Fatin Battal
Fatin Battal

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 moet een stuk meer circulair. En dat is precies waar John Schermer en Fatin Battal van de Radboud Universiteit aan werken binnen het project Circular Circuits.

E-waste

Een groot probleem met elektronica is dat er veel materialen voor nodig zijn. Sinds de jaren 70 is de hoeveelheid materialen die we uit de aarde halen voor onze elektronica verdrievoudigd tot 90 miljard ton. En de verwachting is dat dit tegen 2050 nog eens twee tot drie keer zo veel zou zijn. Dat betekent dat we steeds meer grondstoffen nodig hebben, terwijl de voorraden opraken. De EU geeft 34 grondstoffen de status ‘kritiek’: economisch cruciaal, en met een hoog risico op leveringsproblemen (bron). Het merendeel van deze kritische grondstoffen zijn halfgeleider materialen en metalen die we gebruiken voor onze elektronica.  

En daar lopen we tegen een aantal problemen aan, vertelt John Schermer, universitair hoofddocent Applied Materials Science:

‘De grondstoffen zijn schaars, en we gebruiken ze niet efficiënt. We hebben er steeds meer van nodig. Het delven van deze materialen is vaak echter gevaarlijk en leidt tot negatieve milieu-effecten, zoals klimaatverandering en een afname van biodiversiteit. Daarnaast gebruiken we onze elektronica relatief kort, waardoor de materialen waaruit ze bestaan al snel als afval worden bestempeld. De materialen worden nauwelijks teruggewonnen, waardoor we steeds afhankelijker worden van een beperkt aantal leveranciers. Het recyclen van materialen is lastig en slecht verwerkte e-waste leidt bovendien tot vervuiling en gezondheidsrisico’s.’

Circular Circuits  

In het project Circular Circuits 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 voor het verlengen van de levensduur van elektronica, moet er behoorlijk ingezoomd worden. Battal (promovendus bij Applied Material Science) en Schermer richten zich binnen Circular Circuits op de ‘lifetime extending technology (manufacturing)’. Battal: ‘We richten ons op de betrouwbaarheid van semiconductor-componenten. Dat zijn heel kleine onderdelen van een apparaat, maar je kunt ze beschouwen als het hart van onze elektronica. Denk bijvoorbeeld aan een laptop: daarin zit een moederboard met verschillende micro-elektronica componenten - ofwel chips. Al die chips hebben een eigen functie. Op dit moment is het bijna niet mogelijk om de losse chips te vervangen. Dus als er één chip op je moederboard stukgaat, dan kun je de laptop weggooien. Het programma Circular Circuits heeft tot doel elektronische componenten zo aan te passen dat ze veel langer meegaan en wél te vervangen en te recyclen zijn.

Power elektronica

Battal en Schermer onderzoeken chips die worden toegepast in power elektronica. Die zitten in kritische toepassingen zoals auto’s en vliegtuigen en moeten dus betrouwbaar blijven functioneren onder extreme omstandigheden. Zo’n chip kan intern wel 175 graden worden. Dat geldt ook voor de verbinding tussen de chip en zijn lead-frame (de dunne metaalstructuur waarmee de halfgeleider structuur van de chip met de buitenwereld is verbonden). Door warmtestress gaat de verbinding tussen de chip en dit frame na verloop van tijd stuk.  

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.’

Fatin Battal in het lab

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. Gelukkig staan we niet alleen in de ontwikkeling van deze nieuwe benadering.  Binnen Circular Circuits  werken we nauw samen met onze collega’s van de Universiteit Delft. Maar ook dichter bij huis krijgen we hulp, zoals van de NMR groep van onze eigen faculteit. En we hebben natuurlijk geluk dat twee van onze industriële partners, Nexperia en NXP, zo dichtbij zitten. We kunnen heel makkelijk afstemmen en de verschillende elementen van ons onderzoek samen uitwerken.’

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. Uiteindelijk draagt elk projectteam zo bij aan het grote geheel. 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.’

BetaBoost

In de BetaBoost krijg je maandelijks een inkijkje in lopend onderzoek van de bètafaculteit (FNWI) en de maatschappelijke impact ervan. Heb je een vraag over een actueel onderwerp waar je een wetenschappelijke blik op wilt? Laat het ons weten via communications-science[at]ru.nl.

Contactinformatie

Contactpersoon
dr. ir. J.J. Schermer (John) , F. Battal (Fatin) MSc
Gaat over persoon
F. Battal (Fatin) MSc , dr. ir. J.J. Schermer (John)
Thema
Moleculen en materialen