À mesure que la 5G se déploie à l'échelle mondiale, les besoins en matériaux nécessaires à ces réseaux ne cessent de croître. La 5G à ondes millimétriques, qui fonctionne dans les bandes de fréquences élevées comprises entre 24 et 100 GHz, offre des débits de transfert de données plus rapides, une latence plus faible et une bande passante plus importante que les technologies sans fil précédentes telles que la 3G (< 1 GHz) et la 4G LTE (1–2,6 GHz), et même que la bande de fréquences 5G inférieure à 6 GHz, plus couramment déployée.
Cependant, le déploiement de la technologie 5G à ondes millimétriques présente des défis qui dépassent ses caractéristiques physiques, notamment les fortes pertes de transmission aux hautes fréquences, qui nuisent à sa capacité à fournir des signaux de haute qualité aux utilisateurs. La réduction de ces pertes constituera un obstacle majeur que la technologie 5G à ondes millimétriques devra surmonter ; par conséquent, son développement nécessitera des matériaux plus performants permettant de minimiser ces pertes.
C’est là qu’interviennent les matériaux à faibles pertes. Améliorer les propriétés diélectriques de ces matériaux, présents dans tous les composants d’un appareil 5G, du circuit imprimé à l’antenne en passant par le boîtier du circuit intégré, est essentiel pour réduire les pertes de transmission et renforcer le signal 5G. Ce besoin stimule la croissance du marché des matériaux à faibles pertes pour les applications 5G, qui, selon les prévisions d’IDTechEx, atteindra 1,8 milliard de dollars d’ici 2033.
PTFE : Les interdictions proposées pourraient-elles affecter ce matériau de choix pour la 5G mmWave ? Le
polytétrafluoroéthylène (PTFE), un fluoropolymère appartenant à la famille des substances perfluoroalkylées et polyfluoroalkylées (PFAS), est un matériau à faibles pertes présentant un grand intérêt pour les applications 5G mmWave. Le PTFE possède une constante diélectrique (Dk) et une tangente de perte (Df) inférieures à celles des matériaux thermodurcissables à faibles pertes couramment utilisés. En effet, des études comparatives menées par IDTechEx concluent que les stratifiés PTFE commerciaux présentent une tangente de perte en moyenne six fois inférieure à celle des stratifiés commerciaux à base d’époxy. Le PTFE offre également des performances diélectriques stables sur une large gamme de fréquences et de températures, ainsi qu’une résistance à la chaleur et à la corrosion. C’est pourquoi de nombreux acteurs du marché étudient l’utilisation du PTFE, fourni par des entreprises telles que Rogers Corporation, Taconic et SYTECH (Shengyi Technology Co., Ltd), pour leurs stations de base 5G mmWave et leurs équipements clients (CPE).
Cependant, le PTFE présente des inconvénients, tels que des coûts plus élevés et des difficultés de fabrication. De plus, la question de la réglementation se pose avec acuité, compte tenu des interdictions envisagées concernant les PFAS.
Ces substances sont considérées comme des « polluants éternels » en raison de la forte liaison fluor-carbone, et leur accumulation dans l'organisme humain est associée à divers risques pour la santé. Les PFAS sont transférés dans le cycle de l'eau lors de leur fabrication, de leur utilisation dans les procédés industriels et de leur traitement en fin de vie, ce qui entraîne une exposition inévitable des organismes.
La fabrication et l'utilisation des substances perfluoroalkylées et polyfluoroalkylées (PFAS) sont soumises à des réglementations de plus en plus strictes. La Commission européenne a interdit leur utilisation dans plusieurs domaines, notamment les mousses anti-incendie, en 2021, avec l'intention de limiter leur usage aux applications d'importance sociale critique. Parallèlement, l'Agence européenne des produits chimiques (ECHA) a présenté une proposition en janvier 2023 visant à interdire toute utilisation des PFAS dans l'UE d'ici 2025. En décembre 2022, l'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA) a publié une note de service visant à réduire les rejets de PFAS dans les cours d'eau.
Compte tenu des restrictions actuelles et envisagées, certaines entreprises cherchent à réduire leur dépendance aux PFAS. 3M, une entreprise majeure dans ce domaine, a annoncé en décembre 2022 qu'elle cesserait la production de PFAS et s'efforcerait de les éliminer progressivement d'ici 2025. 3M a invoqué les restrictions réglementaires, l'intérêt croissant des consommateurs pour les alternatives et les difficultés opérationnelles comme principales raisons de son retrait du marché des PFAS.
La législation exacte concernant les PFAS ne sera pas connue de sitôt. Alors que la proposition soumise à l'ECHA entre en consultation auprès des comités scientifiques, de nombreux acteurs du secteur demandent que les fluoropolymères soient différenciés et exclus de ces interdictions générales. L'issue de cette affaire pourrait avoir des conséquences importantes, mais quoi qu'il en soit, ces développements ont engendré une incertitude considérable sur le marché.
Nouvelles alternatives au PTFE sur le marché des matériaux à faibles pertes
Compte tenu de ces nouvelles réglementations, l'impact sur l'utilisation du PTFE dans les dispositifs 5G mmWave reste incertain. Par conséquent, les entreprises pourraient envisager des alternatives au PTFE pour le marché de la 5G mmWave. IDTechEx a analysé plusieurs de ces matériaux alternatifs, en examinant leurs performances diélectriques, leurs propriétés mécaniques, leurs fournisseurs et leur part de marché. Voici quelques-unes des alternatives les plus étudiées :
Les stratifiés à base d'hydrocarbures
offrent bien plus que la simple absence de PFAS. Ils présentent une faible intermodulation passive (PIM), contribuant à la fois à la réduction du bruit et à un faible rapport signal/bruit. Ceci est avantageux par rapport au PTFE, dont la stabilité en PIM est médiocre dans le temps. De plus, les hydrocarbures sont compatibles avec les matériaux conventionnels des circuits imprimés, ce qui permet de les utiliser pour créer des stratifiés composites. Enfin, leur coût est inférieur à celui du PTFE. Cependant, les stratifiés à base d'hydrocarbures ont généralement une teneur élevée en charges, ce qui peut engendrer des difficultés de mise en œuvre, et leurs performances diélectriques sont moins stables que celles du PTFE à des températures de fonctionnement modérées.
Le poly(p-phénylène éther) (PPE) et le poly(p-phénylène oxyde) (PPO)
sont des matériaux thermoplastiques haute température utilisés comme diélectriques dans les circuits imprimés pour de nombreux marchés, notamment les télécommunications. Ils présentent une constante diélectrique et une tangente de perte similaires (voire légèrement supérieures) à celles du PTFE, tout en étant moins polluants et moins coûteux. Cependant, le PPO/PPE absorbe davantage d'humidité que le PTFE. Plus important encore, leur tangente de perte augmente avec la fréquence de fonctionnement, et ce, plus fortement que celle du PTFE ; cette instabilité de la tangente de perte aux hautes fréquences peut poser problème pour certaines applications.
Les céramiques frittées à basse température (LTCC)
présentent, du point de vue des propriétés des matériaux, une faible tangente de perte, idéale pour la 5G mmWave, une résistance d'isolement élevée et un faible coefficient de dilatation thermique (CTE), un atout majeur pour la fabrication. Plus important encore, les LTCC permettent la fabrication de boîtiers intégrés contenant des composants embarqués ; ces boîtiers, de petite taille, peuvent être associés à des dispositifs 5G mmWave plus compacts. En revanche, les LTCC se caractérisent par une constante diélectrique plus élevée, des procédés de fabrication plus complexes et un coût plus important.
Prévisions de marché pour les matériaux à faibles pertes destinés à la 5G et à la 6G
Le rapport d'IDTechEx, intitulé « Matériaux à faibles pertes pour la 5G et la 6G 2023-2033 », analyse les développements technologiques et les tendances du marché qui stimulent la croissance du marché des matériaux à faibles pertes pour les télécommunications de nouvelle génération, notamment les matériaux émergents. IDTechEx prévoit les revenus futurs et la demande par zone géographique pour les matériaux à faibles pertes 5G en segmentant précisément le marché par fréquence (inférieure à 6 GHz vs ondes millimétriques), six types de matériaux et trois domaines d'application (smartphones, infrastructures et CPE) afin de fournir soixante scénarios de prévision différents.
