In definitiva, con la continua diffusione globale delle telecomunicazioni 5G, cresce anche la necessità dei materiali che rendono possibili queste reti 5G. Il 5G a onde millimetriche, che opera in bande ad alta frequenza tra 24 e 100 GHz, offre velocità di trasferimento dati superiori, latenza inferiore e maggiore larghezza di banda rispetto alle precedenti tecnologie wireless come il 3G (<1 GHz) e il 4G LTE (1–2,6 GHz), e persino rispetto alla banda di frequenza sub-6 GHz del 5G, più comunemente utilizzata.
Tuttavia, l'implementazione della tecnologia mmWave 5G presenta sfide che vanno oltre le sue caratteristiche fisiche, come l'elevata perdita di trasmissione alle alte frequenze, che compromette la capacità del mmWave 5G di fornire segnali di alta qualità agli utenti. Ridurre la perdita di trasmissione sarà un ostacolo fondamentale che la tecnologia mmWave 5G dovrà superare e, pertanto, questa tecnologia richiederà materiali ad alte prestazioni che minimizzino la perdita di trasmissione per supportarne la crescita.
È qui che entrano in gioco i materiali a bassa perdita. Migliorare le proprietà dielettriche di questi materiali, presenti in tutto un dispositivo 5G, dal circuito stampato (PCB) all'antenna e al packaging dei circuiti integrati, è fondamentale per ridurre le perdite di trasmissione e migliorare la potenza del segnale 5G. Questa esigenza sta guidando la crescita del mercato dei materiali a bassa perdita per applicazioni 5G, che secondo le previsioni di IDTechEx raggiungerà 1,8 miliardi di dollari entro il 2033.
PTFE: i divieti proposti potrebbero influenzare questa scelta popolare per il 5G mmWave?
Un materiale a bassa perdita di grande interesse per le applicazioni 5G mmWave è il politetrafluoroetilene (PTFE), un fluoropolimero e quindi membro della famiglia dei perfluoroalchilici e polifluoroalchilici (PFAS). Il PTFE ha una costante dielettrica (Dk) e una tangente di perdita (Df) inferiori rispetto ai materiali termoindurenti a bassa perdita comunemente utilizzati. Infatti, studi comparativi condotti da IDTechEx concludono che i laminati commerciali in PTFE hanno una tangente di perdita che è, in media, sei volte inferiore rispetto ai laminati commerciali a base di resina epossidica. Il PTFE offre inoltre prestazioni dielettriche stabili in un intervallo di frequenze e temperature, nonché resistenza al calore e alla corrosione. Per questi motivi, molti stanno valutando l'utilizzo del PTFE, fornito da aziende come Rogers Corporation, Taconic e SYTECH (Shengyi Technology Co., Ltd), per le loro stazioni base 5G mmWave e le apparecchiature per i clienti (CPE).
Tuttavia, il PTFE presenta degli svantaggi, come costi più elevati e difficoltà di produzione. Inoltre, sussiste l'urgente problema della regolamentazione, visti alcuni dei divieti proposti per i PFAS.
I PFAS sono considerati "sostanze chimiche eterne" a causa della forza del legame fluoro-carbonio, con diversi rischi per la salute associati al loro accumulo nel corpo umano. I PFAS vengono trasferiti nel ciclo dell'acqua durante la loro produzione, l'utilizzo nei processi industriali e il trattamento a fine vita, con conseguente inevitabile esposizione per gli organismi.
La produzione e l'utilizzo delle sostanze chimiche PFAS sono soggetti a normative sempre più rigorose. Nel 2021, la Commissione europea ha vietato l'uso delle PFAS in diversi settori, tra cui le schiume antincendio, con l'intento di limitarne l'impiego ad applicazioni di importanza sociale critica, mentre l'Agenzia europea per le sostanze chimiche (ECHA) ha presentato nel gennaio 2023 una proposta per limitare tutti gli usi delle PFAS nell'UE entro il 2025. Nel dicembre 2022, l'EPA statunitense ha pubblicato un memorandum volto a ridurre lo scarico di PFAS nei corsi d'acqua.
Date le restrizioni attuali e quelle proposte, alcune aziende stanno cercando di ridurre la propria dipendenza dai PFAS. Una delle aziende più importanti in questo ambito è la 3M, che nel dicembre 2022 ha annunciato che avrebbe interrotto la produzione di PFAS e si sarebbe impegnata a eliminarli gradualmente entro il 2025. La 3M ha citato le restrizioni normative, il crescente interesse dei consumatori per le alternative e le difficoltà operative come ragioni principali per l'uscita dal mercato dei PFAS.
La legislazione precisa che riguarderà le sostanze PFAS non sarà nota a breve. Mentre la proposta presentata all'ECHA entra in un periodo di consultazione da parte dei comitati scientifici, molti operatori del settore chiedono che i fluoropolimeri vengano differenziati ed esclusi da questi divieti generalizzati. L'esito potrebbe avere implicazioni di vasta portata, ma a prescindere dal risultato, questi sviluppi hanno creato una notevole incertezza sul mercato.
Nuove alternative al PTFE nel mercato dei materiali a bassa perdita
Alla luce di queste nuove normative, non è chiaro se l'applicazione del PTFE nei dispositivi 5G a onde millimetriche (mmWave) ne risentirà. Di conseguenza, le aziende potrebbero valutare potenziali alternative al PTFE per il mercato del 5G a onde millimetriche. IDTechEx ha analizzato diversi di questi materiali alternativi, esaminandone le prestazioni dielettriche, le proprietà meccaniche, i fornitori e la penetrazione nel mercato. Alcune delle alternative più discusse sono evidenziate di seguito:
I laminati a base di idrocarburi
offrono più della semplice assenza di componenti PFAS. Presentano una bassa intermodulazione passiva (PIM), che contribuisce sia alla riduzione del rumore sia a un basso rapporto segnale/rumore. Questo è vantaggioso rispetto al PTFE, che soffre di una scarsa stabilità della PIM nel tempo. Inoltre, gli idrocarburi sono compatibili con i materiali convenzionali per circuiti stampati, consentendo il loro utilizzo nella creazione di laminati compositi. Infine, sono offerti a un costo inferiore rispetto al PTFE. Tuttavia, i laminati a base di idrocarburi hanno in genere un elevato contenuto di riempitivo, che può comportare difficoltà di lavorazione, e le loro prestazioni dielettriche sono meno stabili di quelle del PTFE a temperature di esercizio moderate.
Il poli(p-fenilene etere) (PPE) e il poli(p-fenilene ossido) (PPO)
sono materiali termoplastici ad alta temperatura utilizzati come dielettrici nei circuiti stampati per numerosi settori, tra cui le telecomunicazioni. Offrono una costante dielettrica e una tangente di perdita simili (sebbene leggermente superiori) a quelle del PTFE, ma con minori problematiche ambientali e costi inferiori. Tuttavia, il PPO/PPE presenta tassi di assorbimento di umidità più elevati rispetto al PTFE. Ancora più importante, la loro tangente di perdita aumenta con l'aumentare della frequenza operativa, in misura maggiore rispetto alla tangente di perdita del PTFE; questa mancanza di stabilità della tangente di perdita alle alte frequenze può rappresentare un problema per determinate applicazioni.
Le ceramiche sinterizzate a bassa temperatura (LTCC)
offrono, dal punto di vista delle proprietà dei materiali, una bassa tangente di perdita ideale per il 5G a onde millimetriche, un'elevata resistenza di isolamento e un basso coefficiente di dilatazione termica (CTE), importante per la produzione. Ancora più importante, le LTCC consentono la fabbricazione di package integrati che includono componenti incorporati; questi package sono piccoli e possono essere accoppiati a dispositivi 5G a onde millimetriche di dimensioni ridotte. Tuttavia, le LTCC presentano una costante dielettrica più elevata, processi di produzione più complessi e costi più alti.
Previsioni di mercato per materiali a bassa perdita per il 5G e il 6G
Il report di IDTechEx, "Materiali a bassa perdita per 5G e 6G 2023-2033", analizza gli sviluppi tecnologici e le tendenze di mercato che guidano la crescita del mercato dei materiali a bassa perdita per le telecomunicazioni di prossima generazione, inclusi i materiali emergenti. IDTechEx prevede i ricavi futuri e la domanda di materiali a bassa perdita per il 5G, segmentando attentamente il mercato per frequenza (sub-6 GHz vs. onde millimetriche), sei tipologie di materiali e tre aree di applicazione (smartphone, infrastrutture e CPE) per fornire sessanta diverse linee di previsione.
