Waarom is het zo lastig om elektronische apparaten te recyclen?

Elektronische producten worden vaak gebruikt alsof het wegwerpproducten zijn. Scherm stuk? Weg ermee. Computer te traag? Naar de milieustraat. Het gevolg is dat dat elektronisch afval – naast kunststoffen – de snelst groeiende afvalstroom ter wereld is. Dat kan meer circulair. En daaraan werken universiteiten en bedrijven samen in het project Circular Circuits.

In het project werken onderzoekers van zeven Nederlandse universiteiten met bedrijven die zijn gelieerd aan de halfgeleider-industrie aan een nieuwe generatie van circulaire elektronica. Ze willen af van het concept e-waste, willen de levensduur van producten verlengen en willen toewerken naar een volledig gesloten circulaire elektronica economie. Daarnaast willen ze oplossingen bedenken voor het efficiënter gebruiken van grondstoffen, zodat we er minder van nodig hebben.  

Om te werken aan een industriebrede oplossing moet er behoorlijk ingezoomd worden. Fatin Battal en John Schermer van de Radbouw Universiteit richten zich binnen Circular Circuits op de ‘lifetime extending technology (manufacturing)’. Battal: “We richten ons op de betrouwbaarheid van semiconductor-componenten. Op dit moment is het bijna niet mogelijk om de losse chips te vervangen. Het programma Circular Circuits heeft tot doel elektronische componenten zo aan te passen dat ze veel langer meegaan en wel te vervangen en te recyclen zijn.”

Power elektronica

Battal en Schermer onderzoeken chips die worden toegepast in power elektronica. Battal: “Wij richten ons op het vinden van nieuwe materiaalstructuren om tussen de halfgeleiders met het metalen lead-frame een verbinding te creëren die onder extreme omstandigheden toch langdurig blijft functioneren.”

Van lood naar koper

Traditioneel wordt een loodhoudende soldeerverbinding gebruikt om een halfgeleider chip te verbinden met zijn lead-frame. Deze verbindingen zijn heel betrouwbaar en gaan lang mee, maar onder de nieuwe Europese wet- en regelgeving mag loodhoudende soldeer niet meer gebruikt worden, omdat het een toxische stof is. Schermer: “Voor kritische toepassingen worden door de EU echter nog steeds ontheffingen gegeven omdat de loodvrije alternatieven het veel eerder begeven. Bij onderzoek is het onmogelijk gebleken om via een een-op-een vervangend element voor lood de superieure prestaties van een loodhoudende soldeer te evenaren. Sommige goudgebaseerde soldeerverbindingen komen in de buurt, maar dat is weer een zeer kostbare oplossing. Daarom onderzoeken wij nu een fundamenteel andere oplossing waarbij we een nano-getextureerde koperlaag gaan toepassen om de halfgeleider chip met zijn metalen drager te integreren.”

Uitdagingen

Battal: “Om nano-getextureerd  koper te maken, moeten we hele kleine poriën in het koper maken. Dat is wel een uitdaging, want dat is nog nooit gedaan op de manier die wij voor ogen hebben. We willen het format en de dichtheid van de poriën zo goed krijgen dat we een verbinding kunnen maken die net zo goed of zelfs beter is dan de loodhoudende soldeerverbinding.”

De andere projectteams van Circular Circuits kijken naar andere onderdelen van de puzzel: bijvoorbeeld hoe je de materialen uit verschillende kapotte elektronische componenten kunt halen en kunt recyclen. Battal: “Ik hoop over 5 tot 10 jaar te zien dat de oplossing die wij bedacht hebben, geïmplementeerd is in de hele semiconductor-industrie. En wellicht ook wel daarbuiten. Zo dragen we met ons fundamentele onderzoek bij aan het verlengen van de levensduur en circulair maken van onze elektronica.”