如何减少汽车中越来越多的电子元件对环境的影响？

In2Tec为全球电子垃圾问题带来了创新闭环解决方案。

电子系统设计师正面临一个严肃的问题：如何减少汽车中越来越多的电子元件对环境的影响？

“堆积如山”的废弃电子垃圾是一个逐年恶化的全球性问题。虽然消费类电子产品是电子垃圾的主要组成部分，但汽车行业正在不断加剧这一混乱局面。随着实现每一项新功能的车载处理器的增加，以及看不到尽头的传感器泛滥，目前一辆轻型乘用车可包含多达200个电子控制单元（ECU）。每个ECU都有一个印制电路板（PCBA），其拆卸和回收既困难又昂贵。根据美国环保署的报告，尽管废弃电路板的部件和材料仍有回收价值，但大多数都进入了垃圾填埋场。

一些行业内的供应商已经提出了回收PCBA和改善供应链下游混乱的解决方案。其中一家电子产品设计和制造公司In2Tec的眼光更为广阔。公司高管认为，电子行业实现真正的可持续发展需要采用循环经济。他们的解决方案将产品创新与闭环、环保的PCBA生产和再加工相结合。公司工程师计划在一个正在开发的示范设施中演示该理念。

In2Tec集团董事总经理Neil Armstrong在接受SAE媒体采访时表示：“在消费者和政府的推动下，电子垃圾问题正变得像塑料袋问题一样，引起人们的重视。”他表示，要从源头上减少浪费，汽车行业需要积极主动，而不是“不情不愿地被人拽到问题跟前。”

他声称，In2Tec的目标是利用其技术提供“行业中可回收率最高”的PCBA。Armstrong表示，为了实现这一目标，这家总部位于英国凯特林的公司自25年前成立以来一直专注于柔性基板技术和可持续电子解决方案。该公司服务于包括医疗和航空航天在内的一系列工业领域，保时捷、阿斯顿·马丁、科尼赛克以及多家F1和世界拉力赛车队都在使用In2Tech提供的“一揽子”HMI解决方案。

In2Tec在英国和中国都设有工厂，并将三分之一的资源用于研发。该公司早就意识到了一个商业机遇，就是将PCBA的制造和回收模式转变为可持续模式。

可以用热水分解

这种新工艺已经研究了10年。在英国技术战略委员会的资助下，In2Tec与国家物理实验室以及Gwent Electronic Materials合作开发了ReUSE，公司将其描述为一种“终生”的技术，可以提供能够重复利用且未损坏的材料，以供循环使用。

按照ReUSE规范制造的PCBA是“可以被‘解压缩’的，也就是说可以使用热水[90℃/ 194℉]在一个3~6分钟的循环内从柔性基板上移除元器件，”首席技术官Mark Hudman解释道。整个过程的耗能极低，其中大部分技术正在申请专利，分解完成后还能产生一个干净的电路板表面，并“使用户有机会重复利用原基板90%的材料，以及印制电路板上的几乎所有元件。”

与之相比，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.这样的巨头，这种方法需要耗费巨大能源和劳力。机械回收是另一种广泛使用且原始的办法，即有选择地拆卸和粉碎电路板，然后使用磁力或静电工具收集各种金属颗粒。还有化学和热工艺方法，包括盐浴和酸浴，采用甲基苯基硅油作为介质，通过超声波将热量传递给PCBA。

Hudman介绍，目前最常见的带焊接元器件的FR4（环氧玻璃布层压板）最多只能回收5%的材料。该工艺同时适用于柔性和刚性印制电路板。In2Tec可根据最终应用的要求和项目对可回收性的重视程度提供各种基板材料。“我们有PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）和各种塑料，包括纳米纤维素结构，后者本质上是可生物降解的。”

实现In2Tec工艺的一项关键技术是与合作伙伴Sun Chemical共同开发的基板材料和导电胶粘剂。Sun Chemical是一家总部位于新泽西的印制电路技术供应商。Hudman说，与传统的焊料和其他胶粘剂相比，Sun Chemical开发的胶粘剂可以通过热水分解，从而快速让PCBA元器件松动。“只要将电路板用热水浸泡在一个3~6分钟的循环中，就能将基板与元器件的胶粘剂清除多达90%。除此以外，单单只是湿度或是高温都不会将其分解。”Hudman解释说，该工艺需要按顺序施加一些条件，才能达到“真正有效的解决方案”。

专家们表示，用于PCBA的导电胶粘剂比焊料更柔韧，因此更耐振动。它们也适用喷印或标绘等应用手段。电子胶粘剂供应商MasterBond指出，胶粘剂的固化温度明显低于无铅焊锡加工所需的最低温度450℉（232℃）。快速固化胶粘剂的固化温度通常在250~350℉（121~177℃）。

Armstrong指出：“我们意识到，ECU或手机PCB中的元器件不是全都可以再利用的。但在复杂程度较低的电子产品中，可以再利用的元器件多得令人难以置信。当你重新利用电子元件的那一刻起，甚至是两次、三次或更多次的时候，你就为减少生产能耗和温室气体排放做出了巨大贡献。更不用说节省地球上珍贵的稀有材料了。科学家表示这些材料正在以一种不可恢复的速度被消耗。”

为未来解压

In2Tec集团董事总经理Neil Armstrong承诺，“可解压”电子技术“进入门槛非常低”。（In2Tec）

开发针对整车应用的更先进的柔性电子元器件是进一步推进再利用技术的必要条件。“柔性电子突破了系统架构中的设计障碍，”Armstrong说。“我们已经开发了可固定在车辆任何位置的印制天线和柔性天线的解决方案以及透明天线在光透镜中的应用，并且为数据通信申请了平面扭曲串行对的专利，这本质上就是印制的CAN总线架构。”

集成电子线束和PCBA可能会淘汰连接器——据工程师的说法，超过70%的汽车电气架构故障是由连接器造成的。柔性混合电子（FHE）是一种将导电油墨印制在薄膜状基材上的技术。福特在2013年Fusion的顶部控制台上进行过该技术的小规模试验，目前大型家电制造商和美国军方正在对其进行研究。Hudman和Armstrong表示，这一概念可以激发In2Tec开展进一步的可持续电子创新。

一般来说，当革新技术出现时，汽车OEM通常会保持观望。但Armstrong感觉他们的保守主义在过去的一年里有所缓和。“我们正在与那些注重可持续发展的公司合作，这些公司愿意实现真正的可持续发展，以减少二氧化碳排放。”

汽车行业一直缺乏一个健全且高性价比的电子产品回收流程。而In2Tec将很快示范其专利方法。Armstrong承诺，客户使用其闭环解决方案的“准入门槛非常非常低”。“解锁”微电子电路的旅程才刚刚开始。

电子垃圾泛滥

据联合国估计，2021年，全球人均产生7.6公斤（16.7磅）电子垃圾，全球共计5740万吨，而且该数字每年都在增长。联合国指出，这些混合了有毒物质和有价值物质的电子垃圾只有17.4%得到了适当的收集、处理和回收。据联合国全球电子垃圾监测（Global E-waste Monitor）的数据，中国、美国和印度的电子垃圾总量占全球的38%。即使在电子垃圾回收方面处于世界领先地位的欧盟，也只有35%的电子垃圾得到了正式的收集和回收。全球平均回收率为20%，剩下的80%没有记录。在这些垃圾中，没有一种材料是可生物降解的；大部分垃圾最终将在垃圾填埋场的地下存在几个世纪。

未来的前景并不乐观：据联合国预测，到2030年，全球电子垃圾将达到7400万吨。这一数字几乎是2014年的两倍，原因是设计寿命周期更短的电气和电子设备的消耗率更高，维修选择也很少。

审核编辑：刘清