Mit dem weltweiten Ausbau der 5G-Telekommunikation steigt auch der Bedarf an den dafür benötigten Materialien. Millimeterwellen-5G, das in Hochfrequenzbändern zwischen 24 und 100 GHz arbeitet, bietet im Vergleich zu früheren Mobilfunktechnologien wie 3G (<1 GHz) und 4G LTE (1–2,6 GHz) sowie dem häufiger eingesetzten Sub-6-GHz-5G-Frequenzband schnellere Datenübertragungsraten, geringere Latenz und größere Bandbreite.

Die Einführung der mmWave-5G-Technologie birgt jedoch Herausforderungen, die über ihre physikalischen Eigenschaften hinausgehen. So beeinträchtigt beispielsweise die hohe Übertragungsdämpfung bei höheren Frequenzen die Fähigkeit von mmWave 5G, Nutzern qualitativ hochwertige Signale zu liefern. Die Reduzierung der Übertragungsdämpfung ist daher eine zentrale Hürde, die die mmWave-5G-Technologie überwinden muss. Um ihr Wachstum zu fördern, benötigt diese Technologie leistungsfähigere Materialien, die die Übertragungsdämpfung minimieren.

Hier kommen verlustarme Materialien ins Spiel. Die Verbesserung der dielektrischen Eigenschaften dieser Materialien, die in 5G-Geräten von der Leiterplatte bis hin zu Antennen und integrierten Schaltkreisen verbaut sind, ist entscheidend für die Reduzierung von Übertragungsverlusten und die Verbesserung der 5G-Signalstärke. Dieser Bedarf treibt das Wachstum des Marktes für verlustarme Materialien für 5G-Anwendungen an, der laut Prognosen von IDTechEx bis 2033 ein Volumen von 1,8 Milliarden US-Dollar erreichen wird.

PTFE: Könnten die geplanten Verbote diese beliebte Wahl für mmWave 5G beeinträchtigen?
Ein verlustarmes Material von großem Interesse für mmWave 5G-Anwendungen ist Polytetrafluorethylen (PTFE), ein Fluorpolymer und somit ein Mitglied der Perfluoralkyl- und Polyfluoralkyl-(PFAS)-Familie. PTFE weist eine niedrigere Dielektrizitätskonstante (Δk) und einen geringeren Verlustfaktor (Δf) auf als gängige verlustarme Duroplaste. Vergleichsstudien von IDTechEx zeigen, dass kommerzielle PTFE-Laminate einen durchschnittlich sechsmal niedrigeren Verlustfaktor aufweisen als kommerzielle Epoxidharz-Laminate. PTFE bietet zudem stabile dielektrische Eigenschaften über einen breiten Frequenz- und Temperaturbereich sowie Beständigkeit gegen Hitze und Korrosion. Aus diesen Gründen prüfen viele Unternehmen den Einsatz von PTFE, das von Firmen wie Rogers Corporation, Taconic und SYTECH (Shengyi Technology Co., Ltd.) angeboten wird, für ihre mmWave 5G-Basisstationen und Kundengeräte (CPE).

PTFE hat jedoch Nachteile wie höhere Kosten und Herstellungsschwierigkeiten. Hinzu kommt die dringende Frage der Regulierung angesichts einiger vorgeschlagener Verbote von PFAS.

PFAS gelten aufgrund der starken Fluor-Kohlenstoff-Bindung als „Ewigkeitschemikalien“, da ihre Anreicherung im menschlichen Körper verschiedene Gesundheitsrisiken birgt. PFAS gelangen bei ihrer Herstellung, ihrer Verwendung in industriellen Prozessen und ihrer Entsorgung in den Wasserkreislauf, was zu einer unvermeidbaren Exposition von Organismen führt.

Die Herstellung und Verwendung von PFAS-Chemikalien unterliegen zunehmend strengeren Vorschriften. Die Europäische Kommission verbot 2021 die Verwendung von PFAS in verschiedenen Bereichen, darunter auch in Feuerlöschschäumen, mit dem Ziel, deren Einsatz auf Anwendungen von kritischer gesellschaftlicher Bedeutung zu beschränken. Die Europäische Chemikalienagentur (ECHA) legte im Januar 2023 einen Vorschlag vor, um die Verwendung von PFAS in der EU bis 2025 vollständig einzuschränken. Im Dezember 2022 veröffentlichte die US-Umweltschutzbehörde (EPA) ein Memorandum mit dem Ziel, die Einleitung von PFAS in Gewässer zu reduzieren.

Angesichts der bestehenden und geplanten Beschränkungen versuchen einige Unternehmen, ihre Abhängigkeit von PFAS zu verringern. Ein prominentes Beispiel hierfür ist 3M, das im Dezember 2022 ankündigte, die PFAS-Produktion einzustellen und bis 2025 schrittweise abzuschaffen. 3M nannte regulatorische Beschränkungen, das wachsende Interesse der Verbraucher an Alternativen und betriebliche Schwierigkeiten als Hauptgründe für den Ausstieg aus dem PFAS-Markt.

Die genauen gesetzlichen Regelungen zu PFAS werden wohl nicht so schnell feststehen. Während der der ECHA vorgelegte Vorschlag nun von wissenschaftlichen Gremien konsultiert wird, fordern viele in der Industrie, Fluorpolymere gesondert zu betrachten und von den umfassenden Verboten auszunehmen. Das Ergebnis könnte weitreichende Folgen haben, doch unabhängig davon haben diese Entwicklungen erhebliche Unsicherheit am Markt geschaffen.

Neue Alternativen zu PTFE im Markt für verlustarme Werkstoffe

Angesichts dieser neuen Bestimmungen ist unklar, ob die Anwendung von PTFE in mmWave-5G-Geräten beeinträchtigt wird. Daher könnten Unternehmen alternative Materialien zu PTFE für den mmWave-5G-Markt in Betracht ziehen. IDTechEx hat mehrere dieser alternativen Materialien analysiert und deren dielektrische Eigenschaften, mechanische Eigenschaften, Lieferanten und Marktdurchdringung untersucht. Einige der am häufigsten diskutierten Alternativen werden im Folgenden hervorgehoben:

Laminate auf Kohlenwasserstoffbasis
bieten mehr als nur die Abwesenheit von PFAS-Komponenten. Sie weisen eine geringe passive Intermodulation (PIM) auf, was sowohl zur Rauschreduzierung als auch zu einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis beiträgt. Dies ist vorteilhaft gegenüber PTFE, das im Laufe der Zeit eine geringe PIM-Stabilität aufweist. Darüber hinaus sind Kohlenwasserstoffe mit herkömmlichen Leiterplattenmaterialien kompatibel, wodurch sie zur Herstellung von Verbundlaminaten verwendet werden können. Schließlich sind sie kostengünstiger als PTFE. Allerdings weisen Laminate auf Kohlenwasserstoffbasis typischerweise einen hohen Füllstoffgehalt auf, was zu Verarbeitungsschwierigkeiten führen kann, und ihre dielektrischen Eigenschaften sind bei moderaten Betriebstemperaturen weniger stabil als die von PTFE.

Poly(p-phenylenether) (PPE) und Poly(p-phenylenoxid) (PPO)
sind hochtemperaturbeständige thermoplastische Werkstoffe, die als dielektrische Materialien in Leiterplatten für zahlreiche Branchen, darunter die Telekommunikation, eingesetzt werden. Sie weisen eine ähnliche (wenn auch etwas höhere) Dielektrizitätskonstante und einen ähnlichen Verlustfaktor wie PTFE auf, sind jedoch umweltfreundlicher und kostengünstiger. Allerdings absorbieren PPO/PPE mehr Feuchtigkeit als PTFE. Wichtiger noch: Ihr Verlustfaktor steigt mit zunehmender Betriebsfrequenz stärker an als der von PTFE. Diese Instabilität des Verlustfaktors bei höheren Frequenzen kann für bestimmte Anwendungen problematisch sein.

Niedertemperatur-Sinterkeramiken (LTCCs)
bieten hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften einen geringen Verlustfaktor, ideal für mmWave-5G, einen hohen Isolationswiderstand und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), was für die Fertigung wichtig ist. Vor allem ermöglichen LTCCs die Herstellung integrierter Gehäuse mit eingebetteten Komponenten; diese Gehäuse sind klein und können mit kleineren mmWave-5G-Geräten kombiniert werden. Allerdings weisen LTCCs eine höhere Dielektrizitätskonstante, komplexere Fertigungsprozesse und höhere Kosten auf.

Marktprognosen für verlustarme Materialien für 5G und 6G

Der IDTechEx-Bericht „Verlustarme Materialien für 5G und 6G 2023–2033“ untersucht die technologischen Entwicklungen und Markttrends, die das Wachstum des Marktes für verlustarme Materialien für die Telekommunikation der nächsten Generation vorantreiben, einschließlich neuartiger Materialien. IDTechEx prognostiziert den zukünftigen Umsatz und die Flächennachfrage nach 5G-Materialien mit geringer Verlustrate und segmentiert den Markt sorgfältig nach Frequenz (Sub-6 GHz vs. Millimeterwellen), sechs Materialtypen und drei Anwendungsbereichen (Smartphones, Infrastruktur und CPEs), um sechzig verschiedene Prognoselinien zu erstellen.