射頻前端
聯發科/博通/英特爾等創立OpenRF聯盟
為實現多模(Multi-mode)射頻前端(RFFE)及晶片模組中軟硬體功能的互通性,進一步朝5G開放式架構前進,多家晶片及RFFE供應商日前以產業聯盟的形式成立Open RF Association(OpenRF)。該聯盟成員包含博通(Broadcom)、英特爾(Intel)、聯發科、村田製作所(Murata)、Qorvo,以及三星(Samsung)等業者,力求為5G原始設備製造商(OEM)提供較良好的系統性能,並於RFFE晶片模組上能有更多元的選擇的同時,可縮短產品上市時間並降低總體成本。
Mobile Experts首席分析師Joe Madden表示,由於射頻前端市場已變得極度複雜,因此業界需要對此採取相應手段因應此類複雜架構。而Open RF Association透過標準化一些通用元素,進而使RFFE供應商可將研發動能聚焦在創新層面;與此同時,在非競爭領域的通用基礎元件也可望縮短產品的上市時程,並確保跨平台之間的相容性。此外,透過改善市場經濟規模,業界可望省下數百萬美元的資金,但卻不會削弱供應商間的競爭狀況。
OpenRF期望晶片供應商及OEM可實現5G RFFE模組的互通性,加速打入5G市場
為了支援RFFE及晶片模組的互通性,以利建構穩固的生態系統,OpenRF計畫推動數項舉措,如針對系列核心晶片模組及RFFE功能與介面,以實現5G基頻的互通性,並且支援供應商的創新;同時,該聯盟也規畫根據產業標準構建標準,盡可能提升RFFE的可配置性(Configurability)及有效性(Effectiveness);另一方面,該聯盟也打算開發通用的硬體抽象層(Abstraction),以增強收發器/數據機及RFFE模組介面,並規畫擬定射頻功率管理辦法。
OpenRF表示,其成立要旨為提供開源框架,在不限制創新的前提下規範軟硬體介面,並預期為5G OEM帶來多元的彈性,使其能於上市時間、成本性能與供應鏈角色之間獲取優勢,在具有眾多供應商的生態系統選擇較有利的解決方案,並於5G基頻上使用相同的RFFE。據此,該聯盟目前已獲一些全球晶片/RFFE供應商及設備製造商的支援,進一步改善傳統參考設計流程,將更有利的可調控方案加速推向市場,滿足市場需求並推進產業利益。
5G基礎建設RF前端2025年規模達25.2億美元
產業研究機構Yole Développement(Yole)發表最新研究指出,電信基礎設施的射頻前端(RF FE)市場規模在2018年達到14.7億美元,預計到2025年將達到25.2億美元。在全球扁平化的電信產業中,RF FE市場在2018年至2025年期間呈穩定成長,在此期間的年複合成長率為8%。
2020年將進入市場的5G無線通訊將成為下一個行動技術標準。隨著許多創新技術的發展,新系統的建置對射頻產業產生強烈影響,因此部署了支援特定協議和操作模式的新基礎架構,例如大規模MIMO、波束成形、波束控制、載波聚合等。
目前仍有超過75%的5G天線、射頻技術相關專利正在申請中,因此Yole認為,未來幾年還會有很多變化。三星、Intel、愛立信和華為已開始將其產品組合擴展到全球。三星和英特爾似乎是目前在限制其主要競爭對手的專利活動和經營自由方面處於最佳地位的兩個領導者。而GaN、GaAs、SiGe或RF-SOI等其他平台在不久的將來會顯著成長。
在此問題上,最有趣的動態之一是GaAs的發展。隨著主動式天線系統(Active Antenna System, AAS)可能成為主流,將需要更多數量的低功率寬頻功率放大器以及諸如波束形成器之類的新元件。起初這些元件主要採用GaAs製程,尤其是出於性能方面的考量。當市場成長到足以被視為一個利基市場,其他技術如RF-SOI或SiGe有望取代GaAs,就像在手機產業取代GaAs一樣。砷化鎵將成為主動天線模組的過渡平台。
5G手機成長動能佳 高成本恐成絆腳石
5G開台商轉風風火火,根據GSA統計,2019年全球已有296個電信業者投入5G網路建置,其中56個電信業者已經推出5G商用服務;工研院產科國際所日前舉辦「2020產業發展趨勢研討會」,會中提到截至2019年9月,市場已推出129款5G終端,包括41款5G手機、37款5G CPE/Hotspot、28款5G模組等,以最重要的5G手機為例,2020將有更多機種問世,進一步刺激5G手機的出貨量,但5G手機由於規格全面提升,關鍵零組件的成本居高不下,可能變成市場推展的一大阻力。
Samsung Galaxy S10 5G是最早上市的5G手機之一
智慧手機發展進入成熟階段,創新動能逐漸疲軟,2019年智慧手機市場受到美中貿易戰延燒及華為禁售令影響,工研院產科國際所產業分析師呂珮如表示,預期全球智慧手機出貨量約14.9億支,年成長下滑1.6%。全球智慧手機供應鏈面臨生產及銷售管理的風險,產品消費買氣受影響。另一方面,5G智慧手機動能較年初預期更樂觀,預期2019年5G智慧型手機比重上修至0.6%(原預估為0.2%),全年出貨量可達930萬支,主要購機動能湧現於南韓之特定市場。
5G通訊升級不僅顯現在行動電信與應用服務上,對智慧手機硬體也帶來改變,包含處理通訊訊號的基頻晶片、射頻前端、天線等零組件,以及在考量抗高頻傳輸損耗、降低電磁屏蔽、散熱等議題,衍生對印刷電路軟板的材質要求、對手機機殼材質的挑選限制及散熱技術的精進,種種都將隨5G導入迎來產業鏈關鍵元件的新變革,同時也將刺激新一波的零件商機。
而從目前市面上的5G手機來觀察,大部分都是各廠商的旗艦機種,許多機種產品售價超過千元美金,以平均單價而言,呂珮如指出,2019年5G手機約687美元,2020~2021年還維持在675與638美元的高檔,超過新台幣2萬元,隨著出貨量提升,2022年可望降低到534美元,2023年會進一步降低到482美元的水準。由於大部分關鍵零組件成本提升,造成5G手機單價高不可攀,是否影響接下來幾年的市場推廣,值得持續關注。
深入觀察關鍵零組件的成本,呂珮如提到,4G高階手機的射頻模組成本約19.3美元,5G的射頻模組成本約34.4美元,成本提升80%左右,尤其是濾波器從SAW濾波器換成成本較高的BAW濾波器;基頻晶片部分,5G解決方案約150美元,相較之下目前的4G解決方案都不到100美元,也有50%~100%的價差;5G手機天線數量也會大幅提升,從4G手機的4~6根增加到6~10根,同樣墊高成本;另外,5G手機散熱問題更加嚴重,散熱模組的成本將從3~5美元,增加到8~10美元。
展望未來三年,全球智慧手機市場可望因5G新機帶動出貨2~3%之年成長,而5G智慧手機預期在2020年有明顯拉貨,一則預期來自全球5G頻譜資源配置大致底定,二則從上游晶片端來看,主要手機晶片業者規劃5G SoC量產期落於2020上半年。因此,預估2020年將藉由品牌商5G新機以及電信商5G購機服務的補貼方案,可望帶來智慧手機的新動能。同時零組件與品牌業者也將持續致力5G手機成本的降低,以吸引消費者青睞。
克服毫米波傳輸耗損 5G RF前端朝模組/IC發展
目前6GHz以下頻譜擁擠且可用的頻段相當破碎,為獲取更大頻寬,使得5G開始朝毫米波(mmWave)發展。然而,毫米波訊號具衰減快、易受阻擋且覆蓋距離短等特性,使得5G基地台與終端開發面臨技術挑戰,也進而影響天線與射頻(RF)前端的設計。
ADI通訊基礎設施業務部中國區策略市場經理解勇指出,5G大規模天線陣列技術,使之對於射頻元件的整合度、頻寬與成本具更高的要求。5G頻段包含6GHz以下的低頻頻段與高頻毫米波頻段,支援的頻段比4G LTE多且複雜,因此,若要達到5G RF性能指標要求,將為相關RF元件製程與電路設計帶來了更大的挑戰。
以往RF前端多採用離散式元件(Discrete Components),透過印刷電路板(PCB)上的RF走線(Trace)連接收發器(TRx)、功率放大器(PA)、低雜訊放大器(LNA)及濾波器(Filter)等主被動元件。不過,隨著RF元件用量的提升,Qorvo產品行銷經理陳慶鴻指出,目前4G高階手機RF元件模組化已是必然的趨勢,而5G將更進一步加速元件整合的趨勢。其中,模組的型式包括封裝、低損耗板材SMT、軟板SMT等等,但不論採用何種方式都必須解決熱集中、高功率消耗的問題。
Anokiwave亞太地區銷售總監張肇強進一步說明,5G毫米波訊號易耗損、受干擾,為降低訊號在PCB傳遞過程中耗損,須將RF元件與天線整合在一起,以縮短RF走線。此外,隨著頻率變高,天線尺寸及每個天線間的距離都會大幅縮小,難以直接將離散式元件整合在天線間,因此須將RF元件加以整合。因應此趨勢,該公司利用矽製程技術將RF元件整合成四通道的毫米波IC,再將之與天線整合成模組,以解決訊號傳輸耗損問題。
此外,張肇強也談到,基地台散熱問題對於RF元件與天線設計是一大挑戰,過往毫米波雷達與波束成形等技術主要被運用在軍事國防,尺寸與成本都並非設計上的主要考量,因此若要運用相關技術實現商用基地台,除了要克服尺寸問題,基地台散熱所帶來的龐大成本也是一大問題。而Anokiwave也嘗試從封裝來改善散熱問題,其第一代IC採用QFN封裝技術,但考量塑膠封裝散熱效果差,因此第二代產品改採晶圓級晶粒尺寸封裝(WLCSP),在改善散熱問題的同時也能進一步縮小封裝體積。