英國格拉斯哥大學(xué)（University of Glasgow） 研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種近乎全生物降解的 PCB，采用鋅基導(dǎo)體與生物基基板材料制備而成。該研究旨在通過替代傳統(tǒng)銅基 PCB，降低短工作壽命電子設(shè)備的電子垃圾環(huán)境影響。

該研究探索了適用于一次性電子設(shè)備與低占空比電子設(shè)備（包括傳感及物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)器件）的 PCB 替代材料與制造工藝，具有重要參考價(jià)值。

鋅導(dǎo)體增材制造工藝

該工藝區(qū)別于傳統(tǒng) PCB 的整板銅箔蝕刻流程，采用研究團(tuán)隊(duì)命名為生長轉(zhuǎn)移增材制造（growth and transfer additive manufacturing） 的技術(shù)，僅在電路走線區(qū)域沉積導(dǎo)電材料。研究團(tuán)隊(duì)表示，此方法可減少金屬用量，并避免使用腐蝕性強(qiáng)的化學(xué)蝕刻劑。

盡管鋅的電導(dǎo)率僅為銅的約1/3，研究團(tuán)隊(duì)仍選擇鋅作為導(dǎo)電材料。他們指出，鋅的導(dǎo)電性能足以滿足多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，可通過增加走線厚度補(bǔ)償其低電導(dǎo)率缺陷；同時(shí)，鋅的材料成本更低，使整體制造成本與傳統(tǒng) PCB 基本持平。

制備得到的導(dǎo)電走線寬度可低至5 微米，通過臨時(shí)載體轉(zhuǎn)移至紙張、生物塑料及其他生物基材料等可生物降解基板上。

性能、壽命與降解特性

測(cè)試結(jié)果顯示，該類電路性能與傳統(tǒng) PCB 相當(dāng)，已在觸覺傳感器、LED 計(jì)數(shù)器及溫度傳感器等演示器件中完成功能驗(yàn)證。在室溫存儲(chǔ)條件下，電路性能可穩(wěn)定保持一年以上。

該技術(shù)主要面向短壽命電子設(shè)備，如一次性傳感器、智能標(biāo)簽、電子驗(yàn)孕棒等。研究團(tuán)隊(duì)估算，采用該工藝制造的器件貨架壽命至少為兩年，但仍需進(jìn)一步開展實(shí)境測(cè)試。

在堆肥條件下，電路預(yù)計(jì)24 小時(shí)內(nèi)停止工作，并在數(shù)周內(nèi)完全降解。可通過涂覆保護(hù)層延緩降解過程，但研究人員強(qiáng)調(diào)，使用階段的環(huán)境耐受性與壽命終結(jié)時(shí)的可降解性存在權(quán)衡關(guān)系，因此保護(hù)層方案需根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景定制。

研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，全生物降解 PCB不適用于智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)等長壽命、高價(jià)值電子設(shè)備，此類產(chǎn)品仍以延長使用壽命及提高可回收性為主要發(fā)展方向。

制造挑戰(zhàn)與環(huán)境影響

多層電路制造仍是技術(shù)難點(diǎn)，尤其是層間過孔互連（through-hole interconnections） 的制備。研究團(tuán)隊(duì)正探索激光鉆孔等工藝方案，但工藝復(fù)雜度的提升會(huì)導(dǎo)致成本增加，因此早期演示器件可能仍以相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)為主。

生命周期評(píng)估顯示，與傳統(tǒng) PCB 相比，該可生物降解 PCB 的全球變暖潛勢(shì)可降低 79%，資源消耗減少 90%。研究人員同時(shí)指出，電源模塊仍是技術(shù)瓶頸 —— 傳統(tǒng)鋰電池?zé)o法生物降解，團(tuán)隊(duì)正同步開展基于鋅、碳及明膠等材料的可降解電池技術(shù)研究。

該研究成果發(fā)表于《Communications Materials》期刊，由格拉斯哥大學(xué)詹姆斯?瓦特工程學(xué)院（James Watt School of Engineering） 完成。