5G Technologien bieten ein hohes Potenzial aber auch Herausforderungen für TIM-Hersteller.

5G Technologien bieten ein hohes Potenzial – aber auch Herausforderungen für Hersteller von thermal interface materials (TIMs). (Bild: AdobeStock 268963187, Marina_Zlochin)

Thermische Interfacematerialien (TIMs) sind eine Schlüsselkomponente in einer Vielzahl von elektronischen Geräten und Energiespeichern. Wenn Wärme erzeugt wird und übertragen werden muss (z. B. an einen Kühlkörper), wird in der Regel ein TIM benötigt. Die Form und Zusammensetzung von TIMs variieren stark je nach Anwendung und Markt. Technologien wie 5G bieten ein hohes Potenzial aber auch Herausforderungen für TIM-Hersteller. Potenzial, da mit immer mehr 5G-Deployment auch immer mehr Geräte der 5G-Infrastruktur TIMs benötigen. Herausforderung, weil mmWave-Geräte immer dichter gepackt sind und Halbleiter zum Einsatz kommen, die bei sehr hohen Temperaturen arbeiten. TIMs sorgen für einen schnellen Wärmeübergang von der Wärmequelle zum Kühlkörper (Bild 1).

Bild 1: Thermische Intefacematerialien sorgen für die Wärmeübertragung von der Wärmequelle zum Kühlkörper.
Bild 1: Thermische Intefacematerialien sorgen für die Wärmeübertragung von der Wärmequelle zum Kühlkörper. (Bild: IDTechEx)

Dabei füllt das thermisch leitfähige TIM den Luftspalt zwischen der Hitzequelle und dem Kühlkörper (Bild 2). Hochleistungs-TIMs einzusetzen hat eine Reihe von Vorteilen:

  • Reduzierte Cost of Ownership
  • Die Möglichkeit, auf eine Flüssigkeitskühlung zu verzichten
  • Weniger Leistungsaufnahme durch Kühlsysteme
  • Erhöhte Lebensdauer und Zuverlässigkeit der elektronischen Systeme
  • Höhere Leistungsfähigkeit der Systeme
Bild 2: Das TIM füllt Hohlräume zwischen der Wärmequelle und dem Kühlkörper aus.
Bild 2: Das TIM füllt Hohlräume zwischen der Wärmequelle und dem Kühlkörper aus. (Bild: IDTechEx)

TIMs gibt es in einer Vielzahl von Ausführungen, z. B. als Pads, Gapfiller, Wärmeleitpasten, Phase-Change-Materialien und Klebebänder. Diese unterscheiden sich in ihrer thermischen Leitfähigkeit, dem Herstellungsaufwand, ihrer Lebensdauer und auch den Kosten. Tabelle 1 vergleicht verschiedene TIMs anhand dieser Parameter.

Tabelle 1: Wärmeleitmaterialien im Vergleich. Sie unterscheiden sich z. B. in ihrer thermischen Leitfähigkeit, der Lebensdauer und auch im Preis.
Tabelle 1: Wärmeleitmaterialien im Vergleich. Sie unterscheiden sich z. B. in ihrer thermischen Leitfähigkeit, der Lebensdauer und auch im Preis. (Bild: IDTechEx, Laird, DuPont, Arctic, Shielding Solutions, 3M Lord, Sony)

Expansion des 5G-Marktes

Der 5G-Markt expandiert schnell (Bild 3), und die ersten Installationen werden bereits demonstriert. Der zunehmende Einsatz von 5G wird zu Innovationen und Wachstumschancen im Bereich des Wärmemanagements führen.

Bild 3: Je nach Einsatzort arbeitet 5G in unterschiedlichen Frequenzbändern.
Bild 3: Je nach Einsatzort arbeitet 5G in unterschiedlichen Frequenzbändern. (Bild: IDTechEx)

Stand Dezember 2021 haben 200 Anbieter in 78 Ländern/Territorien 3GPP-kompatible Services gestartet. Im Vergleich zu 2019 hat sich bis Ende 2021 die installierte Mid-Band Infrastruktur versechsfacht. Tabelle 3 vergleicht die Eigenschaften der aktiven Antenneneinheiten der unterschiedlichen 5G-Infrastruktur-Provider. Neben dem Gewicht unterscheiden sich die Einheiten vor allem durch ihre Ausgangsleistung, die zwischen 200 W und 320 W liegen.

Tabelle 3: Vergleich der aktiven Antenneneinheiten der 5G-Infrastruktur-Provider.
Tabelle 3: Vergleich der aktiven Antenneneinheiten der 5G-Infrastruktur-Provider. (Bild: IDTechEx)

Dadurch vervielfacht sich der potenzielle Markt für die 5G-Infrastruktur (Bilder 4 und 5). Die Architektur der 5G-Basisstationen beinhaltet anstatt ausschließlich passiver Antennen nun auch sogenannte Active Area Units (AAU), Fixed-Wireless-Einheiten und zusätzliche Server.

Bild 4: Der Unterschied der 5G-Infrastruktur zur 4G-Infrastruktur. 5G nutzt z. B. auch AAUs.
Bild 4: Der Unterschied der 5G-Infrastruktur zur 4G-Infrastruktur. 5G nutzt z. B. auch AAUs. (Bild: IDTechEx / NXP)

Der Wechsel zu höheren Frequenzen und der damit einhergehende höhere Signalverlust macht eine Verdichtung der Netzinstallationen erforderlich, so dass viel mehr kleine (Pico- oder Femto-) Stationen eingesetzt werden (Tabelle 2). Femtozellen haben dabei eine Reichweite von 10 bis 100 m und maximal 30 Nutzer, Picozellen reichen zwischen 100 und 200 m weit mit bis zu 100 Nutzern, und Microzellen haben eine Reichweite von 200 bis 2000 m mit bis zu 2000 Nutzern.

Tabelle 2: Überblick über Reichweite, Nutzerzahl und Ausgangsleistung kleiner 5G-Zellen.
Tabelle 2: Überblick über Reichweite, Nutzerzahl und Ausgangsleistung kleiner 5G-Zellen. (Bild: IDTechEx)

Mit den zusätzlichen Geräten steigt auch die Fläche in den elektronischen Systemen, die mit einem Wärmeleitmaterial versehen werden muss. Den überwiegenden Anteil werden hier vor allem die Stromversorgungssysteme für die 5G-Infrastruktur ausmachen.

Bild 5: Mehr 5G-Geräte bedeutet auch, dass die Fläche für TIMs bis 2030 stark zunehmen wird.
Bild 5: Mehr 5G-Geräte bedeutet auch, dass die Fläche für TIMs bis 2030 stark zunehmen wird. (Bild: IDTechEx)

Herausforderung GaN

Darüber hinaus öffnet die Zunahme von Installationen unter 6 GHz die Tür für neue Leistungsverstärker-Halbleitertechnologien wie GaN. In den letzten 20 Jahren war GaAs die primär verwendete Technologie für die Millimeterwellen-Kommunikation. Bei 3G und 4G war der LDMOS (laterally-diffused metal-oxide semiconductor) dominant, aber GaN nahm mit der Einführung von 4G Fahrt auf. Trotzdem können Silizium-Technologien weiterhin relevant bleiben. Dabei ist zu bedenken, dass es immer einen Kompromiss zwischen der Performance und der Array-Größe eines Leistungsverstärkers geben muss. CMOS-Technologien sind für sehr große Arrays mit über 500 Elementen sehr gut geeignet, während GaN eher bei kleinen Hochleistungs-Arrays punktet.

Wide-Bandgap-Bauelemente, auch GaAs und InP, bieten im Vergleich zu Si-Bauelementen zwar eine bessere Leistung, jedoch haben gerade GaAs und InP eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Si-Technologien. Deshalb lassen sich diese Bauelemente nicht in hohen Dichten verbauen. Die Wärmeleitfähigkeit von GaN ist vergleichbar mit der von Si-Bauelementen, sodass diesem Material gegenüber GaAs und InP hier der Vorzug gegeben wird. Trotzdem bieten Si-Technologien noch viele Vorteile gegenüber GaN, vor allem hinsichtlich der vorhandenen Fertigungskapazitäten und der Möglichkeit, eine höhere Integration und Fertigungsausbeute erreichen zu können.

Wide-Bandgap-Halbleiter wie GaN pushen die Sperrschicht-Temperatur immer weiter nach oben. GaN-Bauelemente können ohne Probleme bei einer Sperrschicht-Temperatur von 175 °C und darüber arbeiten. Dies geht einher mit einer Abkehr von etablierten Die-Attach-Materialien wie AuSn hin zu aufkommenden Alternativen, z. B. dem drucklosen Sintern von Silber. Vorteile des Metall-Sinterns sind die hohen thermischen Leitfähigkeiten und hohen Schmelzpunkte. Herausforderungen sind die realtiv langen Sinter-Zeiten. Trotzdem stehen schon andere Technologien wie Kupfer-Sintern stehen bereits in den Startlöchern. Kupfer-Sinterpasten sind preiswerter als ihre Silber-Pendants, aber tendieren dazu, schnell zu oxidieren. Hier müsste der Sinter-Prozess also unter Intergas-Atmosphäre geschehen. Eine Verarbeitung unter Wasserstoff-Atmosphäre würde den Sinter-Prozess bei Kupfer noch beschleunigen, aber trotzdem ist er noch langsamer als der Silber-Prozess.

Massive MIMO

Das Aufkommen von Massive MIMO erhöht die Anzahl der HF-Ketten pro Installation, die Strahlformungsfähigkeiten und die Anzahl der in den Netzen verwendeten Antennenelemente. Dies führt zu einem Anstieg des Materialbedarfs für die Antennenleiterplatte, Leistungsverstärker, Strahlformungskomponenten und vieles mehr. Massive MIMO erhöht auch die Datenübertragungsraten und -kanäle, was zu höheren Anforderungen an die Basisband-Verarbeitungseinheiten und den Stromverbrauch führt und somit größere Marktchancen für thermische Schnittstellenmaterialien bietet, eben vor allem bei den Stromversorgungen.

mmWave-Geräte

Mit dem künftigen Aufkommen von mmWave werden sich der 5G-Markt und die Möglichkeiten für das Wärmemanagement noch drastischer verändern. Die Anzahl der Antennenelemente steigt, aber aufgrund der geringeren Wellenlänge kann die Antenne selbst kleiner sein. Dies führt zu einer Verdichtung der Komponenten mit einem drastischen Anstieg der Anzahl der zu integrierenden Leistungsverstärker und Strahlformungskomponenten. Betrachtet man die Konstruktion früherer Geräte, so wird dies wahrscheinlich durch die Verteilung von Komponenten hinter der Antenne in einer dichten gitterähnlichen Struktur geschehen, was zu Problemen mit der Verlustleistung und somit zu einem größeren Markt für Wärmemanagementmaterialien führt.

Der Samsung 5G mmWave Access Point in Bild 6 arbeitet bei 28 GHz. Insgesamt besitzt er 64 Beamforming-Antennen-ICs. Diese mmWave-Arrays sind sehr viel dichter gepackt als Sub-6-GHz-Systeme, und die ICs liegen sehr dicht beieinander. Daher ist auch die Hitze, die von diesen ICs ausgeht, eine wirkliche Herausforderung.

Bild 6: Ein 5G-mmWave-Access-Point von Samsung, der bei 28 GHz arbeitet.
Bild 6: Ein 5G-mmWave-Access-Point von Samsung, der bei 28 GHz arbeitet. (Bild: IDTechEx / FCC)

Mit zunehmender Anzahl und Dichte der Komponenten in einer hybriden Beamforming-Anordnung werden mehr Beamforming-Komponenten benötigt, aber es gibt auch das Potenzial, die Verwendung von diskreten Leistungsverstärkern zu reduzieren, indem sie in die Beamforming-Komponente integriert werden. Dieser hohe Integrationsgrad könnte dann auch dazu führen, dass sich der Markt langfristig wieder in Richtung siliziumbasierter Komponenten bewegt.

5G-Mobiltelefone

Viele der ersten 5G-Mobiltelefone, die von der Öffentlichkeit getestet wurden (insbesondere die mmWave-kompatiblen), überhitzten bei der Nutzung der hohen Download-Geschwindigkeiten von 5G und fielen zur Abkühlung auf 4G zurück. Dies darf nur eine vorübergehende Lösung sein, da die Verbraucher in Zukunft diese extremen Download-Geschwindigkeiten über einen viel längeren Zeitraum hinweg zuverlässig nutzen wollen. Es gibt verschiedene Strategien, die von den Herstellern eingesetzt werden, um die Hitze in Smartphones auf ein Minimum zu reduzieren. Mit der Einführung von 5G werden immer mehr Geräte mit Technologien wie Dampfkammern und sogar Graphen-Wärmeableitern ausgestattet. Wie bei früheren Generationen von Mobiltelefonen ist die Art und Menge der verwendeten Wärmeleitmaterialien ein wichtiger Faktor und ein sehr großer Markt an sich.

Fazit

Das massive Ausrollen von 5G-Infrastruktur hat auch Einfluss auf den Markt für Wärmemanagement-Materialien. Nicht nur steigt mit immer mehr Geräten die Fläche, die ein TIM belegen muss, auch neue Technologien wie GaN sind eine Herausforderung, da sie bei sehr hohen Temperaturen arbeiten.

Die Autorin: Dr.-Ing. Nicole Ahner

Die Autorin: Dr. Nicole Ahner
(Bild: Hüthig)

Ihre Begeisterung für Hardcore-Physik und Materialentwicklung sorgte dafür, dass sie im Rahmen ihres Elektrotechnik-Studiums ihre wahre Berufung fand, die sie dann auch ins Zentrum ihres beruflichen Schaffens stellte: die Mikroelektronik und die Halbleiterfertigung. Nach Jahren in der Halbleiterforschung recherchiert und schreibt sie mittlerweile mit tiefem Fachwissen auch über elektronische Bauelemente. Ihr besonders Fables gelten Wide-Bandgap-Halbleitern, Batterien und Wasserstoff-Technologien und Materialentwicklung.

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