Con varias opciones diferentes de materiales de baja pérdida disponibles en el mercado, este artículo de la Dra. Shababa Selim, experta en materiales y analista tecnológica sénior aquí en IDTechEx, examina las propiedades y factores clave a tener en cuenta que guían la selección de materiales para aplicaciones de alta frecuencia.
Selección de los materiales de baja pérdida adecuados para circuitos de alta frecuencia
A medida que los sistemas de comunicación pasan a frecuencias más altas (por ejemplo, 5G/6G) y las transferencias de datos alcanzan velocidades más altas, minimizar las pérdidas de transmisión y mantener la integridad de la señal se vuelve muy importante. Aquí es donde entran en juego los materiales de baja pérdida. Estos materiales son cruciales para varias aplicaciones, como las telecomunicaciones 5G mmWave y las futuras 6G, los sistemas de radar para automóviles, así como la infraestructura de centros de datos, como conmutadores de servidores, transceptores, etc.
Según las previsiones de IDTechEx en su último informe «Materiales de baja pérdida para 5G/6G, radares y tecnología digital de alta velocidad 2026-2036: mercados, tendencias y previsiones», se espera que la demanda de LLM se multiplique por siete en la próxima década.
Tipos de materiales de baja pérdida
En el mercado existen varios tipos de materiales de baja pérdida que se clasifican en categorías orgánicas e inorgánicas. Cada material tiene sus propias ventajas e inconvenientes en cuanto a rendimiento, fabricabilidad y coste. Los materiales orgánicos han ganado una gran popularidad para aplicaciones de alta frecuencia. Algunos ejemplos de estos materiales son los epoxis especializados, el politetrafluoroetileno (PTFE), el polímero de cristal líquido (LCP), el polifenileno éter (PPE), etc.
Por otro lado, los materiales inorgánicos como la cerámica cocida a baja temperatura (LTCC) y el vidrio parecen estar progresando más lentamente, pero también han ganado mucha atención debido a su baja absorción de humedad y sus propiedades dieléctricas estables.
IDTechEx ha hablado con varios actores clave del sector de los materiales, entre ellos Celanese, Kyocera e Isola, y destaca el análisis en profundidad de los principales avances y tendencias en el informe recientemente publicado «Materiales de baja pérdida para 5G/6G, radar y digital de alta velocidad 2026-2036: mercados, tendencias y previsiones».
Propiedades de los materiales: las métricas del rendimiento
Los materiales de baja pérdida se diseñan con factores de disipación o tangentes de pérdida (Df) y constantes dieléctricas (Dk) bajos y estables para garantizar un rendimiento óptimo en radiofrecuencia (RF), incluidas las ondas milimétricas (mmWave) para telecomunicaciones (5G, 6G) o sistemas de radar. Estas propiedades dieléctricas también son fundamentales para los circuitos de alta velocidad, como los que se utilizan en la infraestructura de los centros de datos (transceptores, conmutadores, etc.). Por ejemplo, es importante seleccionar materiales dieléctricos que tengan un Dk estable en todo el rango de frecuencias operativas, ya que la variación del Dk puede provocar una impedancia inestable, lo que da lugar a una distorsión de la señal.
En términos generales, los materiales orgánicos tienen una amplia gama de valores de Dk y Df en función de su composición (por ejemplo, tipo de resina, mezclas y contenido, rellenos, aditivos, etc.). Los materiales inorgánicos (por ejemplo, LTCC) suelen tener valores de Dk elevados, pero los valores de Df son bajos y estables en un rango de frecuencias más amplio. Los materiales orgánicos e inorgánicos también se combinan para aumentar la resistencia mecánica y las propiedades (por ejemplo, materiales de PTFE combinados con cerámica, vidrio, etc.).
A la hora de seleccionar los materiales, también es fundamental tener en cuenta las propiedades mecánicas y térmicas para garantizar el rendimiento y la fabricabilidad, así como el coste para mantener la competitividad general en las diferentes aplicaciones.
Una propiedad clave es el coeficiente de expansión térmica (CTE). Una discrepancia en el CTE entre los materiales del sustrato puede provocar delaminación, agrietamiento o deformación bajo ciclos térmicos, y dar lugar a problemas de fiabilidad. En el caso de los laminados revestidos de cobre utilizados en placas de circuito impreso (PCB), es fundamental garantizar que el CTE de los materiales coincida estrechamente con el del cobre.
Otras propiedades críticas son la conductividad térmica y la absorción de humedad, ya que una alta conductividad térmica ayuda a disipar el calor de manera eficiente (crucial para aplicaciones de alta potencia), además de estabilizar las propiedades dieléctricas, mientras que la absorción de humedad puede degradar la integridad de la señal y aumentar la pérdida de inserción. Minimizar la rugosidad de la lámina de cobre también es esencial para reducir las pérdidas del conductor debidas a los efectos superficiales.
El informe de IDTechEx profundiza en estas propiedades críticas de los materiales para aplicaciones de alta velocidad y alta frecuencia. El informe contiene comparativas y análisis de más de 150 materiales orgánicos, inorgánicos y compuestos de baja pérdida disponibles en el mercado para PCB y componentes de RF en propiedades como Dk, Df, absorción de humedad, CTE, conductividad térmica, etc. Además, también se tratan los avances en materiales para futuras aplicaciones 6G.
El camino hacia 2036: materiales de baja pérdida
Con los radares automovilísticos de 77-79 GHz convirtiéndose en estándar para la seguridad, el despliegue continuo de 5G y 6G empujándonos finalmente al rango sub-THz, el reto para la próxima década no es solo lograr la menor pérdida dieléctrica posible, sino hacerlo a gran escala, con materiales procesables
y estables, a un coste manejable.
