La legislación que restringe el uso de "sustancias químicas para siempre", o sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS), se está debatiendo en mercados importantes como la Unión Europea y Estados Unidos. Pero dado que algunos miembros de la familia de las PFAS, como los fluoropolímeros como el politetrafluoroetileno (PTFE), se están considerando para aplicaciones 5G de nueva generación, ¿cómo afectará esto al mercado de materiales de baja pérdida para 5G?

Al fin y al cabo, a medida que las telecomunicaciones 5G siguen desplegándose en todo el mundo, la necesidad de materiales que permitan estas redes 5G sigue creciendo. El 5G de ondas milimétricas, que funciona en bandas de alta frecuencia entre 24 y 100 GHz, ofrece velocidades de transferencia de datos más rápidas, baja latencia y mayor ancho de banda en comparación con las tecnologías inalámbricas anteriores, como 3G (<1 GHz) y 4G LTE (1 - 2,6 GHz), e incluso la banda de frecuencia 5G más comúnmente desplegada de sub-6 GHz.

Sin embargo, el despliegue de la tecnología mmWave 5G plantea retos que van más allá de sus características físicas, como la elevada pérdida de transmisión a frecuencias más altas, que perturba la capacidad de la mmWave 5G para ofrecer señales de alta calidad a los usuarios. La reducción de la pérdida de transmisión será un obstáculo clave que deberá superar la tecnología mmWave 5G, por lo que esta tecnología requerirá materiales de mayor rendimiento que minimicen la pérdida de transmisión para apoyar su crecimiento.

Aquí es donde entran en juego los materiales de bajas pérdidas. Mejorar las propiedades dieléctricas de estos materiales, que se encuentran en todos los rincones de un dispositivo 5G, desde la placa de circuito impreso (PCB) hasta la antena y el embalaje del circuito integrado, es fundamental para reducir la pérdida de transmisión y mejorar la señal 5G. Esta necesidad está impulsando el crecimiento del mercado de materiales de baja pérdida para aplicaciones 5G, que IDTechEx prevé que alcance los 1.800 millones de dólares en 2033.

PTFE: ¿podrían las prohibiciones propuestas afectar a esta popular elección para mmWave 5G?
Un material de bajas pérdidas de gran interés para las aplicaciones mmWave 5G es el politetrafluoroetileno (PTFE), un fluoropolímero y, por tanto, miembro de la familia de las sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS). El PTFE tiene una constante dieléctrica (Dk) y una tangente de pérdida (Df) menores que los materiales termoestables de baja pérdida utilizados habitualmente. De hecho, los estudios comparativos de IDTechEx concluyen que los laminados comerciales de PTFE tienen una tangente de pérdida que es, de media, seis veces menor que los laminados comerciales de base epoxi. El PTFE también ofrece un rendimiento dieléctrico estable en toda una gama de frecuencias y temperaturas, así como resistencia al calor y a la corrosión. Por estas razones, muchos están explorando el uso de PTFE, suministrado por empresas como Rogers Corporation, Taconic y SYTECH (Shengyi Technology Co., Ltd), para sus estaciones base mmWave 5G y equipos en las instalaciones del cliente (CPE).

Sin embargo, el PTFE tiene sus inconvenientes, como los costes más elevados y las dificultades de fabricación. Además, está la acuciante cuestión de la regulación, dadas algunas de las prohibiciones de PFAS propuestas.

Los PFAS se consideran "sustancias químicas para siempre" debido a la fuerza del enlace flúor-carbono, con varios riesgos para la salud asociados a la acumulación en el cuerpo humano. Los PFAS se transfieren al ciclo del agua durante sus fases de fabricación, uso en procesos industriales y tratamiento al final de su vida útil, lo que conlleva una exposición inevitable para los organismos.

La fabricación y utilización de sustancias químicas PFAS está siendo objeto de normativas cada vez más estrictas. La Comisión Europea prohibió el uso de PFAS en varios ámbitos, incluidas las espumas contra incendios en 2021, con la intención de limitar su uso a aplicaciones de importancia social crítica, mientras que la Agencia Europea de Sustancias y Preparados Químicos (ECHA) presentó una propuesta en enero de 2023 para restringir todos los usos de PFAS en la UE para 2025. En diciembre de 2022, la EPA estadounidense publicó un memorando que pretende reducir el vertido de PFAS a las vías fluviales.

Dadas las restricciones actuales y propuestas, algunas empresas están tratando de reducir su dependencia de los PFAS. Una empresa destacada en este ámbito es 3M, que anunció en diciembre de 2022 que dejará de fabricar PFAS y trabajará para dejar de utilizarlas en 2025. 3M citó las restricciones normativas, el creciente interés de los consumidores por las alternativas y las dificultades operativas como principales razones para abandonar el mercado de las PFAS.

La legislación exacta que afectará a los PFAS no se conocerá en breve. A medida que la propuesta presentada a la ECHA entra en un periodo de consulta por parte de los comités científicos, muchos en la industria piden que los fluoropolímeros se diferencien y se excluyan de estas amplias prohibiciones. El resultado puede tener implicaciones de gran alcance, pero independientemente del resultado, estos acontecimientos han generado una gran incertidumbre en el mercado.

Nuevas alternativas al PTFE en el mercado de materiales de baja pérdida

Ante estas novedades legislativas, no se sabe si la aplicación del PTFE en dispositivos mmWave 5G se verá afectada. Como resultado, las empresas pueden considerar posibles alternativas al PTFE para el mercado mmWave 5G. IDTechEx ha analizado varias de estas alternativas materiales, examinando su rendimiento dieléctrico, propiedades mecánicas, proveedores y penetración en el mercado. A continuación se destacan algunas de las alternativas más discutidas:

Laminados a base de hidrocarburos
Los laminados a base de hidrocarburos ofrecen algo más que simplemente no formar parte de la familia PFAS. Los laminados a base de hidrocarburos tienen una baja intermodulación pasiva (PIM), lo que contribuye al ruido y a la baja relación señal-ruido; esto es ventajoso en comparación con el PTFE, que tiene una mala estabilidad de la PIM con el tiempo. Además, los hidrocarburos son compatibles con los materiales convencionales de las placas de circuitos, por lo que pueden utilizarse para formar un laminado compuesto. Por último, se ofrecen a un coste inferior al del PTFE. Sin embargo, los laminados a base de hidrocarburos suelen tener un alto contenido de relleno, lo que puede provocar dificultades de procesamiento, y su rendimiento dieléctrico es menos estable que el del PTFE a temperaturas de funcionamiento moderadas.

Poli(éter de p-fenileno) (PPE) y poli(óxido de p-fenileno) (PPO)
El PPO y el PPE son materiales termoplásticos de alta temperatura que se han utilizado como material dieléctrico en placas de circuito impreso para numerosos mercados, incluidas las telecomunicaciones. Ofrecen una constante dieléctrica y una tangente de pérdida similares (aunque ligeramente superiores) a las del PTFE, pero con menos problemas medioambientales y menor coste que éste. Sin embargo, el PPO/PPE tiene mayores índices de absorción de humedad que el PTFE. Y lo que es más importante, sus tangentes de pérdida aumentan a medida que aumenta la frecuencia de funcionamiento, más que la tangente de pérdida del PTFE; la falta de estabilidad de la tangente de pérdida a frecuencias más altas puede ser preocupante para determinadas aplicaciones.

Cerámica sinterizada por cocción a baja temperatura (LTCC)
Desde el punto de vista de las propiedades de los materiales, los LTCC ofrecen una tangente de baja pérdida ideal para mmWave 5G, una alta resistencia de aislamiento y un bajo coeficiente de expansión térmica (CTE), lo que es importante para la fabricación. Y lo que es más importante, los LTCC permiten fabricar paquetes integrados que incluyen componentes embebidos; estos paquetes son pequeños y pueden acoplarse a dispositivos mmWave 5G de menor tamaño. Sin embargo, los LTCC tienen una constante dieléctrica más alta, procesos de fabricación más complejos y costes más elevados.

Previsiones de mercado de materiales de baja pérdida para 5G y 6G

El  informe de IDTechEx, "Materiales de bajas pérdidas para 5G y 6G 2023-2033", explora los desarrollos tecnológicos y las tendencias del mercado que impulsan el crecimiento del mercado de materiales de baja pérdida para las telecomunicaciones de próxima generación, incluidos los nuevos materiales que se están explorando. IDTechEx pronostica los ingresos futuros y la demanda de área de materiales de baja pérdida para 5G mientras segmenta cuidadosamente el mercado por frecuencia (sub-6 GHz vs. mmWave), seis tipos de materiales y tres áreas de aplicación (smartphones, infraestructura y CPEs) para proporcionar sesenta líneas de previsión diferentes.