5G: IDTechEx esamina l’uso dei Pfas per le applicazioni

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La legislazione che limita l’uso di “sostanze chimiche per sempre“, o sostanze per- e polifluoroalchiliche (Pfas), è in discussione in mercati come l’Unione Europea e gli Stati Uniti.

Ma dato che alcuni membri della famiglia dei Pfas, in particolare i fluoropolimeri come il politetrafluoroetilene (Ptfe), sono stati presi in considerazione per le applicazioni 5G di prossima generazione, la società di ricerca di Cambridge IDTechEx si chiede come influirà questo sul mercato dei materiali a bassa perdita per il 5G.

L’anlisi sottolinea che, mentre le telecomunicazioni 5G continuano a diffondersi a livello globale, la necessità di materiali che consentano queste reti 5G continua a crescere. Questo è particolarmente vero per la banda di frequenza 5G che suscita maggiore interesse: mmWave (onde millimetriche) 5G. mmWave 5G, che opera in bande ad alta frequenza tra 24 e 100 GHz, offre velocità di trasferimento dati più elevate, bassa latenza e maggiore larghezza di banda rispetto alle tecnologie wireless precedenti, come 3G (<1 GHz) e 4G LTE (1 – 2,6 GHz), e persino la banda di frequenza 5G più comunemente utilizzata, inferiore a 6 GHz.

Tuttavia, l’implementazione della tecnologia mmWave 5G pone sfide che vanno oltre le sue caratteristiche fisiche, come l’elevata perdita di trasmissione alle frequenze più elevate, che compromette la capacità della mmWave 5G di fornire segnali di alta qualità agli utenti. La riduzione della perdita di trasmissione sarà un ostacolo fondamentale da superare per l’mmWave 5G; per questo motivo, l’mmWave 5G richiederà materiali più performanti che riducano al minimo la perdita di trasmissione per sostenere la sua crescita.

I materiali a bassa perdita: un mercato da 1,8 mld/$

È qui che entrano in gioco i materiali a bassa perdita. Migliorare le proprietà dielettriche di questi materiali, che si trovano in ogni angolo di un dispositivo 5G, dal circuito stampato (PCB) all’antenna fino all’imballaggio del circuito integrato, è fondamentale per ridurre la perdita di trasmissione e migliorare il segnale 5G.

Questa esigenza sta alimentando 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.

Un materiale a bassa perdita di grande interesse per le applicazioni mmWave 5G è il politetrafluoroetilene (Ptfe), un fluoropolimero e, quindi, un membro della famiglia delle sostanze per- e polifluoroalchiliche (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, gli studi di benchmarking di IDTechEx nel rapporto “Materiali a basse perdite per 5G e 6G 2023-2033″ rilevano che i laminati commerciali in Ptfe hanno una tangente di perdita che è, in media, sei volte inferiore a quella dei laminati commerciali a base epossidica.

Il Ptfe offre inoltre prestazioni dielettriche stabili in una gamma di frequenze e temperature, nonché resistenza al calore e alla corrosione. Per questi motivi, molti stanno valutando la possibilità di utilizzare il Ptfe, fornito da aziende quali Rogers Corporation, Taconic e SYTECH (Shengyi Technology Co., Ltd), per le loro stazioni base mmWave 5G e per le apparecchiature dei clienti (CPE).

Tuttavia, secondo l’analisi il Ptfe ha i suoi svantaggi, come i costi più elevati e le difficoltà di produzione. Inoltre, c’è la questione pressante della regolamentazione, viste alcune delle proposte di messa al bando dei Pfas.

Sostanze chimiche per sempre

L’analisi riporta che i Pfas sono considerati “sostanze chimiche per sempre” a causa della forza del legame fluoro-carbonio, con diversi rischi per la salute associati all’accumulo nel corpo umano. I Pfas vengono trasferiti nel ciclo dell’acqua durante le fasi di produzione, l’uso nei processi industriali e il trattamento a fine vita, portando a un’inevitabile esposizione degli organismi.

La produzione e l’utilizzo di sostanze chimiche Pfas sono soggetti a normative sempre più severe. Nel 2021 la Commissione europea ha vietato l’uso dei Pfas in diversi settori, tra cui quello delle schiume antincendio, con l’intenzione di limitarne l’impiego ad applicazioni di importanza critica per la società, mentre nel gennaio 2023 l’Agenzia chimica europea (Echa) ha presentato una proposta per limitare tutti gli usi dei Pfas nell’Ur entro il 2025. Nel dicembre 2022, l’Epa statunitense ha pubblicato una nota che mira a ridurre gli scarichi di Pfas nei corsi d’acqua.

Viste le restrizioni attuali e quelle proposte, alcune aziende stanno cercando di ridurre la loro dipendenza dai Pfas. Un attore di rilievo in questo spazio è 3M, che ha annunciato nel dicembre 2022 che cesserà la produzione e si impegnerà per interrompere l’uso dei Pfas entro il 2025. 3M ha citato le restrizioni normative, il crescente interesse dei consumatori per le alternative e le difficoltà operative come motivi principali per uscire dal mercato dei PFAS.

Secondo IDTechEx, l’esatta legislazione sui 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 siano differenziati ed esclusi da questi ampi divieti. Il risultato potrebbe avere implicazioni di vasta portata, ma a prescindere dall’esito, questi sviluppi hanno creato una grande incertezza sul mercato.

Alternative emergenti al Ptfe nel mercato dei materiali a basse perdite

A fronte di questi sviluppi legislativi, secondo IDTechEx non è certo che l’applicazione del Ptfe nei dispositivi mmWave 5G ne risenta. Di conseguenza, le aziende possono considerare potenziali alternative al Ptfe per il mercato mmWave 5G.

IDTechEx ha discusso diverse di queste alternative di materiali nel suo rapporto “Materiali a basse perdite per 5G e 6G 2023-2033”, analizzando le loro prestazioni dielettriche, le proprietà meccaniche, i fornitori e la penetrazione nel mercato. Di seguito sono state evidenziate alcune delle alternative più discusse:

Laminati a base di idrocarburi

I laminati a base di idrocarburi offrono molto di più che non far parte della famiglia dei Pfas. I laminati a base di idrocarburi hanno una bassa intermodulazione passiva (Pim), che contribuisce al rumore e al basso rapporto segnale-rumore; questo è un vantaggio rispetto al Ptfe, che ha una scarsa stabilità Pim nel tempo.

Inoltre, gli idrocarburi sono compatibili con i materiali dei circuiti convenzionali e possono essere utilizzati per formare un laminato composito. Infine, sono offerti a costi inferiori rispetto al Ptfe. Tuttavia, i laminati a base di idrocarburi hanno spesso un elevato contenuto di riempitivo, che può comportare difficoltà di lavorazione, e presentano prestazioni dielettriche meno stabili rispetto al Ptfe a temperature di esercizio moderate.

Poli(p-fenilene etere) (Ppe) e poli(p-fenilene ossido) (Ppo)

Ppo e Ppe sono materiali termoplastici ad alta temperatura che sono stati utilizzati come materiale dielettrico nei Pcb per numerosi mercati, tra cui quello delle telecomunicazioni. Offrono una costante dielettrica e una tangente di perdita simili (anche se leggermente superiori) a quelle del Ptfe, ma con minori problemi ambientali e costi inferiori rispetto a quest’ultimo.

Tuttavia, il Ppo/Ppe presenta tassi di assorbimento dell’umidità più elevati rispetto al Ptfe. Inoltre, le loro tangenti di perdita aumentano all’aumentare della frequenza operativa, più della tangente di perdita del Ptfe; la mancanza di stabilità della tangente di perdita a frequenze più elevate può essere preoccupante per alcune applicazioni.

Ceramica sinterizzata cotta a bassa temperatura (Ltcc)

Ltcc si riferisce a ceramiche con temperatura di sinterizzazione inferiore a 1000°C; dal punto di vista delle proprietà dei materiali, Ltcc offre una bassa tangente di perdita ideale per mmWave 5G, un’elevata resistenza all’isolamento e un basso coefficiente di espansione termica (Cte), che è importante per la produzione. Inoltre, l’Ltcc consente di produrre pacchetti integrati che includono componenti incorporati; tali pacchetti sono piccoli e possono essere montati su dispositivi mmWave 5G più piccoli.

Tuttavia, gli Ltcc soffrono di una costante dielettrica più elevata, di processi di produzione complessi e di costi più elevati.

Previsioni di mercato per i materiali a bassa perdita per il 5G e il 6G

L’ultimo rapporto di IDTechEx, “Materiali a basse perdite per 5G e 6G 2023-2033”, esplora 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, compresi i nuovi materiali in fase di studio.

IDTechEx prevede le entrate future e la domanda di aree per i materiali a bassa perdita per il 5G, segmentando accuratamente il mercato per frequenza (sub-6 GHz vs. mmWave), sei tipi di materiali e tre aree di applicazione (smartphone, infrastrutture e CPE) per fornire sessanta diverse linee di previsione.

Per l’intera gamma di ricerche sul 5G disponibili presso IDTechEx.

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