La bataille des matériaux de la 5G : Sub-6 GHz vs. ondes millimétriques

La bataille des matériaux de la 5G : Sub-6 GHz vs. ondes millimétriques

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Le déploiement de la 5G bat son plein, les infrastructures de bande moyenne installées d'ici fin 2021 représentant près de 6 fois ce qu'elles étaient en 2019. Cependant, cela ne signifie pas que tous les défis ont été résolus. Une grande partie de l'infrastructure 5G est constituée d'équipements 4G reconvertis dans des bandes de fréquences inférieures. La véritable transition vers la 5G vient de l'adoption de fréquences plus élevées qui ont été largement catégorisées en bandes sub-6 GHz et mmWave (> 20 GHz). L'un des principaux défis à relever est la gestion thermique. Lorsque le déploiement de la 5G passe à des fréquences plus élevées, la conception de l'antenne, la technologie et les choix de matériaux changent également. Cela aura un impact sur plusieurs facteurs tels que la technologie des semi-conducteurs, les matériaux de fixation des puces et les matériaux d'interface thermique.
 
Le déploiement à court terme se fait principalement dans la bande des 6 GHz, mais à long terme, les ondes millimétriques dominent. Source : IDTechEx - "Gestion thermique pour 5G 2022-2032".
 
Si la 5G sous les 6 GHz n'offre pas les vitesses et les applications étonnantes souvent annoncées pour la 5G, elle joue un rôle crucial dans la couverture de vastes zones. Une partie de ce rôle est assurée par les bandes inférieures, plus comparables à la 4G historique, mais à mesure que l'on dépasse les 4 GHz, les amplificateurs de puissance LDMOS (métal-oxyde-semiconducteur à diffusion latérale) historiques commencent à avoir du mal à être efficaces. C'est là que les semi-conducteurs à large bande interdite comme le GaN (arséniure de gallium) commencent à briller. Nous avons commencé à voir le GaN adopté par des acteurs comme Huawei dans leur infrastructure 4G. Nous nous attendons à ce que le GaN prenne une plus grande part de marché dans la 5G et avec le GaN vient une transition dans la technologie de fixation des puces. En fait, IDTechEx prévoit que la demande annuelle d'amplificateurs de puissance GaN sera multipliée par quatre au cours des dix prochaines années pour les infrastructures 5G. L'AuSn est le matériau de fixation de puce typique pour le GaN aujourd'hui, mais nous prévoyons une opportunité pour les pâtes frittées en tant que remplacement avec leur performance thermique améliorée comme abordé dans le dernier rapport d'IDTechEx, "Gestion thermique pour 5G 2022-2032".
 
mmWave est la technologie haute fréquence qui peut offrir les applications potentiellement merveilleuses de la 5G avec des vitesses de téléchargement incroyables et une latence ultra-faible. Le défi vient de la propagation du signal, car plus la fréquence augmente, plus l'atténuation du signal augmente, ce qui entraîne une réduction de la portée et un blocage facile par les murs, les fenêtres et même les conditions météorologiques sévères. Pour augmenter le gain de l'antenne, le nombre d'éléments d'antenne va augmenter, mais grâce à la longueur d'onde plus petite, les unités d'antenne elles-mêmes vont diminuer. Il en résulte un réseau beaucoup plus dense d'amplificateurs de puissance et de composants électroniques de formation de faisceau et, par conséquent, un plus grand défi de gestion thermique. Grâce au plus grand nombre d'éléments d'antenne, la puissance demandée à chaque amplificateur peut potentiellement être réduite, mais la nature très compacte de l'électronique entraînera une plus grande intégration des composants et reposera probablement davantage sur les technologies à base de silicium. Cependant, les petites cellules à ondes millimétriques nécessiteront un plus grand nombre de déploiements pour fournir une couverture suffisante et, en raison de leurs scénarios de déploiement, il est peu probable qu'elles puissent utiliser des méthodes de refroidissement actif. En combinant cela avec la densification des composants de formation de faisceaux, les besoins en solutions telles que les matériaux d'interface thermique seront plus importants.
 
Une autre technologie populaire pour la 5G est le MIMO massif, qui permet aux infrastructures de desservir davantage de terminaux dans la même bande de fréquences. Cela augmente le nombre de chaînes RF par installation, les capacités de formation de faisceau et le nombre d'éléments d'antenne utilisés dans les réseaux. Il en résulte une augmentation des matériaux requis pour le circuit imprimé de l'antenne, les amplificateurs de puissance, les composants de formation de faisceau, et bien d'autres encore. Le MIMO massif fait également augmenter les taux de transfert de données et les canaux, ce qui entraîne une augmentation des besoins en unités de traitement de bande de base, de la consommation d'énergie et, par conséquent, des opportunités de marché pour les matériaux d'interface thermique.
Le déploiement de la 5G s'intensifie, tout comme la demande annuelle de matériaux d'interface thermique (TIM). Source : IDTechEx - "Gestion thermique pour la 5G 2022-2032" (en anglais)
 
Le dernier rapport d'IDTechEx sur la gestion thermique pour la 5G traite des tendances du déploiement de la 5G et de son impact sur la conception des antennes, le choix de la technologie des semi-conducteurs, les matériaux de fixation des puces et les matériaux d'interface thermique. Les aspects technologiques et les prévisions de marché sont inclus pour les 10 prochaines années. En outre, il examine de nombreux smartphones et la façon dont l'incorporation de la 5G a un impact sur les matériaux thermiques (interface et diffuseurs de chaleur).
 
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