Neuartige Cellulose-basierte Leiterplatte für Ressourcen-schonende Elektronik
Cellutronik entwickelt eine biobasierte Alternative zu herkömmlichen Leiterplatten auf Basis bakterieller Cellulose. Ziel ist es, petrochemische Materialien durch nachwachsende Rohstoffe zu ersetzen. Die neuen Leiterplatten sollen deutlich klimafreundlicher sein und industriell verarbeitet werden können.
Leiterplatten sind überall: in unseren Smartphones, Autos und medizinischen Geräten. Doch was kaum sichtbar ist, sind die Materialien, aus denen sie bestehen und die Spuren, die sie am Ende ihres Lebens hinterlassen. Bei der aktuellen Leiterplattenherstellung werden als Basismaterialien ausschließlich petrochemische Harze in Kombination mit Glasfasergewebe verwendet, die nach dem Ende ihres Lebenszyklus nicht problemlos recycelt werden können. Bei der Entsorgung dieser Materialien entsteht jedes Jahr eine große Menge an giftigem Elektroschrott. Dieser wird zumeist als Sekundärbrennstoff (z. B. in der Zementherstellung) ohne praktikable Möglichkeit zur Überführung in einen Materialkreislauf verwertet. Im Rahmen des wegweisenden Verbundprojekts Cellutronik wird eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Leiterplatten entwickelt. Denn die technischen Anforderungen an Leiterplatten sind enorm. Sie müssen elektrische, mechanische und thermische Höchstleistungen erbringen. Cellutronik geht dafür einen ungewöhnlichen Weg und nutzt bakterielle Cellulose – ein im Labor gezüchtetes Papier – als Basismaterial. Was zunächst überraschend klingt, eröffnet völlig neue Perspektiven für eine umweltfreundliche Elektronik der Zukunft.
Die im Labor mithilfe von Bakterien gezüchtete bakterielle Cellulose vereint Eigenschaften, die man einem papierbasierten Material kaum zutrauen würde: eine hohe Reinheit, außergewöhnliche mechanische Stabilität und eine Temperaturbeständigkeit von bis zu 300 °C. Damit erfüllt sie zentrale Anforderungen an das Basismaterial moderner Leiterplatten. Darüber hinaus kann die Cellulose nach dem Ende ihres Lebenszyklus problemlos recycelt werden, wodurch neue Perspektiven für eine wirklich kreislauffähige Elektronik entstehen.
In Cellutronik soll die bakterielle Cellulose für die Leiterplatten‑Fertigung optimiert und ihre Prozesstauglichkeit für Leiterplatten demonstriert werden. Hierzu werden zwei unterschiedliche Herstellungsverfahren systematisch untersucht:
- Eine additiv gefertigte Leiterplatte, bei der die leitfähigen Strukturen mittels Digitaldruck aufgetragen werden.
- Eine subtraktiv gefertigte Leiterplatte, bei der das Cellulose‑Material lithografischen Verfahren unterzogen wird.
Am Ende der Projektlaufzeit wird die innovative Basismaterial‑Alternative aus bakterieller Cellulose einen um 25 % reduzierten CO₂‑Fußabdruck im Vergleich zu herkömmlichen FR4‑Leiterplatten aufweisen. Ein weiteres zentrales Ziel ist es, die im Projekt gewonnenen Material‑ und Prozessdaten nach FAIR‑Prinzipien aufzubereiten und über die Plattform Material.DIGITAL der Öffentlichkeit zur Verfügung zu stellen.
Schwerpunkte und Entwicklungsziele der Verbundpartner
Das Konsortium besteht aus den Forschungseinrichtungen Hahn-Schickard-Gesellschaft und der Universität Stuttgart sowie dem Technologie-Unternehmen Würth Elektronik.
Hahn-Schickard erforscht im Rahmen des Projekts den Inkjetdruck von elektrisch leitfähigen Kupfer- und Silbertinten zur direkten Abscheidung von Leiterbahnen und Kontaktflächen auf BC-Substraten. Dabei stehen Untersuchungen zum thermischen und photonischen Sintern der Tinten im Fokus, um reproduzierbare Widerstände zu gewährleisten. Ein weiterer innovativer Ansatz umfasst die Erzeugung von Durchkontaktierungen für Mehrlagensysteme mittels Laserbohren und Inkjetdruck. Abschließend werden Tests zum Löten von SMD-Komponenten auf den Inkjet-gedruckten Strukturen durchgeführt, um die Praxistauglichkeit und Zuverlässigkeit der entwickelten Technologien zu bestätigen.
Die Universität Stuttgart treibt im Projekt die Entwicklung biobasierter Substratmaterialien auf Basis bakterieller Cellulose voran. Diese Materialien können gezielt eingestellt werden, um eine definierte Form, kontrollierte Dicke und hohe mechanische Stabilität zu erreichen. Die Verwendung von nachhaltigen Nährmedien wie unter anderem Okara und Kartoffelsaft sorgen für eine ressourcenschonenden Fermentation, die zu einer Minimierung von Energie, Chemikalien und Wasserverbrauch führen. Ziel ist es die verschiedenen Nährmedien miteinander zu vergleichen, um zu evaluieren, welcher sich am besten für das Züchten von BC-Basismaterialen eignet. Dabei spielen neben der homogenen Ausbildung und mechanischen Handhabbarkeit auch die Skalierung der Größe und die Wachstumsgeschwindigkeit eine entscheidende Rolle. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf dem Strukturdesign, dabei sorgt die gezielte Integration von anwendungsspezifische Nanopartikel für eine verbesserte Flammbeständigkeit und thermische Stabilität der Materialien. Ein Kaltpressverfahren erhöht die Faserdichte, homogenisiert die Oberfläche und reduziert die Feuchtigkeitsempfindlichkeit der BC-Platten. Die Erarbeitung zusätzlicher Ansätze ist notwendig, um die Wasseraufnahme des Materials zu vermeiden beziehungsweise auf ein Minimum zu reduzieren.
Würth Elektronik übernimmt die Leitung des Projekts. Die Hauptaufgabe ist der Nachweis der Kompatibilität biobasierter Substratmaterialien auf Basis bakterieller Cellulose mit etablierten Herstellungsprozessen für Leiterplatten. Dabei ist die Aufgabe Leiterplatten unter Verwendung von lithographischen Standardprozessen zu fertigen. Die Leiterplattenproduktion ist sowohl im einlagigen als auch im mehrlagigen Aufbau durchzuführen. Zudem sind die elektrischen, thermischen und mechanischen Produkteigenschaften zu überprüft, um die Leistungsfähigkeit der neuen Materialien zu bestätigen. Dabei ist es wichtig, die Qualitätsstandards der Leiterplattenfertigung zu erhalten oder zu verbessern. Die so hergestellten Leiterplatten werden nach der Fertigung mit Bauteilen in den etablierten Verfahren bestückt. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung und Erprobung eines Recyclingkonzeptes, um einen geschlossenen Materialkreislauf zu etablieren und die Umweltbelastung zu reduzieren.
