IDTechEx untersucht die Verwendung von PFAS als verlustarme Materialien für 5G-Anwendungen

IDTechEx untersucht die Verwendung von PFAS als verlustarme Materialien für 5G-Anwendungen
In wichtigen Märkten wie der Europäischen Union und den USA wird über eine Gesetzgebung diskutiert, die die Verwendung von "forever chemicals" oder Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) einschränkt. Aber wie wird sich dies auf den Markt für verlustarme Materialien für 5G auswirken, wenn bestimmte Mitglieder der PFAS-Familie, nämlich Fluorpolymere wie Polytetrafluorethylen (PTFE), für 5G-Anwendungen der nächsten Generation in Betracht gezogen werden?
 
Da die 5G-Telekommunikation weltweit immer weiter ausgebaut wird, steigt der Bedarf an Materialien, die diese 5G-Netze ermöglichen. Dies gilt insbesondere für das 5G-Frequenzband mit dem größten Interesse und der größten Spannung - mmWave (Millimeterwelle) 5G. mmWave 5G, das in Hochfrequenzbändern zwischen 24 und 100 GHz betrieben wird, bietet schnellere Datenübertragungsraten, niedrige Latenzzeiten und höhere Bandbreiten im Vergleich zu früheren Drahtlostechnologien wie 3G (<1 GHz) und 4G LTE (1 - 2,6 GHz) und sogar dem häufiger eingesetzten 5G-Frequenzband von unter 6 GHz.
 
Die Einführung der mmWave 5G-Technologie birgt jedoch über ihre physikalischen Eigenschaften hinaus weitere Herausforderungen, wie z. B. hohe Übertragungsverluste bei höheren Frequenzen, die die Fähigkeit von mmWave 5G beeinträchtigen, hochwertige Signale an die Nutzer zu liefern. Die Verringerung der Übertragungsverluste wird eine der wichtigsten Hürden sein, die mmWave 5G überwinden muss. Daher werden für das Wachstum von mmWave 5G leistungsfähigere Materialien benötigt, die die Übertragungsverluste minimieren.
 
Hier kommen verlustarme Materialien ins Spiel. Die Verbesserung der dielektrischen Eigenschaften dieser Materialien, die sich in jedem Winkel eines 5G-Geräts befinden, von der Leiterplatte (PCB) über die Antenne bis hin zum IC-Gehäuse, ist entscheidend für die Verringerung der Übertragungsverluste und die Verbesserung des 5G-Signals. Dieser Bedarf treibt das Wachstum des Marktes für verlustarme Materialien für 5G-Anwendungen an, der laut IDTechExbis 2033 ein Volumen von 1,8 Milliarden US-Dollar erreichen wird.
 
PTFE: Könnten geplante Verbote diese beliebte Wahl für mmWave 5G beeinträchtigen?
 
Ein verlustarmes Material, das für mmWave-5G-Anwendungen von großem Interesse ist, ist Polytetrafluorethylen (PTFE), ein Fluorpolymer und damit ein Mitglied der Familie der Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS). PTFE hat eine niedrigere Dielektrizitätskonstante (Dk) und einen niedrigeren Verlusttangens (Df) als die üblicherweise verwendeten verlustarmen duroplastischen Materialien. Tatsächlich zeigen die Benchmarking-Studien von IDTechEx in ihrem Bericht "Verlustarme Materialien für 5G und 6G 2023-2033", dass kommerzielle PTFE-Laminate einen Verlusttangens aufweisen, der im Durchschnitt sechsmal geringer ist als bei kommerziellen Laminaten auf Epoxidbasis. PTFE bietet außerdem eine stabile dielektrische Leistung über einen weiten Frequenz- und Temperaturbereich sowie eine hohe Wärme- und Korrosionsbeständigkeit. Aus diesen Gründen erkunden viele Unternehmen die Verwendung von PTFE, das von Unternehmen wie Rogers Corporation, Taconic und SYTECH (Shengyi Technology Co., Ltd) angeboten wird, für ihre mmWave-5G-Basisstationen und Kundenendgeräte (CPEs).
 
PTFE hat jedoch auch seine Nachteile, wie höhere Kosten und Schwierigkeiten bei der Herstellung. Außerdem stellt sich angesichts einiger vorgeschlagener Verbote von PFAS die drängende Frage der Regulierung.
 
 
PFAS gelten aufgrund der Stärke der Fluor-Kohlenstoff-Bindung als "Ewigkeitschemikalien", die bei Anreicherung im menschlichen Körper mit verschiedenen Gesundheitsrisiken verbunden sind. PFAS gelangen bei der Herstellung, der Verwendung in industriellen Prozessen und der End-of-Life-Behandlung in den Wasserkreislauf, was zu einer unvermeidlichen Exposition von Organismen führt.
 
Die Herstellung und Verwendung von PFAS-Chemikalien wird zunehmend strengeren Vorschriften unterworfen. Die Europäische Kommission verbot 2021 die Verwendung von PFAS in mehreren Bereichen, darunter auch in Feuerlöschschäumen, um ihre Verwendung auf Anwendungen von entscheidender gesellschaftlicher Bedeutung zu beschränken, während die Europäische Chemikalienagentur (ECHA) im Januar 2023 einen Vorschlag vorlegte, um alle Verwendungen von PFAS in der EU bis 2025 zu beschränken. Im Dezember 2022 veröffentlichte das US-EPA ein Memo, das darauf abzielt, die Einleitung von PFAS in Gewässer zu reduzieren.
 
In Anbetracht der aktuellen und geplanten Beschränkungen wollen einige Unternehmen ihre Abhängigkeit von PFAS verringern. Ein bemerkenswerter Akteur in diesem Bereich ist 3M, das im Dezember 2022 ankündigte, die Produktion einzustellen und daran zu arbeiten, die Verwendung von PFAS bis 2025 zu beenden. Als Hauptgründe für den Ausstieg aus dem PFAS-Markt nannte 3M regulatorische Beschränkungen, ein "zunehmendes Interesse der Verbraucher an Alternativen" und betriebliche Schwierigkeiten.
 
Die genaue Gesetzgebung für PFAS wird in nächster Zeit nicht bekannt sein. Während der bei der ECHA eingereichte Vorschlag in die Konsultationsphase der wissenschaftlichen Ausschüsse geht, fordern viele in der Branche, dass Fluorpolymere differenziert und von diesen umfassenden Verboten ausgenommen werden. Das Ergebnis kann weitreichende Auswirkungen haben, aber unabhängig vom Ausgang haben diese Entwicklungen zu einer großen Unsicherheit auf dem Markt geführt.
 
Aufkommende Alternativen zu PTFE auf dem Markt für verlustarme Materialien
 
Angesichts dieser legislativen Entwicklungen ist es ungewiss, ob die Anwendung von PTFE in mmWave-5G-Geräten betroffen sein wird. Infolgedessen könnten Unternehmen potenzielle Alternativen für PTFE für den mmWave-5G-Markt in Betracht ziehen. IDTechEx hat in seinem Bericht "Verlustarme Materialien für 5G und 6G 2023-2033" mehrere dieser Materialalternativen erörtert und ihre dielektrische Leistung, mechanischen Eigenschaften, Lieferanten und Marktdurchdringung untersucht. Einige der meistdiskutierten Alternativen werden im Folgenden hervorgehoben:
 
Laminate auf Kohlenwasserstoffbasis
Laminate auf Kohlenwasserstoffbasis bieten mehr als nur die Tatsache, dass sie nicht zur Familie der PFAS gehören. Laminate auf Kohlenwasserstoffbasis haben eine niedrige passive Intermodulation (PIM), die zu Rauschen und einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis beiträgt; dies ist ein Vorteil gegenüber PTFE, das eine schlechte PIM-Stabilität im Laufe der Zeit aufweist. Außerdem sind Kohlenwasserstoffe mit herkömmlichen Leiterplattenmaterialien kompatibel, so dass sie zur Bildung eines Verbundlaminats verwendet werden können. Und schließlich werden sie zu niedrigeren Kosten als PTFE angeboten. Allerdings haben Laminate auf Kohlenwasserstoffbasis oft einen hohen Füllstoffgehalt, was zu Verarbeitungsschwierigkeiten führen kann, und ihre dielektrische Leistung ist bei moderaten Betriebstemperaturen weniger stabil als die von PTFE.
 
Poly(p-phenylenether) (PPE) und Poly(p-phenylenoxid) (PPO)
PPO und PPE sind Hochtemperatur-Thermoplaste, die als dielektrisches Material in Leiterplatten für zahlreiche Märkte, einschließlich der Telekommunikation, verwendet werden. Sie bieten eine ähnliche (wenn auch etwas höhere) Dielektrizitätskonstante und einen ähnlichen Verlusttangens im Vergleich zu PTFE, sind jedoch weniger umweltschädlich und kostengünstiger als PTFE. PPO/PPE haben jedoch eine höhere Feuchtigkeitsaufnahme als PTFE. Noch wichtiger ist, dass ihr Verlusttangens mit steigender Betriebsfrequenz zunimmt, und zwar stärker als der Verlusttangens von PTFE; die mangelnde Stabilität des Verlusttangens bei höheren Frequenzen kann für bestimmte Anwendungen problematisch sein.
 
Gemeinsam gebrannte gesinterte Niedertemperaturkeramik (LTCC)
LTCC bezieht sich auf Keramiken mit einer Sintertemperatur unter 1000 °C. Aus Sicht der Materialeigenschaften bieten LTCC einen niedrigen Verlusttangens, der ideal für mmWave 5G ist, eine hohe Isolationsfestigkeit und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK), der für die Herstellung relevant ist. Wichtig ist auch, dass LTCC die Herstellung von integrierten Gehäusen mit eingebetteten Komponenten ermöglicht; solche Gehäuse sind klein und können in kleinere mmWave 5G-Geräte eingebaut werden. Allerdings leiden LTCCs unter einer höheren Dielektrizitätskonstante, komplexen Herstellungsprozessen und höheren Kosten.
 
Marktprognosen für verlustarme Materialien für 5G und 6G
 
Der neueste Bericht von IDTechEx, "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 der neuen Materialien, die erforscht werden. IDTechEx prognostiziert den zukünftigen Umsatz und die Flächennachfrage nach verlustarmen Materialien für 5G, wobei der Markt sorgfältig nach Frequenz (unter 6 GHz vs. mmWave), sechs Materialtypen und drei Anwendungsbereichen (Smartphones, Infrastruktur und CPEs) segmentiert wird, um sechzig verschiedene Prognoselinien zu erstellen.
 
Weitere Informationen zu verlustarmen Materialien für 5G und 6G, einschließlich Material-Benchmarking-Studien, Analysen von Marktteilnehmern, Markttreibern und -hindernissen sowie detaillierten 10-Jahres-Marktprognosen, finden Sie unterwww.IDTechEx.com/LowLossMats. Musterseiten stehen unter diesem Link zum Download bereit.