زبالههای الکترونیکی با سرعت نگرانکنندهای در محیطزیست انباشته میشوند و بردهای مدار چاپی (PCB) سهم قابل توجهی از این بحران را دارند. استفاده از PCB سبز و مواد زیستپایه میتواند اثرات زیستمحیطی را کاهش داده و فرآیند بازیافت بردهای PCB را سادهتر، کمهزینهتر و کارآمدتر کند.
در همین چارچوب، باشگاه علومپایه و فناوری یونسکو با هدف ترویج علم، تقویت سواد علمی و حمایت از نوآوریهای مبتنی بر علومپایه، میتواند نقش مؤثری در آگاهیبخشی درباره فناوریهای سبز و اقتصاد چرخشی در صنعت الکترونیک ایفا کند. پژوهشگران و مهندسان با تمرکز بر فناوریهای نوین PCB و توسعه مواد پایدار، در تلاشاند تولید دستگاههای الکترونیکی سازگار با محیطزیست را به واقعیت نزدیکتر کنند.
سرمایهگذاری در این حوزه نهتنها به حفاظت از طبیعت و کاهش بحران زبالههای الکترونیکی کمک میکند، بلکه زمینهساز شکلگیری کسبوکارهای دانشبنیان، فرصتهای شغلی نوین و رشد اقتصادی پایدار خواهد بود؛ مسیری که با تقویت علوم پایه و فرهنگسازی علمی شتاب بیشتری میگیرد.
بردهای مدار چاپی FR4 و چالشهای بازیافت در صنعت الکترونیک
بردهای مدار چاپی (PCB) هسته اصلی هر دستگاه الکترونیکی هستند؛ از تلویزیون و لپتاپ گرفته تا تجهیزات پزشکی و حسگرهای اینترنت اشیا. رایجترین نوع آنها، FR4، از فایبرگلاس بافتهشده برای استحکام و رزین اپوکسی برای اتصال و عایقکاری ساخته میشود، در حالی که خطوط مسی نقش مسیرهای رسانا را ایفا میکنند. مزیت FR4 مقاومت بالا، کندسوزی و دوام طولانی آن است.
با این حال، بازیافت بردهای PCB FR4 بسیار دشوار و انرژیبر است؛ زیرا رزین گرماسخت پس از پخت دیگر نرم نمیشود و تنها روشهای خرد کردن یا تجزیه حرارتی باقی میماند. مواد کندسوز برمدار هنگام سوختن گازهای سمی تولید میکنند و بخش عمده غیر فلزی اغلب به محل دفن زباله منتقل میشود. فلزات ارزشمندی مانند طلا و مس قابل بازیابی هستند، اما طبق گزارش سازمان ملل (UN Global E-waste Monitor 2024)، در سال ۲۰۲۲ بیش از ۶۲ میلیارد کیلوگرم زباله الکترونیکی تولید شد و کمتر از یکچهارم آن به طور رسمی بازیافت گردید.
شکل 1) برد FR4 یکی از اجزای حیاتی هر دستگاه دیجیتال است.
Soluboard: نخستین PCB کاملاً بازیافتپذیر جهان
شرکت بریتانیایی Jiva Materials با معرفی برد Soluboard، انقلابی در PCB سبز ایجاد کرده است. این برد با استفاده از الیاف Lyocell تولید میشود؛ نوعی الیاف بازتولیدشده از سلولز گیاهی مانند بامبو یا اکالیپتوس. حلال مورد استفاده برای استخراج سلولز نیز قابل بازیابی و استفاده مجدد است. مزیت اصلی Soluboard کاهش انتشار کربن است؛ مصرف انرژی و پلاستیک آن نسبت به FR4 تا ۶۸ درصد کاهش یافته و حدود ۵۹۰ گرم پلاستیک در هر متر مربع صرفهجویی میشود.
استیون درایور، مدیرعامل Jiva، میگوید: «لیوسل محصولی اکسترودشده است و امکان ایجاد بافت منظم وجود دارد. هزینه آن نسبت به جوت ۱۵ تا ۲۰ درصد بیشتر است، اما نسبت به کتان هشت برابر ارزانتر است.»
برد Soluboard از ترکیب پلیوینیلالکل اصلاحشده و الیاف طبیعی به همراه کندسوز فسفر-محور ساخته شده و جایگزین نوع برمدار FR4 شده است. حدود ۷۰ درصد ماده پلیمر و ۲۵ تا ۳۰ درصد تقویتکننده الیافی دارد.
ویژگی بازیافتپذیری بردهای PCB: ترموپلاستیک به جای گرماسخت
برد FR4 نوعی پلاستیک گرماسخت است که پس از ترکیب دائمی با دیگر مواد، عملاً قابل جداسازی و بازیافت کامل نیست. در مقابل، Soluboard یک ترموپلاستیک نوآورانه است که میتوان پلیمرهای آن را تفکیک و دوباره وارد چرخه تولید کرد. این برد در آب با دمای حدود ۹۰ درجه سانتیگراد تجزیه میشود و امکان بازگشت مواد آن به چرخه بازیافت بردهای PCB را فراهم میسازد.
مهندس محمود واجیه از دانشگاه گلاسگو میگوید: «سطح Soluboard بدون نیکل است، بنابراین بازیابی مس و طلا سادهتر شده و انگیزه برای ایجاد اقتصاد چرخشی زبالههای الکترونیکی افزایش مییابد.»
در همین راستا، «باشگاه علومپایه و فناوری یونسکو» با هدف ترویج علم و حمایت از نوآوریهای مبتنی بر شیمی پلیمر، علم مواد و مهندسی پایدار، میتواند بستری برای معرفی و توسعه چنین فناوریهایی فراهم کند. این رویکرد نشان میدهد چگونه پیوند میان علومپایه و فناوریهای نوین، راهکارهای عملی برای کاهش بحران زبالههای الکترونیکی و تقویت اقتصاد چرخشی ارائه میدهد.
تحقیقات و پروژههای اروپایی در حوزه PCB سبز و بازیافت بردهای الکترونیکی
Hyperlignum؛ پروژه اتحادیه اروپا برای تولید PCB زیستپایه از ضایعات چوب: پروژه Hyperlignum در اتحادیه اروپا با هدف توسعه PCB زیستپایه از ضایعات چوب، گامی مهم در مسیر الکترونیک پایدار برداشته است. در این طرح از سلولز و لیگنین ـ دو پلیمر طبیعی موجود در چوب و پوست درختان ـ برای تولید برد مدار چاپی دوستدار محیطزیست استفاده میشود. سلولز مهمترین پلیمر تجدیدپذیر و زیستتخریبپذیر جهان است و لیگنین نیز به عنوان پلیمر طبیعی مقاوم، استحکام ساختاری چوب را تأمین میکند.
در فرآیند تولید این برد مدار چاپی سبز، سلولز در آسیاب دیسکی خرد شده و سپس خمیر حاصل تحت فشار به تختهای سخت بهعنوان بستر PCB تبدیل میشود. مسیرهای رسانا روی این بستر چاپ شده و قطعات الکترونیکی روی آن نصب و لحیم میشوند؛ فرآیندی که امکان تولید PCB قابل بازیافت و پایدار را فراهم میکند.
محققان مؤسسه Empa نیز بردی «سبز» عمدتاً متشکل از سلولز و مقدار کمی لیگنین توسعه دادهاند که در یک موس زیستتخریبپذیر بهکار رفته است.
در این پژوهش که در نشریه Scientific Reports (DOI: 10.1038/s41598-025-91653-1) منتشر شده، ویژگیهای مکانیکی، پایداری ابعادی، خواص الکتریکی و رسانایی حرارتی این PCB چوبپایه مورد ارزیابی قرار گرفته است. این پروژه نمونهای شاخص از حرکت صنعت الکترونیک به سمت اقتصاد چرخشی، کاهش زباله الکترونیکی و توسعه بردهای مدار چاپی زیستتخریبپذیر در اروپاست.
CircEl·Paper؛ تولید بردهای مدار چاپی چندلایه کاغذی در مسیر اقتصاد چرخشی: پروژه CircEl·Paper با توسعه بردهای مدار چاپی چندلایه کاغذی، رویکردی نوین برای طراحی PCB سبز و قابلبازیافت ارائه کرده است. در این طرح بهجای بسترهای پلاستیکی، از کاغذ مهندسیشده استفاده میشود؛ راهکاری که میتواند به کاهش زبالههای الکترونیکی کمک کند. گرهارد دومان از Fraunhofer-Gesellschaft نیز تأکید میکند که زیرساخت گسترده بازیافت کاغذ، تحقق اقتصاد چرخشی را آسانتر میکند.
در پس این نوآوری، علومپایه نقش کلیدی دارند: شیمی در بهبود ساختار سلولز و افزایش مقاومت آن، فیزیک در تحلیل رسانایی و پایداری حرارتی، و علم مواد در طراحی لایههای چندگانه و بهینهسازی عملکرد بردهای کاغذی. این پشتوانه علمی، مسیر الکترونیک پایدار را هموار میسازد.
چالشهای استفاده از مواد زیستپایه در صنعت الکترونیک و PCB قابل بازیافت
استفاده از مواد زیستپایه مانند چوب و کاغذ در تولید PCB سبز با چالشهایی همراه است. سلولز به دلیل داشتن گروههای هیدروکسیل رطوبت جذب میکند و در محیط مرطوب متورم میشود؛ موضوعی که میتواند باعث اختلال در اتصالات الکتریکی یا حتی کوتاهمداری شود.
همچنین مقاومت حرارتی این مواد نسبت به فایبرگلاس در بردهای FR4 کمتر است. به همین دلیل در برخی نمونهها مانند Soluboard از لحیم قلع-بیسموت با نقطه ذوب پایین استفاده میشود که مصرف انرژی را تا ۴۰٪ کاهش میدهد.
با وجود تورم ۰.۸ تا ۰.۹۵ درصدی در رطوبت بالا، این بردهای مدار چاپی زیستپایه همچنان برای کاربردهای داخلی و اداری مناسب هستند.
در این میان، علومپایه نقش تعیینکننده دارند: شیمی در کاهش جذب رطوبت و اصلاح ساختار مواد، و فیزیک و علم مواد در بهبود پایداری حرارتی و الکتریکی. این دانش علمی مسیر توسعه PCBهای پایدارتر را هموار میکند.
ویتریمرها؛ فناوری نوین دانشگاه واشینگتن برای بازیافت PCB
پژوهشگران University of Washington روی توسعه ویتریمرها (Vitrimers) کار کردهاند؛ پلیمرهای شبکهای پیشرفتهای که در دمای اتاق سخت هستند اما در دماهای بالاتر قابلیت بازآرایی و ترمیم دارند. این ویژگی، امکان تعمیر، بازسازی و بازیافت مؤثر بردهای مدار چاپی (PCB) را فراهم میکند.
با ترکیب ویتریمر و الیاف شیشهای، نمونههای آزمایشی PCB قابل بازیافت ساخته شدهاند که شامل حسگرهای بیسیم اینترنت اشیا (IoT) هستند. در فرآیند بازیافت این بردها، ۹۱٪ پلیمر و ۱۰۰٪ الیاف شیشهای با موفقیت بازیابی شد؛ دستاوردی مهم برای توسعه الکترونیک پایدار و اقتصاد چرخشی.
نتایج این پژوهش در نشریه Nature Sustainability (DOI: 10.1038/s41893-024-01333-7) منتشر شده و گامی مهم در مسیر کاهش زبالههای الکترونیکی به شمار میرود.
مقایسه تخصصی انواع PCB در صنعت الکترونیک پایدار
| نوع PCB | قابلیت بازیافت | مقاومت حرارتی | پایداری زیستمحیطی | کاربرد رایج |
| FR4 | محدود | بالا | پایین | الکترونیک عمومی |
| Soluboard | بالا | متوسط | بالا | تجهیزات مصرفی |
| برد سلولزی | متوسط | متوسط-پایین | بالا | کاربرد داخلی |
| ویتریمر | بالا | بالا | متوسط-بالا | IoT و نمونههای پیشرفته |
| FR2 | پایین | متوسط | متوسط | اسباببازی، لوازم خانگی |
| FR3 | پایین | متوسط | متوسط | لوازم الکترونیکی متوسط |
رشد بازار جهانی PCB سبز و فرصتهای پایدار
بازار جهانی بردهای مدار چاپی (PCB) حدود ۹۵ میلیارد دلار ارزش دارد و با تشدید قوانین کاهش زبالههای الکترونیکی و اجرای مقررات «حق تعمیر»، تقاضا برای PCB سبز و پایدار بهسرعت در حال افزایش است. این شرایط تولیدکنندگان را به سمت توسعه بردهای دوستدار محیطزیست و جایگزینهای نوآورانه برای FR4 سوق داده است.
آزمایشها نشان میدهد Soluboard قادر است فرکانسهای بالای ۴ گیگاهرتز مانند WiFi، Bluetooth و RFID را پشتیبانی کند و با استانداردهای ارتباطات مدرن و اینترنت اشیا (IoT) سازگار است. علاوه بر این، بردهای این شرکت بهگونهای طراحی شدهاند که در کارخانههای استاندارد تولید PCB بدون نیاز به تغییرات قابل استفاده باشند و تولید روزانه آنها در حال انجام است. این روند نشان میدهد که بازار PCB سبز نه تنها پتانسیل محیطزیستی دارد، بلکه فرصتهای اقتصادی و نوآوریهای فناورانه قابل توجهی را نیز فراهم میکند.
ترویج علم و نسل جوان با فناوری PCB سبز
بردهای مدار چاپی سبز نمونهای روشن از پیوند میان شیمی، مهندسی مواد و اقتصاد چرخشی هستند. آموزش و ترویج این فناوریها میتواند نسل جوان را به کاهش زبالههای الکترونیکی و حرکت بهسوی نوآوری در فناوریهای پایدار ترغیب کند.
در این مسیر، باشگاه علومپایه و فناوری یونسکو با هدف ترویج علم و تقویت فرهنگ پژوهش، نقش مهمی در آگاهیبخشی و توانمندسازی دانشآموزان و دانشجویان ایفا میکند. دانش حاصل از این پژوهشها و پروژهها زمینهای فراهم میسازد تا نسل جدید بتواند دستگاههای هوشمند دوستدار محیطزیست طراحی کند و سهمی مؤثر در توسعه الکترونیک پایدار و تحقق اقتصاد چرخشی داشته باشد.
منبع: SCI