Jste zde

Plošný spoj ve stínu ekologických cílů

Robert Peška , 16. Srpen 2021 - 8:09

Green Deal, nulové emise uhlíku, elektromobilita, snižování energetické náročnosti budov a čtvrtá průmyslová revoluce staví své cíle na využívání elektroniky. Tu ovšem neumíme ekologicky a udržitelně vyrobit ani recyklovat.

Evropa mé velké ambice v ochraně klimatu a budování nové dynamické, inovativní a udržitelné ekonomiky. Změny v průmyslu, dopravě, energetice i stavebnictví jsou z velké části závislé na moderní elektronice. Její vývoj i výroba by měly raketově růst. V duchu hesla Evropské komise „Nejde o to jestli ano, jde o to, jak“ se zatím nikdo nezamyslel nad samotnou elektronikou, na které budoucí úspěch plánu z velké části stojí.

Nedostatek zdrojů

První výstrahu dostává evropský trh nyní. Průmysl, z velké části orientovaný na výrobu automobilů, se seznamuje s tím, jak funguje výroba čipů. Automobilky, zvyklé na svoji dominantní pozici, braly elektroniku jako samozřejmost, kde rozhodovala cena. Nakoupíme kdekoli, ale hlavně levně. Jen několik výrobců v sektoru automotive si budovalo své vztahy s výrobci čipů. Jejich vize se naplnila. Kdo má pevně nasmlouváno vítězí, pro ostatní je žhavým tématem alokace výrobních kapacit.
Samotná elektromobilita již nyní vzbuzuje velkou otázku dostupnosti drahých kovů, potřebných nejen pro výrobu baterií v očekávaném množství. Jde i o tak běžný materiál, jakým je měď. Již zde je nutné přiznat, že Evropa v podstatě žádné zdroje nemá. Špinavá část procesu v podobě těžby i prvotního zpracování kovových rud a rafinace čistých kovů jistě zůstane v zemích, kde zdroje jsou. Geografická i společenská vzdálenost pomůže zakrýt také podmínky, za kterých tyto materiály získáme, ať jde o zdroje potřebné energie, vliv na životní prostředí nebo pracovní podmínky v různých zemích.
Stejný problém jako u kovů lze očekávat i u plastů, bez kterých se moderní elektronika prakticky neobejde. Jejich zdrojem je z 99% ropa a její zpracování, které je také energeticky náročné. Dokud je zdrojem energie uhlí, zemní plyn nebo jiný ropný derivát, jsou náklady akceptovatelné. S využitím jiných zdrojů energie bude výroba plastů výrazně dražší.

Ekodesign výrobků s otazníkem

Plány udržitelné dopravy a průmyslové revoluce mají zatím jedinou konkrétní vizi, kterou je elektromobilita. Co dalšího se změní? V různých verzích memorand najdeme pouze hesla jako zlepšení energetické účinnosti a ekodesign výrobků nebo budování infrastruktury pro alternativní paliva.
Jak má vypadat ekodesign a zda se konečně přestaneme vyhýbat problémů celého životního cyklu výrobků, není jasné. Že se to týká především elektroniky ukazuje příklad kategorii IoT zařízení, kde máme k dispozici konkrétní čísla.
Celosvětový prodej IoT zařízení v roce 2020 představoval kolem 100 mld USD, v roce 2025 se předpokládá 400 mld USD, tedy čtyřnásobný nárůst. Ve stejném roce 2020 byl celosvětový objem elektroodpadu 50 milionů tun a toto číslo poroste zatím o cca 3-5% ročně. Problémem IoT zařízení i spotřební elektroniky je poměrně krátká životnost, běžně 3-5 let. U větších zařízení životnost dosahuje kolem 10 let. Alternativní ekologové tvrdí, že je nutné prodloužit životnost zařízení. Neuvědomují si specifika elektroniky, mezi která patří změny elektrických parametrů miniaturních součástek, včetně senzorů. S rostoucím časem a vlivem prostředí klesá přesnost všech součástek. Tento proces je nevratný, má vliv na funkci výrobku i jeho bezpečnost pro obsluhu. S časem rostou i požadavky a rizika, spojená se softwarovým vybavením. Pro pamětníky stačí uvést Y2K, téměř tříletou schizofrenii celého IT sektoru, který si nebyl jistý, co se stane 1.ledna 2000. Využívání technicky přestárlé elektroniky má tolik rizik, že není akceptovatelné.
Je proto jasné, že růst prodeje IoT zařízení bude se zpožděním doprovázet růst objemu elektronického odpadu, a ten nedokážeme v Evropě uspokojivě recyklovat. Současným řešením je prodej do třetích zemí, ve skutečnosti vysypání na skládku kdesi v Africe nebo Asii. Obrázky chudých dětí mezi deskami z počítačů tak doplní tisíce tun malých krabiček, ze kterých bude vytloukání součástek kamenem ještě složitější.
Když IoT technologie vyčleníme jako samostatný segment nodů a senzorů, které jsou na trhu zhruba čtyři roky, čas, kdy doslouží první série přichází právě nyní. Současná generace senzorů, využívajících umělou inteligenci, postavená na kamerách a edge computingu, vytvoří odpadu ještě více.
K problematice ekodesignu v současnosti začíná v EU nové kolo diskuzí. V zorném poli úředníků jsou tentokrát zejména chytré telefony a tablety, tématem je univerzální konektor pro nabíjení a vyměnitelná baterie. IoT zařízení nebo průmyslová elektronika zřejmě žádný ekodesign nepotřebují. Politické cíle jsou postaveny na možnostech takových zařízení, včetně elektroniky pro vozidla, ale zdroje ani životní cyklus elektroniky nijak neřeší. Poslední iniciativou EU v oblasti elektronického odpadu je dohledatelná směrnice Waste from Electrical and Electronic Equipment (WEEE) z roku 2012, která otázku elektronického odpadu otevírá v kapitole 8 v rozsahu jedné strany A4, přičemž se odvolává na ještě starší směrnici 2008/98/ES. Ta se věnuje odpadu obecně. I když směrnice všem členským státům ukládá povinnost recyklovat, způsob provedení odpovídá duchu doby a současný stav je jeho výsledkem. Na druhou stranu je nutno objektivně přiznat, že spotřební elektronika i IT komponenty, z nichž dnes pochází většina diskutovaných plošných spojů, se v Evropě ve velkém vyráběly naposled kolem roku 1995, kdy většina korporací tento byznys opustila úplně nebo svoji výrobu přesunula do Asie. Proto se k odpovědnosti za recyklaci zatím všichni staví spíše jako dovozci zboží, nikoli jako výrobci, kteří potřebují materiál a suroviny.

Plošný spoj a ekologie

Ekodesign elektronických výrobků má hned dvě slabé stránky. Vedle plastů má výraznou ekologickou stopu také plošný spoj:

výroba desky je postavena na zdrojích drahých kovů,
zpracování plošného spoje má řadu chemických kroků (ekologická likvidace zbytkových chem. látek je drahá a energeticky náročná, současné způsoby zpracování vedle CO2 produkují řadu toxických plynů)
ekologicky a ekonomicky proveditelná recyklace není v současnosti v Evropě dostupná

Že jde o nemalý problém dokumentuje i to, že z 50 milionů tun elektroodpadu činí plošné spoje cca 5%. Chytré technologie, potřebné pro průmysl, energetiku i dopravu tento podíl dále zvednou. I když jsou současné desky spojů výrobně levné, jejich správná recyklace je naopak velmi drahá, vzhledem k nutnosti separace materiálů s rozlišením v řádu desetin milimetru.
Pro komerční využití zatím nejsou k dispozici žádné alternativy současných sklolaminátových desek a výrobní technologie. U flexibilních desek se lze setkat v omezené míře s využitím termoplastů, které usnadní separaci vrstev při recyklaci. Další, spíše výzkumné projekty, počítají s využitím aditivní výroby všech vrstev desky včetně dielektrika.
Pokroky přináší také materiálové inženýrství, kdy se plošné spoje v podstatě vrací ke svým začátkům a jako nosný materiál mají papír nebo bavlnu. Tento výzkum biodegradovatelných materiálů zatím naráží nejen na cenový rozdíl ve srovnání s tradičními technologiemi, ale také na fyzikální vlastnosti včetně tepelné zatížitelnosti, tepelné vodivosti pro chlazení nebo izolačních vlastností pro vysoké frekvence. Řada problémů, které bude při aplikaci nových materiálů třeba vyřešit, připomíná zavádění bezolovnatého pájení podle směrnice RoHS. Směrnice je v platnosti od roku 2002 již v několikáté verzi, a přesto výjimkami obsluhuje řadu technologických limitů bezolovnatého pájení.

Dočká se Evropa vlastní recyklace?

Popsané problémy se zdroji drahých kovů i plastů se v podstatě točí okolo recyklace. Suroviny nebo součástky do Evropy dovezeme, po ukončení životnosti vyvezeme odpad v různých stádiích zpracování. Materiál, získaný z recyklace opět dovážíme. Recyklace elektroniky tak může stát zdrojem materiálu pro evropské výrobce. Je proto pravděpodobné, že během dalších deseti let se elektronika dostane mezi body zelené agendy jako zdroj problémů a nevyužitá příležitost. Nad tím vším visí zásadní otázka, jestli se Green Deal v Evropě prosadí jako příležitost a skutečně nasměruje průmysl k produkci s velkou přidanou hodnotou, kam elektronika beze sporu patří, nebo zda za cenu vysokých ekologických cel a emisních poplatků bude elektroniku dál dovážet z Asie.