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 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.’
