení měděné preformy („drátku“) do průchozího otvoru (c). Tyto způsoby propojení jsou vidět na následujícím obrázku, který zobrazuje DPS v řezu. První způsob se ukázal jako nefunkční vzhledem k objemovému úbytku pasty během vytvrzování; dojde zde ke vzniku dutiny, která brání spolehlivému elektrickému propojení. Zbývající dvě varianty se ukázaly jako funkční i spolehlivé. Využití nýtů se nicméně jeví jako výhodnější s ohledem na jejich dostupnost na trhu, vyšší opakovatelnost procesu a větší mechanickou robustnost spoje.
Vlastnosti spojů součástek
Pro kvalitní a spolehlivou elektronickou montáž je zásadní znalost vlastností spojů, které realizují připojení součástek k desce plošných spojů. Tyto spoje mají dva základní úkoly: mechanickou fixaci a elektrické propojení se zbytkem elektrického obvodu. U tradiční montáže jsou tyto spoje realizovány pomocí technologie pájení, případně elektricky vodivým lepením (electrically conductive adhesive – ECA). V případně tohoto alternativního postupu je mechanická fixace zajišťována především zapuštěním součástek do substrátu a následným slisováním, menší měrou pak samotným spojem z vodivé pasty, který zajišťuje především elektrické propojení. Následující graf ukazuje porovnání síly potřebné k vytržení součástky z DPS, zjištěné pomocí destrukční zkoušky adheze metodou Component Push-off (v souladu s IEC 60115-1), pro alternativní montáž bez a s použitím slisování a dále pro tradiční spoj realizovaný na FR4 desce pomocí ECA. Z hlediska elektrických vlastností je alternativní montáž srovnatelná se spoji ECA – přechodový odpor spoje mezi terminálem součástky a elektricky vodivou vrstvou se u obou typů propojení pohybuje okolo 30 mΩ. Pájené spoje zde nebyly zahrnuty do hodnocení, protože představují zcela odlišný – metalurgický – typ spoje.
Výroba demonstračních obvodů
Souběžně s testováním dílčích vlastností DPS vyrobených navrženou metodikou výroby jsou vyráběny funkční demonstrační DPS pro ověření využitelnosti postupu pro reálné aplikace. V první fázi projektu byl navržen a vyráběn jednoduchý jednostranný demonstrátor, obsahující integrovaný obvod NE555 a zapojení pro blikání LED. Tento demonstrátor ověřil konektivitu pomocí integrovaného USB konektoru a robustnost montáže díky integraci odporového trimru, jehož spoje jsou během používání mechanicky namáhány uživatelem. V letech 2024-2025 bylo v rámci projektu těchto demonstrátorů vyrobeno více než 50 pro demonstraci potenciálu k hromadné výrobě. Z důvodu omezených možností laboratorní výroby filamentu byl využíván pro výrobu také komerční filament z recyklovaných PET lahví, který má obdobné vlastnosti i teplotní odolnost jako materiál typu PVC/PVAc.
Na základě zkušeností s výrobou jednostranných demonstrátorů pak byl navržen a úspěšně realizován demonstrátor s využitím oboustranné DPS. Zde se jedná o středně komplikovanou montáž obsahující různé typy součástek a pouzder – pasivní prvky (rezistory, keramické a tantalové kondenzátory, tlumivky), aktivní prvky (diody, krystal přesného času), mechanické prvky (mikrospínače) a integrované obvody v pouzdrech SOP8 a SOP16. Návrh vychází z katalogového zapojení použitého čipu RDA5807FP, a slouží jako jednoduchý FM přijímač. Jedná se o příklad vysokofrekvenčního obvodu, čímž se aplikační oblast pro navržený způsob montáže dále rozšiřuje.
Pilotní testování spolehlivosti
V rámci projektu je prováděno pilotní testování spolehlivosti elektronické montáže na zkušebních DPS pomocí cíleně degradačních testů. Pro zvýšení odolnosti DPS proti vlivům okolního prostředí byly také testovány různé varianty povrchových úprav/ochran – akrylátový lak pro ochranu stříbrných vrstev, 3D tisk dodatečné krycí polymerní vrstvy a aplikace krycí polymerní vrstvy pomocí lisu. Následující obrázky demonstrují, že aplikace akrylátového laku významně přispívá k ochraně povrchu stříbrných vrstev proti černání povrch z důvodu vzniku sulfidu stříbrného, pokud je DPS vystavena prostředí s určitou koncentrací sirných sloučenin. Na druhou stranu bylo prokázáno, že koroze povrchu vrstev nemá významný vliv na jejich elektrickou vodivost a funkčnost elektrického obvodu. Jedná se však o nechtěný vizuální efekt; zároveň může mít tato povrchová vrstva vliv na kontaktovatelnost vrstvy (kritické například pro konektory – tento aspekt bude předmětem dalšího výzkumu a vývoje).
Zkušební DPS se součástkami jsou dále testovány v teplotně-šokové komoře, kde docházelo k prudkým změnám teplot od +50 °C do -20 °C. Toto rozmezí bylo zvoleno na základě předpokládaného využití DPS v reálné aplikaci s ohledem na teplotní meze použitých materiálů. Následující graf poskytuje průběžné výsledky destrukční zkoušky pro adhezi součástek (viz výše) před a po šokové zkoušce (400 cyklů o délce 30 minut). Pokud bereme v potaz relativní změnu vůči počátku měření, lze konstatovat, že u lepených spojů (ECA) docházelo dokonce k vyšší míře degradace než u spojů alternativní montáže. Z toho lze vyvodit, že jsou zde ve větší rovnováze koeficienty teplotní roztažnosti jednotlivých použitých materiálů, a tak nedochází k mechanickému oslabení spojů v takové míře. Výjimku tvoří zkušební DPS s nalisovanou krycí vrstvou, kde docházelo vlivem prudkého střídání teplot k delaminaci způsobující poškození vodivé vrstvy. Pro využití této povrchové ochrany je zapotřebí optimalizace lisovacího procesu k zajištění dostatečné adheze krycí vrstvy. V době tohoto testování ještě nebylo prováděno slisování DPS pro lepší mechanickou fixaci součástek. Další spolehlivostní zkoušky budou následovat.
