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Freitag, 22 Januar 2021 10:59

Wärmemanagement: Schlüssel für die 5G-Entwicklung

von Werner Schulz
Geschätzte Lesezeit: 2 - 4 Minuten
Wärmemanagement: Schlüssel für die 5G-Entwicklung Bild: Pixabay

5G-Smartphones sind bereits auf dem Markt. Vorteile sind insbesondere extrem kurze Signallaufzeiten (Latenz) und hohe Download-Raten. Auf Herausforderungen der 5G-Infrastruktursysteme und Endgeräte hinsichtlich des Wärmemanagements verweist die im Juli 2020 erschienene Marktstudie von IDTechEx ‚Thermal Management for 5G'.

Die durch 5G ermöglichten extrem kurzen Signallaufzeiten (Latenz) und hohen Download-Raten sind für zeitkritische und ultra-zuverlässige Datenverbindungen zwingend notwendig, etwa bei automatischen Fahrsystemen. Technologie-Analyst Dr. James Edmondson, Autor der Studie, verweist als Background seiner Studie auf einen Bericht der US-Publikation ‚PC Magazine', der sich mit der Verfügbarkeit von 4G (LTE) und 5G und deren aktuellen Download-Raten in verschiedenen Regionen der USA befasst. Keine besondere Erkenntnis: Zum gegenwärtigen Zeitpunkt kann 5G das Versprechen ultraschneller Downloads mit 2 Gbit/s nur in weniger als 5 % der Versorgungsgebiete einhalten. Eingesetzt wird entweder das Millimeterwellenspektrum oder der Sub-6-GHz-Bereich. Die Millimeterwellen-Übertragung, so der Bericht, ermöglicht zwar schnelleren Download, dafür mit kürzeren Reichweiten. Die Sub-6-GHz-Ausstrahlung hingegen ist oft sogar langsamer als der existierende 4G-Betrieb. Das lässt Raum für Verbesserungen im Sinne des angestrebten Ziels. Abbildung 1 zeigt in der Einschätzung von IDTechEx die weitere Verbreitung der 5G-Installationen in den nächsten zehn Jahren in Bezug auf die Sendefrequenz. Kernpunkt der Studie ist das Wärmemanagement der 5G-Infrastrukturen und Endgeräte. Der Anlass: Der höhere Frequenzbereich erfordert einen höheren Antennengewinn, um die geforderten Reichweiten zu realisieren. Der Gebrauch des Millimeterwellen-Spektrums stößt an seine Grenzen, wenn es um die Durchdringung von Hauswänden oder Fenstern geht. Das bedingt den Einsatz von Antennen-Arrays in gedrängter Bauweise mit dicht gepackten Komponenten und von sehr vielen Sende/Empfangsstationen im Pico- oder Femto-Format. Hier kann die Wärmeableitung kritische Ausmaße annehmen, was die Verwendung von ausgefeilten Kühlvorrichtungen oder Kühlflüssigkeiten zur Voraussetzung hat. IDTechEx entwickelt daraus eine interessante Marktabschätzung für die Entwicklung des Bedarfs an Thermal Interface Materialien für den Aufbau zukünftiger Infrastruktursysteme im 5G-Bereich. Abbildung 2 zeigt diesen geschätzten Bedarf in flächenmäßiger Aufschlüsselung nach deren Einsatz in den HF-Frontends, Basisbandverarbeitung und Stromversorgungen bis 2030.

 

 plus 2021 01 0078Abb. 1: Bei der 5G-Infrastruktur-Entwicklung bis 2030 erwartet IDTechEx die zunehmende Verlagerung der Installationen auf Millimeterwellensysteme. Das bedingt neue Anforderungen und Marktentwicklungen für das Wärmemanagement

 plus 2021 01 0079Abb. 2: Flächenmäßiger Bedarf an Wärmeableitmaterialien bis 2030, unterteilt nach Einsatz in HF-Frontend, Basisbandverarbeitung und Stromversorgungen

 

Ein maßgebender Faktor bei der Wärmeableitung von Komponenten ist der Einsatz geeigneter Materialien als Zwischenlage zwischen Bauteil und Kühlkörper. Das gilt insbesondere für das HF-Frontend. Der wachsende Einsatz der 5G-Systeme mit ihren Beamforming-Antennen im Massive MIMO- (multiple-input and multiple-output) Prinzip und die Basisband-Verarbeitung mit entsprechenden Stromversorgungen dürften die schnelle Weiterentwicklung des Thermal Management anstoßen. Denn einige der ersten verfügbaren 5G-Mobiltelefone, bemerkt der Autor, speziell die im Millimeterwellenbereich operierenden Modelle, neigten bei hohen Download-Geschwindigkeiten zum Überhitzen und fielen zur Abkühlung in den 4G-Modus zurück. Die Hersteller begegneten diesem Effekt mit neuen Thermal Management Lösungen wie Wärmespreizern aus Graphen.

Die geforderten hohen Signalverstärkungen der 5G-Systeme bringen somit ihre Herausforderungen beim Wärmemanagement. Das gilt auch für Leistungsverstärker mit GaN-Komponenten. Zwar liegen deren Betriebstemperaturen generell höher als die von Silizium-basierten Systemen. Doch die größeren Leistungen bedingen den Aufbau der Halbleiterkomponenten per Die-Attach. Der wachsende Einsatz von GaN-Komponenten, so der Autor der IDTechEx-Studie, bringt speziell in den Sub-6-GHz-Systemen eine Verlagerung der gebräuchlichen Die-Attach-Verfahren auf der Basis von AuSn in Richtung neuer Alternativen, wie Silber- oder Kupfer-Sinterung.

Die IDTechEx-Studie ‚Thermal Management for 5G' umfasst eine detaillierte Analyse des entstehenden Marktes von 5G-Infrastrukturen und deren technologische Trends. Sie erstreckt sich auf die eingesetzten Frequenzen, die Größe der Sendestationen und der MIMO-Prinzipien und Beamforming-Komponenten, der Leistungsverstärker sowie der eingesetzten Halbleitertechnologien und Thermal Interface (Wärmeleit-) Materialien. Die Untersuchung behandelt auch die 5G-Smartphones, von denen einige in Form von „Teardowns“ gezeigt werden, um ihren Aufbau zu demonstrieren. Ergänzt wird diese Analyse durch einen weiteren IDTechEx-Report zum Thema: „5G Technology, Market and Forecasts 2020–2030“. Er behandelt die Technologien, Materialien und Innovationen sowie vertikale Applikationen und das NB-IoT (Narrowband Internet of Things).

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