5G毫米波發展已蓄勢待發，包含美國、日本、韓國、歐洲與台灣皆陸續進行頻譜配置與劃分，同時毫米波模組技術仍馬不停蹄開發當中，至今已有部分付諸商用，雖說目前各國主力發展5G sub-6GHz的商用，不過5G毫米波預期帶來的商機與戰力，仍吸引各路人馬揭開下世代通訊新篇章。
2020年是5G建設的大年。5G的到來，讓越來越多的國家和公司開始在毫米波領域發力。目前，日本、韓國、美國和一些歐洲國家已率先完成5G毫米波頻譜劃分，並部分開始商用，重點為高價值區域提供高性能大容量5G服務。近日，美國還完成了至今最大的一筆毫米波頻譜拍賣。而中國目前重點關注於sub-6GHz的5G商用，但同時也在驗證毫米波基站和終端的功能和性能，開展高低頻協同組網驗證，並計畫在2022年逐步進行5G毫米波商用。
高通表示，毫米波於美國發布商用後，該公司看到在其他地區(包括日本，韓國和歐洲部分地區)對於mmWave部署產生強烈興趣。高通預計日本和韓國將在2020年開始部署mmWave，同時高通已與OEM商緊密合作商用毫米波設備。
目前台灣仍以sub-6GHz布建為主，不過政府已開放部分毫米波頻譜，可看到中華電信、遠傳及亞太默默開始布建毫米波網路，其中，中華電信所標到的頻段為愛立信(Ericsson)既有產品已有支援的頻段，因此布建速度較快，預估2020年下半年有一些布建成果。初期終端裝置包含手機、CPE方案，現已有三星(Samsung)、蘋果(Apple)手機搭載毫米波模組，但是是否開通毫米波技術，還須取決於電信業者是否已支援毫米波網路。
衰減/布建成本待克服 2022年5G毫米波商轉發威
工研院資通所副所長丁邦安(圖1)表示，毫米波屬於高頻頻段，通常會面臨兩種問題。首先，毫米波的物理特性會讓電磁波衰減快速，相較於中低頻段，收訊可能較差，需要整合更多天線、射頻單元才得以維持相同距離傳輸，也就是所謂的波束成形(Beam Forming)。波束成形就像是一顆探照燈，對著單一方向輸送載波，當然這項技術對半導體製程、封裝要求很高，需要整合64、128根天線與射頻單元在單一模組，對於功率的掌握度也要更好，這些技術都會影響良率與成本。 其次，通常可看到各國在拍賣頻譜時，中低頻的頻譜拍賣價格較高，而高頻卻相對便宜，究其原因在於，高頻雖有較大的頻譜資源，但卻需要耗費更多的布建成本，才能達到不錯的效果。例如上述高頻衰減問題，就需要架設更多的基地台彌補通訊死角。再者，寬頻對於類比與數位訊號轉換器的需求變大，須使用價格高昂的元件處理。
圖1 工研院資通所副所長丁邦安指出頻段越高就需要更多天線與射頻單元組成較佳的訊號模組，此舉將墊高封裝、製程與良率的要求。
回顧3G、4G時期，也是經歷一段產業升級與發展的過程，成熟的技術與市場讓商轉的價格更加低廉。丁邦安認為，受限於毫米波技術要求門檻，以及目前相關供應鏈仍積極解決良率與功耗散熱問題，故毫米波預計於2022~2023年之後市場才會進入起飛階段。
另一方面，從商業角度來看，雷捷電子共同創辦人暨董事總經理楊蘭台(圖2)表示，即便台灣電信業者已開始進行毫米波驗證與布建計畫，但4G才剛開始慢慢攤提當時投入的資本支出，此時即要立即發展5G毫米波言之尚早。以策略面來說，應先以基於4G架構的5G sub-6GHz技術為首先攤提部分成本，待5G毫米波的技術與成本都到達一定水準，加上消費端對於低延遲、高可靠度的需求增加時，再開始支援毫米波通訊網路。
圖2 圖左自右分別為雷捷電子創辦人暨執行長游世安、雷捷電子共同創辦人暨董事總經理楊蘭台。目前4G的建置成本尚未完全攤提，加上5G毫米波仍有成本和技術挑戰，故5G毫米波起飛預計還需2~3年。
亞德諾(ADI)通訊基礎設施業務部中國區策略市場經理解勇(圖3)談到，以毫米波在無線通訊領域的應用而言，目前主要有兩種常見的場景。一個是郊區，採用固定無線存取(FWA)技術；第二個場景應用於「密集市區」，透過小基站來補足傳輸訊號不足的地方，它可能不會覆蓋很大的區域，但要穿透建築物上的玻璃，仍是一個挑戰。目前固定無線存取場景在美國已有商業部署。
圖3 ADI通訊基礎設施業務部中國區策略市場經理解勇提出目前毫米波在美國已有商用案例，初期將以FWA發展為首。
5G採用大規模天線陣列技術，對於射頻元件的整合度、頻寬和成本具有著更高的要求。
射頻元件高整合關鍵在製程
解勇認為，高頻毫米波頻段基於SiGe SOI製程的射頻鏈路元件，將取代GaAs製程而成為主流，其優勢在於能提高方案整合度並降低成本。對於5G低頻的射頻前端設計，整合度和成本也是主要的挑戰之一；對於新分配的4.9GHz頻段，相關射頻元件的性能和成熟度則仍然有待提高。
ADI看好毫米波在5G市場的商用前景，不斷加大產品研發投入，並透過長期的技術積累和深入的系統架構理解，開發更具競爭力的全訊號鏈系統級解決方案，這是ADI相對其他競爭對手的一大優勢。目前在毫米波上下變頻器和用於波束成形的移相器方面，推出基於SiGe製程的更高整合度和更高性價比的方案；在中頻處理方面，則推出基於28nm CMOS製程的射頻採樣資料轉換器，以滿足毫米波大頻寬的需求。
毫米波頻率路由訊號比低於6GHz路由訊號要複雜得多。在基礎設施設備中，這些挑戰通常是透過印刷電路板(PCB)材料的選擇來克服，以降低高頻路由布線時的損耗。
毫米波基地台技術展雄心 台廠前端模組競出籠
在基地台端的前端模組設計則較為多元，除了採用封裝天線(AiP)技術，將天線加射頻前端模組(RFFE)整合在一起之外，亦有廠商訴求天線與RFFE分開的方式，增加毫米波相位陣列的設計彈性。
雷捷電子創辦人暨執行長游世安表示，毫米波基地台在技術上，難以用單一顆SoC滿足所需的效能，故通常會需要一些客製化的設計模式。目前可分成兩種做法，一種是使用毫米波模組搭配相位陣列天線(或稱智慧天線、主動式天線)，也就是晶片模組商提供晶片方案，由其他廠商做成相位陣列系統。另一種是將前端模組做成標準產品，內含天線技術，可說是一種AiP方案，也有可能是半SiP類產品。
游世安談到，依照基地台廠商布建方式，會有對天線接收與發射場型設計彈性的需求，如使用AiP的方式就會喪失天線的變動彈性；此外，在某些時候，開發商會有更高效能的天線的要求，而這大多也只有專業的天線廠商才能實現。
目前雷捷電子可以提供相位陣列晶片，主要採用CMOS製程，同時也具備提供AiP方案的能力。預計2020年下半年提出相關的樣品，並進入驗證階段。與此同時，針對28GHz和39GHz頻段有砷化鎵(GaAs)前端模組IC正在開發當中，支援相位陣列與非相位陣列方案。
稜研科技總經理張書維(圖4)表示，該公司的毫米波產品類型非常多元，包含開發套件、OTA產品測試與AiP模組開發設計等。其中，AiP的材料製程主要以PCB和低溫共燒多層陶瓷(LTCC)為主，PCB採用的是玻璃纖維材質，過去玻璃纖維材質在高頻損耗比較大，但隨著時間演進與技術提升，高頻損耗已降低不少，目前該公司設計的PCB為10層疊構的AiP模組。
圖4 稜研科技總經理張書維認為基地台受天候與輻射問題，在開發設計上挑戰非常大，特別是天線鑲嵌在機殼內，還需支援穩定傳輸，使得天線製造的材料選用非常重要。
另一方面，稜研科技使用LTCC所製的AiP模組，採用的是26層的疊構技術，這種小型化AiP模組技術優點是天生損耗低，但它介質常數較高一些。由於LTCC的製程是透過燒陶的方式，因此陶土可能會在燒烤的過程中縮小，如何控制陶瓷燒製大小是該製程最大的挑戰，良率也會因此受到影響，故其價格比PCB製程高，但散熱較好。整體而言，AiP模組疊構的層數越高，在製程上的挑戰也就越高，故材料與製程技術的選用非常重要。
張書維分析，通常投入AiP模組的開發，不外乎是晶片商或天線廠商。然而5G毫米波技術對天線廠商來說是很大挑戰，因為天線與電路設計本身就是非常不一樣的設計方法，台灣目前有許多中小型天線廠面臨到sub-6GHz天線市場被大型天線廠商所壟斷，因而投入研發毫米波天線，甚至是企圖提供AiP模組方案，期能在新興領域闖出一片新天地。
不過，AiP模組是一項客製化要求甚高的技術，頻段選用及基地台傳輸距離都是改變客製化設計的變數，因此AiP設計非常需要具備軟硬體整合的能力。張書維認為，該公司在AiP市場競爭者是傳統的天線廠商，但在競爭之外，該公司認為最好的方式是彼此合作，特別是中美貿易戰與新冠狀肺炎的發展下，更應掌握台灣本身製造優勢，共同創造台灣在毫米波技術轉捩點奪得先機。
總體上看，毫米波產業鏈目前還處於起步階段，距離成熟商用還有一段距離。毫米波頻段通訊除了需要解決高頻核心元件的性能、整合度和成本挑戰外，還需要解決低成本、高可靠性的封裝及測試等技術問題。
把握生產製造優勢 毫米波市場商機一觸即發
不過可以預期毫米波應用在5G通訊網路中日益增加。恩智浦認為，在5G領域中，毫米波技術用於設備之間的超高速、低延遲鏈接，擁有更多的可用頻寬的優勢，從而提升數據傳輸速率。
無論是5G或是汽車應用，半導體廠商都在其中扮演關鍵角色。射頻應用方面，半導體供應鏈目前由現有的射頻製程代工廠及專門的測試和裝配公司主導。如今，隨著5G毫米波部署和相關手機銷量的增加，元件數量正在增加。所有技術能力都旨在作為每部手機的標準功能，進一步支援銷量成長。台灣一直是半導體產業重鎮，若將強大的製程與組裝測試能力擴展到毫米波應用，相信會讓台灣產業在5G供應鏈及汽車產業中發揮關鍵作用。