20 mai 2021

Rendre les produits électroniques plus recyclables

Par beasys


Cet article fait partie de la série de conception de systèmes: RoHS et matériaux critiques

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Ce que vous apprendrez:

  • Quels métaux et non-métaux SVHC n’ont actuellement pas d’alternatives commercialement viables?
  • Problèmes liés au respect des certifications EPEAT et au maintien des performances de conception des produits.
  • Principes de base pour le recyclage de l’électronique.

L’Union européenne (UE) a ouvert la voie à l’application des objectifs de collecte et de recyclabilité en 2003 avec sa directive DEEE (Déchets d’équipements électriques et électroniques). Peu de temps après, la directive européenne sur l’éco-conception de 2008 a publié des lignes directrices pour la conception de produits qui prennent en compte l’ensemble du cycle de vie du produit. Ces mesures ont été renforcées avec l’amendement de 2018 à la directive-cadre de l’UE sur les déchets (DCE), qui a commencé à promouvoir fortement le développement d’une économie circulaire.

Certains des objectifs clés de l’économie circulaire comprennent la réduction des substances dangereuses susceptibles de devenir des déchets en soutenant la substitution des substances préoccupantes et la mise à disposition des informations sur le contenu des produits aux opérateurs de traitement des déchets et aux recycleurs. le chiffre montre un cycle de vie du produit à partir des matières premières jusqu’à la conception et la production, l’utilisation du produit, la réutilisation si possible, suivi de la collecte et du recyclage dans le même cercle. Seule une petite production de déchets résiduels est indiquée sur la gauche.

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La source: https://ec.europa.eu/easme/en/news/r2-supporting-transition-circular-economy. Réimprimé sans modification sous http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/. © Union européenne, 1995-2021

Des programmes volontaires de certification environnementale pour certains produits sont également en place – et ne sont en fait pas du tout volontaires si le client exige de les respecter pour l’approvisionnement. Parmi eux, le programme EPEAT pour l’électronique de haute technologie géré par le Global Electronics Council. Les types d’équipement suivants sont actuellement couverts, énumérés ici avec leurs normes industrielles associées.

  • Ordinateurs et écrans: IEEE 1680.1
  • Équipement d’imagerie: IEEE 1680.2
  • Téléviseurs: IEEE 1680.3
  • Téléphones mobiles: UL 110
  • Modules photovoltaïques et onduleurs: NSF / ANSI 457
  • Serveurs: NSF / ANSI 426-2018

Ces types de certifications utilisent une série d’évaluations qui permettent au fabricant de gagner des points pour répondre aux critères minimaux. Les questions comprennent l’attention portée à la sélection des matériaux lors de la conception du produit pour éviter les substances et les matériaux toxiques, et la prise en compte d’autres types d’impact environnemental négatif. La capacité du produit à être réutilisé puis recyclé en fin de vie est une autre catégorie qui rapporte des points en vue de la certification.

Dix groupes de substances ont déjà été réglementés à moins de 0,1% (0,01% pour le cadmium et ses composés) par la directive RoHS de l’UE (Restriction of Hazardous Substances). Étant donné que de nombreux fabricants opèrent dans le monde entier, ces restrictions ont été largement adoptées par les principaux équipementiers.

Cependant, pour les entreprises qui n’exercent pas d’activité sur le marché de l’UE, et en fait toutes celles qui exigent l’utilisation d’exemptions RoHS pour la performance et la fiabilité des produits, certaines substances dangereuses peuvent encore être présentes. En réalité, la plupart des substances restantes ne peuvent pas simplement être conçues ou remplacées par des choix disponibles pour les concepteurs de produits d’aujourd’hui.

Depuis janvier 2021, les produits entrant sur le marché de l’UE doivent désormais déclarer publiquement les substances extrêmement préoccupantes (SVHC) dans une nouvelle base de données appelée SCIP (substances contenues dans les produits) (voir «Nouvelles exigences de déclaration de l’UE pour les substances extrêmement préoccupantes”).

La plupart des ingénieurs électroniciens éviteront probablement de consulter la liste complète des SVHC de quelque 211 substances de ce type dans le cadre de la directive européenne REACH (Agence européenne des produits chimiques, enregistrement, évaluation et autorisation des produits chimiques). Mais il y a de fortes chances que quelqu’un dans votre entreprise le fasse, et ce qui suit est offert comme information pratique que vous devriez savoir maintenant.

Un regard plus attentif sur les candidats SVHC

Deux métaux en particulier – le plomb et le cadmium – sont tous deux interdits par RoHS et répertoriés comme SVHC sous REACH. Cependant, ils sont toujours nécessaires en petites quantités pour des types spécifiques de performances et de fiabilité de l’appareil qui peuvent être autorisés dans le cadre d’exemptions RoHS spécifiques. Voici une courte liste de certaines des utilisations les plus courantes de ces métaux dans les composants pour lesquels il n’existe actuellement aucun substitut commercialement viable:

  • Plomb dans les alliages d’acier usinables jusqu’à 0,35% par matériau homogène.
  • Plomb dans les alliages d’aluminium usinables jusqu’à 0,4% par matériau homogène.
  • Plomb dans les alliages de cuivre comme le laiton jusqu’à 4,0% par matériau homogène.
  • Le plomb dans le verre, auquel cas le plomb est présent sous une forme oxydée combinée avec d’autres substances liées dans le verre.
  • Le plomb dans la soudure à haute température, utilisé pour la fiabilité des composants tels que les semi-conducteurs de puissance, et dans les applications où un processus de brasage à deux températures est requis.
  • Le plomb dans les composants céramiques tels que les capteurs et transducteurs piézoélectriques au plomb et au titanate de zirconium (PZT).
  • Cadmium dans des alliages comme l’oxyde de cadmium d’argent pour les contacts de commutation et de relais à courant élevé.

Les non-métaux qui sont des SVHC peuvent également être trouvés dans certaines applications:

  • Plastifiants phtalates non-RoHS restreints restants dans les matériaux souples et les polymères comme le polychlorure de vinyle (PVC). Ceux-ci peuvent généralement inclure une isolation et des joints de fils et de câbles.
  • Divers plastiques peuvent nécessiter l’utilisation de retardateurs de flamme pour la sécurité incendie qui sont SVHC mais pas du type restreint RoHS. Dechlorane Plus en est un exemple.
  • Les siloxanes (appelés D4, D5 et D6) qui sont des résidus de faible niveau de la fabrication de polymères de polysiloxane peuvent être trouvés dans les joints et les mastics.
  • Composés perfluorés, comme l’acide perfluorobutane sulfonique (PFBS). De petites quantités peuvent rester dues à la fabrication de plastiques antiadhésifs autolubrifiants ou d’autres produits finis contenant des fluoropolymères.

Conception pour les lacunes de l’environnement

Les certifications environnementales des produits comme EPEAT exigent que les aspects du cycle de vie du produit soient pris en compte, y compris la fin de vie et la récupération des matériaux. Au niveau du produit, le concepteur est confronté à des choix limités lorsqu’il s’agit de s’assurer que, tout d’abord, le produit fonctionnera comme prévu sur le terrain et atteindra ses objectifs de fiabilité déclarés. Même les produits électroniques de consommation de base doivent résister à certains chocs et vibrations, à des variations de température, etc.

Cela soulève un défi technique fondamental: comment garantir l’intégrité du produit pendant son utilisation tout en lui permettant d’être facilement démonté et fractionné en matériaux séparés par un recycleur.

Au niveau des composants, tels que les passifs, les semi-conducteurs discrets et les circuits intégrés, au-delà des terminaisons «sans plomb», et de certains dispositifs ne contenant par nature aucune SVHC, aucune alternative vraiment intéressante n’est possible. Considérez la nature du circuit intégré lui-même: plusieurs matériaux sont déposés en couches minces sur un substrat, qui est en outre emballé dans un boîtier en plastique thermodurci, ou au minimum pourvu de bosses soudables. Il n’y a pas ici de choix de conception pratique pour une puce «recyclable», du moins pas maintenant.

De même, le concepteur a peu ou pas de choix dans la sélection des cartes de circuits imprimés (PWB). Certains choix sont disponibles dans le retardateur de flamme utilisé qui peut éviter le brome ou d’autres halogènes. Des recherches ont été menées sur des processus coûteux pour séparer la charge de verre et les métaux du PWB lui-même pour recycler chimiquement le stratifié, mais ces approches possibles ne sont pas encore largement adoptées et sont néanmoins destinées à fonctionner sur les matériaux d’aujourd’hui. Les circuits flexibles peuvent être montés directement sur un boîtier métallique, qui présente ses propres problèmes de démontage. Et un hybride traditionnel a les mêmes problèmes avec divers matériaux généralement adhérés à un substrat d’alumine.

Même si un assemblage PWB principal lui-même peut être rendu amovible, le démontage manuel n’est pas susceptible de se produire dans une opération pratique de recyclage à grand volume, en particulier pour les produits plus petits. Les produits d’aujourd’hui avec des écrans en verre posent également le problème du recyclage du verre lui-même, sans parler des semi-conducteurs à couche mince comme les LED qui font partie intégrante des écrans.

Un dilemme similaire existe avec les écrans tactiles utilisant des capteurs tactiles capacitifs à oxyde d’indium-étain visuellement transparents. Seuls les produits plus grands avec des enceintes métalliques séparées sont quelque peu meilleurs du point de vue d’une éventuelle séparation en flux de recyclage utiles avant un traitement ultérieur.

Aujourd’hui n’est pas si mal après tout

Le problème fondamental de l’électronique recyclable est vraiment la nécessité d’avoir à la fois des conducteurs (ou semi-conducteurs) et des isolants présents en même temps. L’un sans l’autre ne peut pas permettre à l’électricité de base de fonctionner et de fonctionner en toute sécurité. Et pour les produits pratiques, ils doivent être en contact étroit et robuste soit par des processus de fabrication internes, par moulage, extrusion ou assemblage avec soudure ou adhésifs.

Les conducteurs ont tendance à être à base de métaux, tandis que les isolants sont généralement à base de carbone (définis comme «organiques» par les chimistes). Et si les matériaux conducteurs pouvaient également être à base de carbone? En fait, de tels matériaux font l’objet de recherches et incluent des candidats comme les nanotubes de carbone; polymères comme le polyacétylène, le polypyrrole, la polyaniline, le sulfure de polyphénylène, PEDOT (polyéthylènedioxythiophène); et TCNQ (tétracyanoquinodiméthane).

Outre le fait que ceux-ci ne sont généralement pas prêts à être ramassés et utilisés par le concepteur, ils apporteraient un autre résultat encore pire – maintenant ils ne pourraient plus facilement être séparés pour être recyclés, contrairement aux matériaux métalliques et organiques. Les matières plastiques ayant des propriétés conductrices auraient un potentiel de réutilisation limité.

Principes de base et recommandations

Les clés du recyclage aujourd’hui reposent sur quelques principes de base qui fonctionnent réellement:

  • Densité: La capacité du matériel à être déchiqueté et rétréci permet le tri en fractions utiles qui peuvent être traitées ultérieurement pour la récupération du matériau. Les matériaux à très faible densité comme les étiquettes et les charges peuvent ensuite être flottés vers le haut ou retirés du reste du flux.
  • Température: Les métaux ne fondent qu’à une température élevée au-dessus de laquelle la plupart des matières organiques ne peuvent survivre sans brûler. Les différentes propriétés de fusion des différents métaux permettent en outre leur séparation en métaux purs utiles ou en alliages par des fonderies de métaux dédiées. Un assemblage entièrement en carbone ne pourrait pas en profiter.
  • Propriétés spéciales: Les alliages ferreux peuvent être triés par aimants. L’aluminium et d’autres fractions peuvent être triés avec la technologie des courants de Foucault. Dans certains cas, le tri optique peut être utilisé pour trier davantage d’autres matériaux comme les plastiques en fractions utiles.

En bref, garder les métaux comme conducteurs et le carbone, le verre ou la céramique comme isolants n’est pas vraiment une mauvaise idée. Et le taux en vigueur pour la ferraille métallique peut donner des rendements financiers positifs.

Avec tout cela à l’esprit, il semble qu’il ne nous reste aujourd’hui que quelques recommandations pour le concepteur de produits électroniques:

  • Continuez à rechercher les composants et les matériaux ayant la plus faible teneur en substances préoccupantes et la plus faible empreinte environnementale dans la mesure du possible.
  • Demandez de tels composants et matériaux à vos fournisseurs pour créer une demande.
  • De petites substitutions d’additifs aux matières premières peuvent être possibles; par exemple, certains des SVHC utilisés pour améliorer les produits polymères qui ne sont pas essentiels à la performance peuvent en fait avoir des alternatives disponibles.
  • Pensez à la manière dont votre produit pourrait utiliser des approches totalement nouvelles; par exemple, au lieu de processus soustractifs comme l’usinage, envisagez des processus additifs tels que l’impression 3D.
  • Puisque l’auteur n’a pas d’autres grandes balles magiques à offrir pour le moment, chaque petit pas en avant est précieux. Mais ne prenez pas ce court article comme le dernier mot. Relevez le défi et aidez à ouvrir une voie plus large vers l’économie circulaire.