5G向け熱材料の次なるステージ

5G向け熱材料の次なるステージ

Blue waved lines with blue dots and 5G on a black background
5Gは、最近のスマートフォンにおいてはすでに一般的な機能です(それを示す小さなロゴが画面の上の角に表示されています)。5Gが古いテクノロジーであると考えてしまうのも無理はありませんが、5Gにはいくつかの周波数帯があり、それらの展開は今のところ均等に進んでいないのが実情です。「5G」インフラの多くは既存の4G技術をそれなりにアップグレードしたものであり、より高周波数帯の展開(ミリ波機器など)や、基地局タイプの多様化(スモールセルなど)に関してまだ多くの改善余地が残っています。こうした新しい動きは、それぞれが独自の技術的進化を遂げていますが、それに伴って熱に関する課題も生じています。5Gの熱管理に関する IDTechExの調査レポート『5G の熱管理 2022-2032年』では、半導体技術(CMOS、SiGe、GaNなど)、熱伝導材料、ダイ接着技術で起きているイノベーションを取り上げています。 

ミリ波5G:電子回路の高密度化がもたらす熱の課題

5Gはいくつかの周波数帯に分類できますが、これらのいくつかには既存の低周波帯域が転用されており、一部の新帯域は最大6GHzに達しています。これまでの展開のほとんどはこれらの帯域で進められてきました。しかし、ダウンロード速度を大幅に向上させる方法や、遅延時間を最小限に抑える方法についての議論は、ミリ波(20 GHz超)5Gが前提になっていることがほとんどです。この領域には、大幅な技術革新やユースケースの新たな展開の余地がまだあります。
 
5Gの展開は2つの新帯域と既存の低周波数帯で構成。Source: IDTechEx - 『5G の熱管理 2022-2032年』
 
アンテナ間隔が信号の波長の半分に等しいとすると、周波数が高くなるほど、アンテナ自体をはるかに小型化することが可能です。これまでのアンテナ技術の数分の1のサイズのパッケージの中に数千の素子をまとめることができるのです。しかしながら、これは、IC(集積回路)の高密度化につながるため、通常はICをアンテナ基板の背面に直接実装します。ICを密集させると、放熱が大きくなり、熱管理の課題が生じます。IDTechExが調査したところ、現在使用されている熱伝導材料(TIM)のほとんどは、熱伝導率が4W/m・K未満であるものの、将来の5G機器の需要により、この値が優に5~10 W/m・Kのレンジまで押し上げられる可能性があることが分かりました。

ミリ波5G:より多くのアンテナが必要

高周波数帯通信インフラが抱えるもう1つの重要な課題が信号の伝搬です。周波数が高くなるにつれ、信号は減衰しやすくなります。そのため、ブロードキャスト範囲が大きく減少し、信号が壁や窓によって遮断されやすくなるのです。この問題に対する解決策の1つは、ビームフォーミングを使用してユーザーのデバイスに直接狙いを向けることです。このように信号をうまく制御すると、アンテナ基板上にある高性能ICのコンパクト化に伴う前述の課題にも効果があります。
 
しかしながら、それも限定的なものです。広大なエリアにわたって十分な受信可能範囲を実現するには、このようなアンテナがもっと多く必要となります。IDTechExでは、2032年までにミリ波アンテナの年間の設置数が2022年の41倍に増加すると予測しています。これは一見するほど大した問題ではありません。なぜなら、先にのべたとおりアンテナユニットは非常にコンパクトだからです。つまり、これまでのインフラと比べて、より簡単に、(街灯柱などと)より一体性を持たせる形で設置できるのです。より多くのミリ波アンテナが必要になることで、熱材料の市場は、わずか5年の間に5倍の成長が見込まれています。
 
ミリ波アンテナにより2032年までに最大のTIM市場が出現。 Source: IDTechEx - 『5G の熱管理 2022-2032年』
 
5Gの熱管理に関するIDTechExのレポートでは、5Gの展開におけるトレンドと、アンテナの設計、半導体技術の選択、ダイ接着材料、熱伝導材料にそれがどう影響するかを取り上げています。今後10年間の技術動向と市場予測も掲載しています。さらに、多くのスマートフォンへの5Gの搭載が熱材料(界面とヒートスプレッダ)にどう影響するのかについても考察しています。
さらに詳しい内容は、『5G の熱管理 2022-2032年』 でご確認ください。
 
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