Los smartphones 5G ya están en el mercado. Las principales ventajas son unos tiempos de propagación de la señal (latencia) extremadamente cortos y altas velocidades de descarga. El estudio de mercado "Thermal Management for 5G", publicado por IDTechEx en julio de 2020, destaca los retos de los sistemas de infraestructura 5G y los dispositivos finales en materia de gestión térmica.
Los tiempos de propagación de la señal (latencia) extremadamente cortos y las altas velocidades de descarga que permite el 5G son esenciales para las conexiones de datos de tiempo crítico y ultra fiables, por ejemplo en los sistemas de conducción automatizada. El analista tecnológico Dr. James Edmondson, autor del estudio, se remite a un informe de la publicación estadounidense "PC Magazine" como antecedente de su estudio, en el que se analiza la disponibilidad de 4G (LTE) y 5G y sus actuales velocidades de descarga en varias regiones de Estados Unidos. Ningún dato especial: en la actualidad, el 5G sólo puede cumplir la promesa de descargas ultrarrápidas a 2 Gbit/s en menos del 5% de las zonas de cobertura. Se utiliza el espectro de ondas milimétricas o el rango inferior a 6 GHz. Según el informe, la transmisión por ondas milimétricas permite descargas más rápidas, pero con menor alcance. La transmisión sub-6 GHz, por su parte, suele ser incluso más lenta que la actual 4G. Esto deja margen de mejora en cuanto al objetivo deseado. La figura 1 muestra la evaluación de IDTechEx sobre la propagación de las instalaciones 5G en los próximos diez años en términos de frecuencia de transmisión. En el centro del estudio está la gestión térmica de las infraestructuras 5G y los dispositivos finales. La razón: la mayor gama de frecuencias requiere una mayor ganancia de antena para alcanzar los alcances requeridos. El uso del espectro de ondas milimétricas alcanza sus límites cuando se trata de penetrar las paredes de las casas o las ventanas. Esto requiere el uso de conjuntos de antenas en un diseño compacto con componentes densamente empaquetados y un gran número de estaciones transmisoras/receptoras en formato pico o femto. Aquí, la disipación de calor puede alcanzar proporciones críticas, lo que exige el uso de sofisticados dispositivos de refrigeración o líquidos refrigerantes. IDTechEx está desarrollando una interesante estimación de mercado para el desarrollo de la demanda de materiales de interfaz térmica para la construcción de futuros sistemas de infraestructura en el área 5G. La figura 2 muestra esta demanda estimada desglosada por su uso en frontales de RF, procesamiento de banda base y fuentes de alimentación para 2030.
Fig. 1: En el desarrollo de la infraestructura 5G hasta 2030, IDTechEx prevé un cambio creciente de las instalaciones a sistemas de ondas milimétricas. Esto dará lugar a nuevos requisitos y desarrollos de mercado para la gestión térmica.
Fig. 2: Demanda de materiales de disipación de calor en función de la superficie para 2030, desglosada por su uso en frontales de RF, procesamiento de banda base y fuentes de alimentación
Un factor decisivo en la disipación térmica de los componentes es el uso de materiales adecuados como capa intermedia entre el componente y el disipador de calor. Esto se aplica en particular al extremo frontal de alta frecuencia. El creciente uso de sistemas 5G con sus antenas de formación de haces basadas en el principio MIMO masivo (entrada múltiple y salida múltiple) y el procesamiento de banda base con sus correspondientes fuentes de alimentación probablemente desencadenarán un rápido desarrollo de la gestión térmica. El autor señala que algunos de los primeros teléfonos móviles 5G disponibles, especialmente los modelos que operan en la gama de ondas milimétricas, tendían a sobrecalentarse a altas velocidades de descarga y volvían al modo 4G para enfriarse. Los fabricantes contrarrestaron este efecto con nuevas soluciones de gestión térmica, como disipadores de calor hechos de grafeno.
La elevada amplificación de señal que requieren los sistemas 5G conlleva, por tanto, sus propios retos en términos de gestión térmica. Esto también se aplica a los amplificadores de potencia con componentes de GaN. Es cierto que sus temperaturas de funcionamiento suelen ser superiores a las de los sistemas basados en silicio. Sin embargo, los niveles de potencia más elevados exigen que los componentes semiconductores se construyan con die attach. Según el autor del estudio de IDTechEx, el creciente uso de componentes de GaN, sobre todo en sistemas por debajo de 6 GHz, está provocando el abandono de los procesos convencionales de die attach basados en AuSn en favor de nuevas alternativas como la sinterización de plata o cobre.
El estudio de IDTechEx "Gestión térmica para 5G" incluye un análisis detallado del mercado emergente de infraestructuras 5G y sus tendencias tecnológicas. Abarca las frecuencias utilizadas, el tamaño de las estaciones transmisoras y los principios MIMO y los componentes de formación de haces, los amplificadores de potencia y las tecnologías de semiconductores y materiales de interfaz térmica (conductores del calor) utilizados. El estudio también abarca los smartphones 5G, algunos de los cuales se muestran en forma de "teardowns" para demostrar su diseño. Este análisis se complementa con otro informe de IDTechEx sobre el tema: "5G Technology, Market and Forecasts 2020-2030". Abarca las tecnologías, los materiales y las innovaciones, así como las aplicaciones verticales y el NB-IoT (Narrowband Internet of Things).
