Avec plusieurs options de matériaux à faibles pertes disponibles sur le marché, cet article du Dr Shababa Selim, expert en matériaux et analyste technologique senior chez IDTechEx, examine les propriétés et les facteurs clés à prendre en compte pour guider le choix des matériaux dans les applications à haute fréquence.

Sélection de matériaux à faibles pertes adaptés aux circuits haute fréquence

Avec le passage des systèmes de communication à des fréquences plus élevées (5G/6G, par exemple) et l'augmentation des débits de données, il devient crucial de minimiser les pertes de transmission et de préserver l'intégrité du signal. C'est là que les matériaux à faibles pertes entrent en jeu. Ces matériaux sont essentiels pour diverses applications, notamment les télécommunications 5G mmWave et la future 6G, les systèmes radar automobiles et l'infrastructure des centres de données, comme les commutateurs de serveurs, les émetteurs-récepteurs, etc.

Selon les prévisions d'IDTechEx dans son dernier rapport intitulé « Matériaux à faibles pertes pour la 5G/6G, les radars et les technologies numériques à haut débit 2026-2036 : marchés, tendances et prévisions », la demande de matériaux à faibles pertes devrait être multipliée par sept au cours de la prochaine décennie.

Types de matériaux à faibles pertes

Plusieurs types de matériaux à faibles pertes sont disponibles sur le marché, classés en deux catégories : organiques et inorganiques. Chaque matériau présente des avantages et des inconvénients en termes de performance, de facilité de fabrication et de coût. Les matériaux organiques sont particulièrement prisés pour les applications haute fréquence. Parmi ces matériaux, on peut citer les époxydes spécialisés, le polytétrafluoroéthylène (PTFE), les polymères à cristaux liquides (LCP), l’éther de polyphénylène (PPE), et d’autres encore.

D'autre part, les matériaux inorganiques tels que les céramiques cuites à basse température (LTCC) et le verre semblent progresser plus lentement, mais ils ont également suscité beaucoup d'attention en raison de leur faible absorption d'humidité et de leurs propriétés diélectriques stables.

IDTechEx s'est entretenu avec plusieurs acteurs clés de l'industrie des matériaux, notamment Celanese, Kyocera et Isola, et souligne l'analyse approfondie des principaux développements et tendances dans le rapport récemment publié « Matériaux à faibles pertes pour la 5G/6G, le radar et le numérique à haut débit 2026-2036 : marchés, tendances et prévisions ».

Propriétés des matériaux : indicateurs de performance

Les matériaux à faibles pertes sont conçus avec des facteurs de dissipation (ou tangentes de perte, Df) et des constantes diélectriques (Dk) faibles et stables afin de garantir des performances optimales dans les applications radiofréquences (RF), notamment les ondes millimétriques (mmWave) pour les télécommunications (5G, 6G) ou les systèmes radar. Ces propriétés diélectriques sont également essentielles pour les circuits à haut débit, tels que ceux utilisés dans l'infrastructure des centres de données (émetteurs-récepteurs, commutateurs, etc.). Par exemple, il est important de sélectionner des matériaux diélectriques présentant une constante diélectrique (Dk) stable sur toute la plage de fréquences de fonctionnement, car des variations de Dk peuvent entraîner une impédance instable et, par conséquent, une distorsion du signal.

En général, les matériaux organiques présentent une large gamme de valeurs de Dk et de Df en fonction de leur composition (par exemple, type de résine, mélanges et proportions, charges, additifs, etc.). Les matériaux inorganiques (par exemple, le LTCC) ont généralement des valeurs de Dk élevées, mais leurs valeurs de Df sont faibles et stables sur une large gamme de fréquences. Les matériaux organiques et inorganiques sont également combinés pour améliorer la résistance et les propriétés mécaniques (par exemple, le PTFE combiné à la céramique, au verre, etc.).

Lors du choix des matériaux, il est également essentiel de prendre en compte leurs propriétés mécaniques et thermiques afin de garantir leurs performances et leur facilité de fabrication, ainsi que leur coût afin de maintenir une compétitivité globale pour différentes applications.

Une propriété essentielle est le coefficient de dilatation thermique (CDT). Un écart de CDT entre les matériaux du substrat peut entraîner un délaminage, des fissures ou une déformation sous l'effet des cycles thermiques, ce qui engendre des problèmes de fiabilité. Pour les stratifiés cuivrés utilisés dans les cartes de circuits imprimés (PCB), il est crucial de s'assurer que le CDT des matériaux corresponde étroitement à celui du cuivre.

D'autres propriétés critiques sont la conductivité thermique et l'absorption d'humidité : une conductivité thermique élevée contribue à dissiper efficacement la chaleur (essentielle pour les applications haute puissance) et stabilise les propriétés diélectriques, tandis que l'absorption d'humidité peut dégrader l'intégrité du signal et augmenter les pertes d'insertion. Minimiser la rugosité de la feuille de cuivre est également essentiel pour réduire les pertes par effet de surface.

Le rapport d'IDTechEx examine en détail les propriétés critiques des matériaux pour les applications haute vitesse et haute fréquence. Il propose des comparaisons et des analyses de plus de 150 matériaux organiques, inorganiques et composites à faibles pertes disponibles sur le marché pour les circuits imprimés et les composants RF, en analysant des propriétés telles que la permittivité relative (Dk), la permittivité de champ (Df), l'absorption d'humidité, le coefficient de dilatation thermique (CTE), la conductivité thermique, etc. Il aborde également les avancées en matière de matériaux pour les futures applications 6G.

La voie vers 2036 : les matériaux à faibles pertes

Avec les radars automobiles de 77 à 79 GHz qui deviennent la norme en matière de sécurité, et le déploiement continu de la 5G et de la 6G qui nous propulse enfin dans la gamme sub-THz, le défi de la prochaine décennie n'est pas seulement d'atteindre la perte diélectrique la plus faible possible, mais de le faire à grande échelle, avec
des matériaux traitables et stables, à un coût gérable.