新型柔性电子基板材料有助于减少电子垃圾

电子废弃物，或称电子垃圾，是一个迅速增长的全球性问题，并且随着为机器人、可穿戴设备、健康监测器和其他新应用（包括一次性设备）生产的新型柔性电子产品的出现，预计情况将进一步恶化。

麻省理工学院、犹他大学和Meta公司开发的一种新型柔性基板材料，不仅有可能在设备使用寿命结束时实现材料和组件的回收，而且能够比现有基板更大规模地制造更复杂的多层电路。

本周，《RSC：应用聚合物》期刊上发表了一篇论文，介绍了这种新材料的开发情况，论文作者包括麻省理工学院教授托马斯·J·沃林、犹他大学教授陈王以及其他七位研究人员。

“我们认识到，随着物联网设备的不断增加以及世界其他地区的发展，电子废弃物这一全球性危机只会日益严重，”沃林说，他是麻省理工学院材料科学与工程系的助理教授。迄今为止，这一领域的大部分学术研究都旨在开发柔性电子产品的传统基板替代品，这些基板主要使用一种名为Kapton的聚合物，这是聚酰亚胺的商品名。

大多数此类研究都集中在完全不同的聚合物材料上，但沃林表示，“这实际上忽略了它的商业方面，即人们为什么从一开始就选择了这些材料。”Kapton具有许多优点，包括出色的热性能和绝缘性能，以及原材料的易得性。

据预测，到2030年，聚酰亚胺业务将成为价值40亿美元的全球市场。“它无处不在，基本上在每个电子设备中都有，”王解释说，包括你手机或笔记本电脑内部连接不同组件的柔性电缆等部件。由于其高耐热性，它也被广泛用于航空航天应用。“这是一种经典材料，但已有三四十年没有更新过了，”他说。

然而，Kapton几乎无法熔化或溶解，因此无法再加工。同样的特性也使得将电路制造成多层电子等高级架构变得更加困难。制作Kapton的传统方法是将材料加热到200至300摄氏度之间。“这是一个相当缓慢的过程。需要数小时，”王说。

研究团队开发出的替代材料本身就是一种聚酰亚胺，因此应该很容易与现有的制造基础设施兼容，它是一种光固化聚合物，类似于牙医现在用来制作坚固耐用填充物的材料，这些填充物在几秒钟内就能通过紫外线光固化。这种材料硬化的方法不仅相对较快，而且可以在室温下操作。

新材料可以用作多层电路的基板，这提供了一种方法，可以大大增加可以封装在小尺寸中的组件数量。以前，由于Kapton基板不易熔化，各层必须粘合在一起，这增加了工艺步骤和成本。王说，新材料可以在低温下处理，同时又能根据需要迅速硬化，这可能会为新型多层设备开辟可能性。

至于可回收性，研究团队在聚合物主链中引入了亚基，这些亚基可以通过酒精和催化剂溶液迅速溶解。然后，可以从溶液中回收电路中使用的贵金属以及整个微芯片，并用于新设备。

“我们在聚合物主链中设计了酯基，”王解释说，这与传统的Kapton不同。这些酯基可以通过一种相当温和的溶液轻松分解，该溶液在去除基板的同时不会损坏设备的其余部分。王指出，犹他大学团队已经共同创立了一家公司来商业化这项技术。

“我们将聚合物分解成其原始的小分子。然后我们可以收集昂贵的电子元件并重新使用它们，”沃林补充道。“我们都知道芯片和一些材料的供应链短缺问题。这些组件中的稀土矿物非常有价值。因此，我们认为现在有很大的经济激励，以及环境激励，来推动这些组件回收流程。”