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作者 標題 [COMM] 晶片商大秀創新技術 5G手機產業鏈先蹲後跳
時間 2020-05-05 Tue. 22:56:00
晶片商大秀創新技術 5G手機產業鏈先蹲後跳
2020-04-21廖專崇
5G處理器大戰正式開打，兩大陣營策略選擇分明，Sub-6GHz的5G RF模組開始出現整合的趨勢，毫米波AiP模組須透過異質整合，不僅難度高，成本也居高不下。
智慧型手機是最重要的行動終端，然而4G手機發展接近飽和，近年來不僅成長率維持低檔，甚至多次出現負成長，市場規模始終維持在14~15億支，另一方面智慧手機零組件與終端技術規格、價格等競爭激烈程度依舊，因此智慧手機產業亟待新刺激以打破此一僵局，5G規格全面提升便成寄望所託，產業界期待5G手機能在功能、價格、出貨量層面等成為新世代的「救贖」。
5G智慧手機被產業鏈寄予厚望，但在2020年初，每年行動通訊最重要的舞台巴塞隆那世界通訊大會(MWC)，受到新型冠狀病毒(COVID-19)疫情影響，史無前例地取消，讓已經磨槍好幾年的5G手機產業鏈可謂出師未捷，包括手機處理器、射頻(RF)晶片模組與終端廠商面臨沒有舞台的窘境。不過現階段截至2020年4月的觀察，5G手機的發展出現延遲，但並未停滯，相關廠商甚至利用這段時間強化產品技術與功能的改善，期待能在疫情撥雲見日後搶占更有利的市場位置。
5G處理器策略涇渭分明
2019年4月美、韓兩國電信營運商搶先5G開台，5G智慧手機產業鏈便視2020年為兵家必爭的一年，重要廠商近年積極練兵都是為了這個時刻，沒想到一場百年一見的傳染病，讓競爭態勢陡變。而撇開疫情不談，5G手機核心的處理器大戰則已於2019年第四季開打，高通(Qualcomm)與聯發科(MTK)領銜，在兩者技術與市場策略選擇涇渭分明的態勢下，Qualcomm的旗艦產品Snapdragon 865採用分離式設計，X55數據機(Modem)晶片與應用處理器(AP)各自獨立，但支援毫米波28GHz聯網，峰值速率高達7Gbps；反觀聯發科的天璣1000，僅支援Sub-6GHz頻段，但應用處理器與數據機為SoC整合型設計。
手機核心處理器技術選擇與市場息息相關，美國在5G發展上積極主導毫米波(mmWave)應用，因此Qualcomm強調在產品設計時導入毫米波支援，聯發科現階段關注中國大陸市場，合作夥伴也是中國手機品牌廠商，因此在5G第一階段僅支援6GHz以下的中低頻段。影響所及，另外兩家晶片商策略選擇也充滿選邊站的意味，海思(HiSilicon)選擇先切入Sub-6GHz，三星解決方案則支援毫米波聯網。
工研院產科國際所分析指出，由於mmWave的高頻特性，將使晶片的功耗增加、射頻元件更複雜，並使5G手機單價較Sub-6GHz版本更高。根據電信設備廠商於紐約市區布建實測所得，毫米波訊號接收在視線範圍內效果較佳，直線距離約130公尺，如有建築物遮蔽而造成非直線接收則距離下降到90公尺左右，可使用區域限制、價格門檻與技術成熟度等也將延遲該技術產品的商用時程。
5G RF IC發展模組化設計
5G手機網速大幅提升，除了核心處理器需要執行更多運算之外，負責訊號接收的射頻前端元件同樣工作量大增，Qorvo亞太區市場開發經理黃益群(圖1)指出，一般而言，手機射頻前端模組包含功率放大器(Power Amplifier, PA)、低雜訊放大器(Low Noise Amplifier, LNA)、開關(Switch)、濾波器(Filiter)、天線(Antenna)等元件。過去4G時代使用頻段以2.7GHz以下為主，5G則提升到3.5~4.9GHz，且頻寬加大，射頻元件效能也要持續提升。
圖1 Qorvo亞太區市場開發經理黃益群指出因應5G的效能需求，PA的線性度必須提升。
5G與4G使用不同頻段，所以RF模組元件持續增加，根據研究單位統計，5G手機使用濾波器由40個增加到70個，射頻開關由10個增加到30個，5G RF IC複雜度較4G大幅提升(圖2)。以功率放大器為例，黃益群提到，因應5G的效能需求，PA的線性度必須提升，但是線性度越佳的PA，通常也更耗電，對電源供應帶來壓力。另外，調變深度也要從4G的16正交振幅調變(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)每訊符僅攜帶4位元資料，提升到256QAM，每個訊符攜帶8位元資料，一次解碼更多訊號，有效提升傳輸速率。
圖2 4G+5G射頻模組架構
資料來源：Infineon
濾波器可以對電波中特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除，得到一個特定頻率的訊號，但傳統濾波器在高頻時的性能表現將大幅下降。台灣村田(Murata)商品技術部資深經理封明安(圖3)表示，過去慣常使用的表面聲波(Surface Acoustic Wave, SAW)濾波器在3GHz以上頻段逐漸達到技術極限，因而體聲波(Bulk Acoustic Wave, BAW)濾波器在5G時代將大量導入，不過BAW的成本較高，目前只有少數旗艦機種的產品才導入，大多終端產品考量普及性與性價比之下還是採用SAW的產品為主，也有部分廠商採用LTCC濾波器適合於更寬的頻寬與更高頻率之應用如5G NR頻段n79(4.4GHz-5GHz)。
圖3 台灣村田商品技術部資深經理封明安表示，5G的 NR 或是毫米波將面臨不同濾波器與整合射頻模組設計上的挑戰。
4G的RF模組由於使用頻段不高，訊號路徑損失不嚴重，因此會採用離散式設計。5G RF模組元件增加、頻率也提升，為節省空間並維持訊號完整度，黃益群說，Sub-6GHz的5G RF模組已經開始出現整合的趨勢，不過各元件由於製程與材料各不相同，異質封裝的難度不低，如何在模組化設計中取得效能、能耗、空間運用的平衡也是一大挑戰。產業研究機構Gartner預估，射頻模組平均成本從3G的7.7美元、4G的19.3美元，5G可能再提升到34.4美元，對手機業者的成本壓力越來越沉重。
毫米波AiP模組技術/成本挑戰嚴苛
5G Sub-6GHz在現階段是主角，然而中長期來看真正的明星則是高頻的毫米波，由於現有4G技術已能提供消費者數百Mbps的傳輸速率，5G希望將傳輸速率「有感」提升，Sub-6GHz可以達成現有速率2~3倍左右，但要再往上提升可能需要依靠毫米波的協助，加上美國強力主導，美系的市場龍頭如Qualcomm都在產品或應用強調毫米波。然而，以三星2020年最新的5G手機S20為例，其毫米波RF採用模組化的天線封裝(Antenna in Package, AiP)，據傳成本高達20美元，一支手機搭載三組成本就是60美元，導致5G毫米波手機市售價格至少1000美元起跳。
毫米波頻率高導致訊號路徑損失嚴重，為維持訊號完整性，毫米波的射頻元件要採用高整合的AiP形式，但是這些類比電路多採用特殊製程，材料也不盡相同。工研院產科國際所資深分析師林松耀解釋，PA採用砷化鎵(GaAs)材料、開關使用絕緣層上覆矽(SOI)製程、濾波器採用微機電(MEMS)製程、低雜訊放大器製程則是採用矽鍺(SiGe)材料，再加上天線陣列，這類異質整合的架構不僅難度高，也是成本居高不下的原因之一。
而提供AiP的廠商除了Broadcom、Skyworks、Qorvo、Murata這幾家RF IC廠商之外，Qualcomm、MTK等處理器供應商也有意涉足，Qualcomm 2019年完全收購2017年與TDK合資的RF360 Holdings掌握RF前端技術，隨即推出其5G RFFE AiP解決方案，並表示毫米波元件需要與處理器進行系統級整合，才能有效發揮高頻/高速效能。因此，黃益群認為，5G毫米波射頻模組的商業模式會與4G時代有所不同，有業界人士提到可能會由RF IC廠商提供元件，交由處理器廠商封裝並與處理器進行系統級整合，也可能由RF IC廠商整合成AiP再與處理器廠商合作。台灣村田(Murata)董事/總經理陳世峯(圖4)表示，RF IC廠與處理器廠商過去有長期的合作關係，5G時代依然會維持緊密的合作關係。
圖4 台灣村田董事/總經理陳世峯認為高速傳輸軟板材料LCP將大量導入5G手機設計。
5G手機系統瓶頸待突破
以5G手機的系統來看，現階段雖然已經能量產了，但是許多技術問題都還有待進一步解決，英飛凌電源與感測系統事業部資深應用工程師許哲維(圖5)提到，以天線系統為例，4G手機的天線有4~6根天線，未來5G手機將增加到6~10根，AiP模組也搭載有陣列天線，一個AiP平均耗電2~4瓦，手機為了避免「死亡之握」，2~3組AiP是必要的設計。這些元件運作的時候會產生熱，所以散熱問題也相當棘手，林松耀就指出，5G手機散熱問題嚴重，已有廠商導入成本與效能都較好的散熱管，甚至三星旗艦機種已經使用更高價的散熱板，可見發熱對5G手機帶來的影響。
圖5 英飛凌電源與感測系統事業部資深應用工程師許哲維提出未來每支5G手機天線將增加到6~10根。
另外，5G高速訊號傳輸導致傳統軟板PI材料在10GHz以上頻率使用，會因為傳輸耗損難以滿足需求，陳世峯強調，LCP材料的軟板因具備低吸水性、低熱膨脹性等特點，介電常數(Dk=2.1)與介質損耗(Df=0.0005)小，被看好在5G時代將取代PI成為高速傳輸軟板的主流。但LCP單價約為PI的2~2.5倍，對手機業者又是一項沉重的壓力。展望5G手機發展，效能的提升為整個產業鏈注入全新的活力，雖然許多技術問題有待突破，但是產業機會也因此源源而生，相信疫情與技術挑戰都只是一時，有朝一日這些困難都將迎刃而解。
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※ 作者: uefangsmith 時間: 2020-05-05 22:56:00 (台灣)
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