Un nouveau matériau de substrat pour l'électronique flexible pourrait aider à lutter contre les déchets électroniques

Les déchets électroniques constituent un problème mondial en croissance rapide, et la situation devrait s'aggraver avec la production de nouveaux types d'électronique flexible pour la robotique, les appareils portables, les moniteurs de santé et d'autres nouvelles applications, y compris les appareils à usage unique.

Un nouveau type de matériau de substrat flexible développé au MIT, à l'Université de l'Utah et chez Meta a le potentiel de permettre non seulement le recyclage des matériaux et des composants à la fin de la vie utile d'un appareil, mais également la fabrication évolutive de circuits multicouches plus complexes que ceux fournis par les substrats existants.

Le développement de ce nouveau matériau est décrit cette semaine dans la revue RSC : Applied Polymers , dans un article du professeur du MIT Thomas J. Wallin, du professeur de l'Université de l'Utah Chen Wang et de sept autres.

« Nous reconnaissons que les déchets électroniques constituent une crise mondiale permanente qui ne fera que s'aggraver à mesure que nous continuons à fabriquer de plus en plus d'appareils pour l'Internet des objets et que le reste du monde se développe », explique Thomas Wallin, professeur adjoint au département de science et d'ingénierie des matériaux du MIT. Jusqu'à présent, de nombreuses recherches universitaires sur ce sujet ont visé à développer des alternatives aux substrats conventionnels pour l'électronique flexible, qui utilisent principalement un polymère appelé Kapton, un nom commercial pour le polyimide.

La plupart de ces recherches se sont concentrées sur des matériaux polymères entièrement différents, mais « elles ignorent en réalité l’aspect commercial de ces matériaux, à savoir pourquoi les gens les ont choisis au départ », explique Thomas Wallin. Le Kapton présente de nombreux avantages, notamment d’excellentes propriétés thermiques et isolantes et une disponibilité immédiate des matériaux de base.

Le marché mondial du polyimide devrait représenter 4 milliards de dollars d'ici 2030. « On le trouve partout, dans tous les appareils électroniques », y compris dans des pièces telles que les câbles flexibles qui relient les différents composants de votre téléphone portable ou de votre ordinateur portable, explique Chen Wang. Il est également largement utilisé dans les applications aérospatiales en raison de sa grande tolérance à la chaleur. « C'est un matériau classique, mais il n'a pas été modernisé depuis trois ou quatre décennies », explique-t-il.

Cependant, il est également pratiquement impossible de faire fondre ou de dissoudre le Kapton, ce qui le rend impossible à retraiter. Ces mêmes propriétés rendent également plus difficile la fabrication de circuits dans des architectures avancées, telles que l'électronique multicouche. La méthode traditionnelle de fabrication du Kapton consiste à chauffer le matériau à une température comprise entre 200 et 300 degrés Celsius. « C'est un processus plutôt lent. Cela prend des heures », explique Chen Wang.

Le matériau alternatif développé par l’équipe, qui est lui-même une forme de polyimide et devrait donc être facilement compatible avec l’infrastructure de fabrication existante, est un polymère photopolymérisable similaire à ceux utilisés actuellement par les dentistes pour créer des obturations résistantes et durables qui durcissent en quelques secondes grâce à la lumière ultraviolette. Cette méthode de durcissement du matériau est non seulement relativement rapide, mais elle peut également fonctionner à température ambiante.

Le nouveau matériau pourrait servir de substrat pour des circuits multicouches, ce qui permettrait d'augmenter considérablement le nombre de composants pouvant être intégrés dans un petit format. Auparavant, comme le substrat Kapton ne fondait pas facilement, les couches devaient être collées ensemble, ce qui ajoutait des étapes et des coûts au processus. Le fait que le nouveau matériau puisse être traité à basse température tout en durcissant très rapidement à la demande pourrait ouvrir des possibilités pour de nouveaux dispositifs multicouches, explique Chen Wang.

En ce qui concerne la recyclabilité, l’équipe a introduit dans le squelette du polymère des sous-unités qui peuvent être rapidement dissoutes par une solution d’alcool et de catalyseur. Les métaux précieux utilisés dans les circuits, ainsi que des puces électroniques entières, peuvent ensuite être récupérés à partir de la solution et réutilisés pour de nouveaux appareils.

« Nous avons conçu le polymère avec des groupes esters dans la chaîne principale », contrairement au Kapton traditionnel, explique Chen Wang. Ces groupes esters peuvent être facilement brisés par une solution assez douce qui élimine le substrat tout en laissant le reste du dispositif intact. Chen Wang note que l’équipe de l’Université de l’Utah a cofondé une entreprise pour commercialiser la technologie. 

« Nous décomposons le polymère en ses petites molécules d’origine. Nous pouvons ensuite récupérer les composants électroniques coûteux et les réutiliser », ajoute Thomas Wallin. « Nous sommes tous conscients de la pénurie de puces et de certains matériaux dans la chaîne d’approvisionnement. Les minéraux de terres rares qui entrent dans la composition de ces composants sont très précieux. Nous pensons donc qu’il existe désormais un énorme intérêt économique, ainsi qu’un intérêt environnemental, à mettre en place ces processus de récupération de ces composants. »

L'équipe de recherche comprenait Caleb Reese et Grant Musgrave de l'Université de l'Utah, ainsi que Jenn Wong, Wenyang Pan, John Uehlin, Mason Zadan et Omar Awartani du Reality Labs de Meta à Redmond, Washington. Les travaux ont été soutenus par un fonds de démarrage du Price College of Engineering de l'Université de l'Utah.

https://news.mit.edu/2024/new-substrate-flexible-material-could-help-combat-electronic-waste-0806