〈分析〉嗅商機! 5G世代射頻的三大轉變

嗅商機!5G世代射頻三大轉變(圖片:AFP)
嗅商機!5G世代射頻三大轉變(圖片:AFP)

進入 5G 世代,新的通訊系統帶來一系列電子元件新變革。在射頻產業中,將出現三大重要轉變:

  • 第一:工藝轉向 GaAs/GaN/SOI 發展;
  • 第二:濾波器由 SAW 朝 BAW 發展,且陶瓷介質躍居主流;
  • 第三:前端模組化程度日益複雜。

改變一:GaAs、GaN、SOI 工藝成主流

由於 5G 頻譜升級帶來射頻零組件材料和工藝均有所轉變。傳統的射頻工藝以 LDMOS、SiGe、GaAs 為主,未來 GaN、SOI 等工藝將漸漸成為主流。

以功率放大器(PA)來看,3G 與 4G 世代主要有平面二次擴散之金氧半場效電晶體(LDMOS)PA 和砷化鎵(GaAs)PA 兩種,其中,GaAs PA 漸漸受到市場歡迎。

GaAs 有著高耐壓、高功率,及縱向電流等特性,因此適合於 PA 應用,在 4G 世代的高階智慧手機領域,GaAs PA 晶片有著不可撼動的地位。此外,在基地台產業中,GaN 則有慢慢取代 LDMOS 的趨勢,成為基地台 PA 的主流技術。

而在天線開關 / LNA 方面,傳統是以 GaAs 技術為主,隨著進入 5G 世代,RF-SOI 技術則浮上檯面。與 GaAs 相比,RF-SOI 具有相同的性能及功耗,但可節省成本 30% 與 50% 的實體面積,因此更受市場喜愛。

(資料來源: IHS) 鉅亨網製圖
(資料來源: IHS) 鉅亨網製圖

RF-SOI 技術自 2010 年開始應用後,已幾乎 100% 使用於智慧手機上,且有機會從射頻開關向 PA、LNA 等零組件滲透。

(資料來源: Global Radio Frequency Front-end Module Market Research Report)
(資料來源: Global Radio Frequency Front-end Module Market Research Report)

改變二:濾波器由 SAW 轉向 BAW,陶瓷介質漸成主流

濾波器主要是對訊號頻率進行選擇和控制,抑止不需要的訊號,解決不同頻段、不同形式通信系統之間訊號干擾問題,提高通訊品質。

在 3G、4G 時代,金屬同軸腔體濾波器憑藉結構牢固、性能穩定、散熱性好,且較低的成本,成為基地台首選。但由於電信頻譜資源有限,隨著行動通訊網路的蓬勃發展,商用無線頻段非常密集,導致出現系統相容問題。

而進入 5G Massive MIMO 世代,對於濾波器的小型化、輕質化、整合性、性能穩定度等方面有更高需求。因此陶瓷介質濾波器以更小損耗,小尺寸等優勢,成為基地站濾波器主流。

至於手機市場,過去聲表面濾波器(SAW)技術一直為市場主流,其體積小、性能穩定、使用方便。不過存在著工作頻率不高、插入損耗較大、功率容量較低等缺點。

到了 5G 世代,在 Sub-6GHz 頻段下,SAW 已無法適用,取得代之的則是體聲波濾波器 (BAW),其最大可以工作到 20GHz,功率接近 40dBm(10W),具有對溫度變化不敏感,插入損耗小,適用於高頻率場景,缺點就是成本較高。

改變三:前端模組化程度日益複雜

隨著通信規格升級,頻段變多,每高一階的通信技術都要向下相容,導致射頻元件既多且複雜,同時要順應增加電池容量趨勢,使得 PCB 板面積被壓縮,因此射頻前端模組化是必然趨勢。

模組化的優勢在於,可使前端模組降低對 PCB 面積的占用,這對於寸土寸金的手機內部極為重要。此外,若各元件分立再搭建需要結合複雜電路整合,難保量產後產品的一致性,而模組化可將電路內化,可靠性更高。

最後就是模組化可縮短研發週期,使廠商能更快地推出新產品。如 Qorvo、Skyworks,及高通都推出把多個射頻零組件封裝在一起的 SiP 封裝產品。

根據 Yole 的預測,智慧手機射頻前端市場將在 2023 年達到 352 億美元,年複合成長率 14%。細分來看,射頻內部零組件成長速度不一,其中比重最大的濾波器預計將以 19% 的年複合成長率增長,從 2017 到 2023 年幾乎成長 3 倍;另一個 LNA 零組件則是將以 16% 的年複合成長率成長。

併購築起產業進入高牆

射頻前端走向整合,也帶動一波併購熱潮。自 2014 年以來,國際大廠進行了一系列布局,來強化自身射頻晶片的地位。而這些布局主要分成三個方向:

  • 第一:基頻晶片廠與射頻晶片廠的整合,提供基頻和射頻一體化解決方案,如高通與 TDK 設立 RF360 研發射頻部分。
  • 第二:射頻晶片廠收購濾波器廠,最具代表為 skyworks 收購 Panasonic 的射頻部門。
  • 第三:大廠間的聯合與整合,提供射頻終端的整體解決能力,典型例子就是 2014 年 RFMD 與 Triquint 合併成立 Qorvo;2014 年 Murata 併購 Peregrine,強化射頻前端的研發能力。

而這些國際大廠透過一系列整合,進一步拉高射頻前端產業門檻,給後來競爭者帶來很大的產業進入障礙。


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