【每半年換手機?】5G 時代 3 個射頻技術趨勢:使用氮化鎵縮小晶片尺寸,採模組化加速手機上市

【為什麼我們挑選這篇文章】日常生活中任何「不用線」的電器產品,從電視遙控器、保全系統到小型設備如智慧型手機、iPad,都需要「射頻」(Radio frequency,縮寫為 RF)來連結不同裝置。它最大的功能在於輸出功率、達到系統需求、由天線發射出去。除了家庭及個人使用,射頻也是企業及國家的重點發展項目,這會影響到整個國家的網路速度、普及率、產線整合。(責任編輯:鍾佳瑀)

電信通訊技術發展到 5G 世代,頻率升高,頻寬增加已經是個趨勢,這促使射頻重要性不斷提升,且單顆射頻晶片的價格也持續增加。根據 Skyworks 資料顯示,4G 高階旗艦機型每顆射頻價格為 28 美元 ,5G 旗艦機型則增加至 40 美元

另一方面,5G 基地台採用 Massive MIMO 技術,同時也需要大量小型基地台做補強,使得基地台數量和單顆基地台射頻呈現雙升。

射頻前端市場規模成長到 258 億美金

根據 Yole 預估,2018 年~2025 年全球射頻前端的市場規模將由 150 億美元 成長至 258 億美元(約 7737 億台幣),年複合成長率高達 8%,其中,漲幅最大的部份是射頻前端 Tuner 零件,市場規模將從 2018 年的 5 億美元 上升到 2025 年的 12 億美元 ,年複合成長率達 13%。

資料來源: Yole, 射頻前端全球市場規模(10 億美元)

日本、美國壟斷全球射頻市場,占比 85%

全球射頻前端市場集中度高,主要由日美大廠壟斷,前四大廠商佔據全球 85% 的市占率,分別為 Skyworks 的 24%、Qorvo 的 21%、Avago(博通) 的 20%,及村田的 20%。

資料來源: Yole, 全球射頻前端競商比重

各國採用毫米波,暫緩 Sub 6GHz

在 5G 初期發展階段,中、日、韓、歐選擇 Sub 6GHz 方案,美國則是從 mmWave(毫米波)轉向 Sub 6GHz 方案。因為 mmWave 技術尚未成熟,零組件成本高,即使高通推出的下一代 5G 解決方案能夠相容,但是技術尚不成熟通訊品質不夠穩定,另一方面毫米波基礎建設成本高,若無法完全覆蓋,則無法達到 5G 理想境界,這是世界各國暫先發展 Sub 6GHz 的主因之一。

編按:「Sub 6GHz」是新的頻段,由目前 4G 的頻段改良出來,它的穿透性強,混凝土跟玻璃都沒問題。如果這麼好用,那目前為什麼各國要暫緩發展呢?簡單來說,因為有太多技術也落在這個頻段,像是 Wi-Fi、藍芽、衛星廣播、微波爐,所以這個頻段變得「擁擠」了。

模組化「射頻」將全面加速中高低階手機產品製程

首先就是模組化。射頻前端模組化是產業發展趨勢,蘋果等一線旗艦機型使用大量模組化射頻零組件。射頻前端各類零件獨立製作相對容易,一旦要整合成單一晶片,廠商就要具備強大的射頻設計能力。

而射頻模組化將帶來不少優勢,如解決多頻段帶來的射頻複雜性挑戰,提供全球載波聚合模組化平台,縮小 RF 元件體積,加速手機產品上市時間等。

特別的是,mmWave 模組化是採取 AiP 模組方案,使射頻前端模組整合天線及射頻前端功能。AiP 是利用封裝材料與工藝將天線與晶片整合封裝,實現系統級無線功能的技術,具備縮短路徑損耗、性價比高、符合小型化趨勢等優點。從 AiP 產業鏈結構來看,主要的模組設計方案廠商是高通、三星,主要製造和封測廠商則有台積電、日月光等。

資料來源: Hindawi, AiP 模組

目前模組化在高階旗艦機種較常見,中、低階手機大多獨立製作,只有少部份零件有做整合,不過隨著成本下滑,射頻模組化也會開始向中、低階手機滲透。

未來採用效率高的氮化鎵(GaN)做半導體原料

第二個趨勢則是 PA 材料改採氮化鎵(GaN)。目前射頻 PA 材料可以分為 CMOS、GaAs、GaN。以 CMOS 製成的 PA 早於 2000 年就已經出現,在 2G 時代進入手機市場,目前大多數電子產品中的零件都是基於矽的標準 CMOS 工藝製作,技術成熟且產能穩定,但已無法因應現今通訊傳輸需求。

而 GaAs 材料(砷化鎵)可適用於超高速、超高頻電子零組件,比矽零件更適合應用在高功率的場合。目前行動通訊 3G/4G 主要採用 GaAs 材料製作 PA,與第三代半導體材料 GaN 相比,GaAs 技術成熟穩定可靠,仍是民用商業市場主流。

但做為第三代半導體原料 GaN 則能實現更高的電壓,減少損耗,可提升效率,進一步縮減晶片尺寸,現階段最大劣勢只是成本過高。因此在軍用,及大型基地台 GaN 已經是主流。隨著技術演進加速,未來 GaN 將有機會滲透至手機市場,成為高射頻、大功耗應用的主流方案。

第三個趨勢則是濾波器將從金屬腔體朝陶瓷介質轉變。基地站的濾波器在 2G、3G 和 4G 時代的主流由金屬腔體濾波器為主。金屬腔體濾波器由金屬整體切割而成,因此結構牢固,但缺點就是體積大,損耗高。

但進入 5G 世代為因應越來越複雜的無線干擾環境,金屬腔體已受到限制,而陶瓷介質濾波器應運而生。陶瓷材料損耗更低、介電常數更高、頻率溫度系數和熱膨脹系數更小,所以可以承受更高功率。就結果而論,陶瓷介質濾波器體積小,損耗小,現階段最大缺點就是成本高。但隨著新建 5G 基地台數量增加,3G/4G 基地台數量趨於飽和,金屬腔體濾波器比重將減少,陶瓷介質濾波器滲透可望加速。

預期相關企業將會在 5G 射頻發展中受惠

隨著 2G 到 5G,頻段數量大幅增加,技術的演變帶給 PA 和濾波器產業全新的挑戰。為了適應 5G 的需求,射頻前端朝模組化邁進,而目前具備這技術實力的仍以日、美大廠 Skyworks、Qorvo、Avago、村田等為主,這個趨勢短期時間內難以改變。而環繞在這些大廠的相關企業則是可望在這波 5G 射頻發展浪潮中先行受惠。

(本文經合作夥伴鉅亨網授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈〈分析〉 解析 5G 射頻前端發展與趨勢 〉。)

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