Die Elektronikfertigung ist von Natur aus ressourcenintensiv, da sie auf subtraktiven Prozessen basiert, die erhebliche Mengen an Materialien und Chemikalien verbrauchen.

(WK-intern) – Beispielsweise wird bei der Metallisierung von Leiterplatten (PCB) durch Ätzung viel Kupfer abgetragen, um die gewünschten Leiterbahnen zu erzeugen.

Dabei fällt der größte Teil des ursprünglichen Kupfers als Abfall an.

Die additive Fertigung bietet eine überzeugende Alternative, indem sie Leiterbahnen nur dort aufbringt, wo sie benötigt werden, und so den Materialverbrauch reduziert.

Der IDTechEx-Bericht „Nachhaltige Elektronik- und Halbleiterfertigung 2027–2037: Märkte, Technologien, Prognosen“ beschreibt Chancen und Herausforderungen für Unternehmen, die die Umweltauswirkungen der Elektronik minimieren wollen. Er untersucht außerdem, wie die Resilienz der Lieferkette das Interesse an nachhaltiger Elektronik angesichts wachsender Herausforderungen durch geopolitische Spannungen, klimabedingte Störungen und steigende KI-getriebene Nachfrage fördert.

Die Nachhaltigkeitsargumente für die Elektronikfertigung gewinnen zunehmend an Bedeutung, da der Bedarf an Energie, Materialien und Wasser stetig wächst. Darüber hinaus wird erwartet, dass die weltweiten Produktionsmengen an Elektroschrott bis 2037 96 Millionen Tonnen übersteigen werden. Die additive Fertigung bietet einen vielversprechenden Weg zu einer ressourcenschonenderen Elektronikproduktion, obwohl weiterhin erhebliche technische und wirtschaftliche Herausforderungen bestehen.

Vorteile der additiven Fertigung

Die additive Fertigung bietet eine nachhaltigere Alternative zur konventionellen Elektronikproduktion, indem leitfähige Materialien nur dort platziert werden, wo sie benötigt werden. Die traditionelle Leiterplattenherstellung basiert auf kupferkaschierten Laminaten, Fotolacken und chemischen Ätzmitteln wie Ammoniak-, Eisen(III)-chlorid- und Kupfer(II)-chlorid-Lösungen. Dabei entstehen erhebliche Mengen an korrosiven sauren und alkalischen Abfällen, und es werden große Mengen Wasser zum Spülen benötigt. Additive Verfahren wie gedruckte Elektronik können die Umweltbelastung deutlich reduzieren. Schätzungen gehen von Emissionsreduktionen von rund 80 % und Wassereinsparungen von bis zu 95 % im Vergleich zu konventionellen Metallisierungsverfahren aus.

Die Einführung eines neuen additiven Fertigungsverfahrens kann über die Materialeffizienz hinaus weitere Nachhaltigkeits- und Kostenvorteile schaffen, da sie die Möglichkeit bietet, Fertigungsprozesse von Grund auf neu zu gestalten. Beispielsweise ist es möglich, von teureren Substraten wie Polyimid auf kostengünstigere Alternativen wie PET umzusteigen. Additive Verfahren ermöglichen zudem die Fertigung bei niedrigeren Temperaturen, wodurch sowohl der Energieverbrauch als auch die Betriebskosten sinken.

Herausforderungen der additiven Fertigung

Nachhaltigkeit ist zwar ein überzeugender Vorteil der additiven Fertigung, reicht aber allein nicht für eine breite Anwendung aus. Interviews von IDTechEx zeigen ein starkes Interesse europäischer und US-amerikanischer Kunden an nachhaltigeren Fertigungsprozessen und Produkten. Dieses Interesse führt jedoch selten zu Kaufentscheidungen, solange keine Kostenparität erreicht wird. Die Einführung additiver Verfahren bietet zwar die Möglichkeit, die Fertigung neu zu gestalten, erfordert aber auch erhebliche Investitionen. Dies stellt eine große Herausforderung dar, da die konventionelle Elektronikfertigung bereits hochgradig optimiert ist und über eine etablierte Infrastruktur verfügt.

Ausbeute und Skalierbarkeit bleiben wesentliche Herausforderungen für die additive Elektronikfertigung. Viele additive Verfahren erreichen nicht die von kostensensiblen Elektronikmärkten geforderten hohen Ausbeuten, und die Herstellung komplexer Mehrschichtbauelemente kann schwieriger sein als mit konventionellen Verfahren. Wie ein Unternehmen für gedruckte Elektronik gegenüber IDTechEx erklärte, liegt seine aktuelle Ausbeute bei rund 75 %. Um jedoch wettbewerbsfähig zu sein, sind Ausbeuten von etwa 96 % erforderlich, wie sie in der etablierten subtraktiven Fertigung üblicherweise erreicht werden. In Kombination mit den bereits erzielten Skaleneffekten in der konventionellen Elektronikproduktion stellt dies eine erhebliche Hürde für die Einführung dieser Technologie dar.

Die additive Fertigung ist jedoch nicht der einzige Weg zu mehr Nachhaltigkeit in der Elektronikproduktion. Konventionelle subtraktive Fertigungsverfahren werden durch Ansätze wie die Ätzmittelregeneration effizienter, wodurch der Chemikalienverbrauch und die Abfallmenge reduziert werden. Darüber hinaus entwickeln Unternehmen wie DP Patterning neuartige Verfahren, darunter die ätzmittelfreie subtraktive Metallisierung flexibler Leiterplatten.

Chancen der additiven Fertigung

Kurzfristig dürfte die additive Elektronikfertigung vor allem in Anwendungen mit relativ einfachen Schaltungsanforderungen an Bedeutung gewinnen, wo Flexibilität, Individualisierung oder Nachhaltigkeit klare Vorteile bieten. Beispiele hierfür sind RFID-Tags für intelligente Verpackungen, Wearables und E-Textilien, bei denen Elektronik auf flexible Substrate gedruckt werden muss, sowie Einwegsensoren oder medizinische Pflaster, bei denen geringer Materialverbrauch und geringes Gewicht Priorität haben. Die additive Fertigung eignet sich auch hervorragend für die schnelle Produktion.

Can Additive Manufacturing Deliver for Electronics?

Electronics manufacturing is inherently wasteful, relying on subtractive processes that consume significant amounts of materials and chemicals. For example, during printed circuit board metallization (PCB), etchants remove large volumes of copper to create the desired circuit patterns, removing most of the original copper as waste. Additive manufacturing offers a compelling alternative by depositing conductive traces only where they are needed, reducing material consumption.

IDTechEx’s report „Sustainable Electronics and Semiconductor Manufacturing 2027-2037: Markets, Technologies, Forecasts“outlines opportunities and challenges for players aiming to minimize environmental impacts of electronics. It also explores how supply chain resilience is driving interest in sustainable electronics, amid growing challenges from geopolitical tensions, climate-related disruptions, and rising AI-driven demand.

The sustainability case for electronics manufacturing is becoming increasingly important as demand for energy, materials, and water continues to grow. Furthermore, global e-waste production volumes are expected to exceed 96 million tonnes by 2037. Additive manufacturing presents a promising route toward more resource-efficient electronics production, although significant technical and commercial challenges remain.

Benefits of additive manufacturing

Additive manufacturing offers a more sustainable alternative to conventional electronics production by placing conductive materials only where they are needed. Traditional PCB manufacturing relies on copper-clad laminates, photoresists, and chemical etchants such as ammoniacal, ferric chloride, and cupric chloride solutions, generating significant volumes of corrosive acidic and alkaline waste whilst requiring large amounts of water for rinsing. Additive approaches such as printed electronics can significantly lower environmental impact. Estimates have suggested emissions reductions of around 80% and water savings of up to 95% compared with conventional metallization approaches.

Adopting a new additive manufacturing process can create further sustainability and cost benefits beyond material efficiency, as it provides an opportunity to redesign manufacturing flows from scratch. For example, it may be possible to switch from higher-cost substrates such as polyimide to lower-cost alternatives like PET. Additive processes can also enable lower-temperature manufacturing, which cuts both energy consumption and operational costs.

Challenges of additive manufacturing

While sustainability is a compelling advantage of additive manufacturing, it is not enough on its own to drive widespread adoption. Interviews conducted by IDTechEx indicate strong interest from European and US customers in more sustainable manufacturing processes and products, but this interest rarely translates into purchasing decisions unless cost parity can be achieved. Although adopting an additive process provides an opportunity to redesign manufacturing, it also requires significant capital investment. This presents a major challenge, as conventional electronics manufacturing is already highly optimized, with established infrastructure.

Yield and scale remain significant challenges for additive electronics. Many additive processes struggle to achieve the high yields demanded by cost-sensitive electronics markets, while manufacturing complex multilayer devices can be more difficult than with conventional techniques. As one printed electronics company told IDTechEx, its current yield is around 75%, but achieving cost competitiveness will require yields closer to the ~96% typically seen in established subtractive manufacturing. Combined with the economies of scale already achieved by conventional electronics production, this creates a substantial barrier to adoption.

Additive manufacturing is also not the only route to improving sustainability in electronics production. Conventional subtractive manufacturing becomes more efficient through approaches such as etchant regeneration, which reduces chemical consumption and waste generation. In addition, companies such as DP Patterning are developing novel processes, including etchant-free subtractive metallization of flexible PCBs.

Opportunities for additive manufacturing

In the near term, additive electronics manufacturing is most likely to gain traction in applications with relatively simple circuit requirements, where flexibility, customization, or sustainability provide clear advantages. Examples include RFID tags for smart packaging, wearable devices and e-textiles that require electronics to be printed onto flexible substrates, and disposable sensors or medical patches where low material usage and lightweight form factors are priorities. Additive manufacturing is also well suited to rapid prototyping and low-volume production, where eliminating tooling and enabling faster design iterations can deliver value. By contrast, competing with conventional manufacturing in high-volume, multilayer consumer electronics will remain challenging in the short-to-medium term.

To find out more about methods to improve the sustainability, material, and energy efficiency of PCB manufacturing, see „Sustainable Electronics and Semiconductor Manufacturing 2027-2037: Markets, Technologies, Forecasts“. The report also covers opportunities to improve the sustainability of semiconductor manufacturing, which currently uses almost 200 billion kWh of energy and 1,000 billion liters of water annually.

For more information on this report, including downloadable sample pages, please visit www.IDTechEx.com/SustElec, or for the full portfolio of related research available from IDTechEx, see www.IDTechEx.com.

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PR: IDTechEx

PB: Vergleich zwischen subtraktiver und additiver Fertigung. Quelle: IDTechEx / Comparison between subtractive and additive manufacturing. Source: IDTechEx

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