5G發展被各國視為兵家必爭，推動相關基礎建設與相關終端裝置勢在必行，特別是5G毫米波低延遲、高速傳輸的優勢，更是吸引上下游供應業者整裝待發，企圖奪得先機拿下毫米波市場版圖。
隨著O-RAN架構帶來小基站白牌化的商機，以及支援5G Sub-6GHz和毫米波(mmWave)的iPhone 12推出，促使行動通訊上下供應鏈，包含晶片、封測、材料、天線模組、網通等廠商，甚至雲端伺服器廠商皆紛紛搶進5G終端裝置與基地台的市場。高通(Qualcomm)日前推出支援10Gbps的5G數據機X65和首款3GPP R16規格的數據機對天線解決方案，透過搭載X65 5G數據機射頻系統和QTM545毫米波天線模組的智慧型手機型態的終端，高通工程師首次實現5G 6GHz以下頻段分頻雙工和28GHz毫米波頻段的雙連接數據通話，並實現5G 6GHz以下頻段分頻雙工和39GHz毫米波頻段的雙連接數據通話，展示了X65在聚合全球關鍵頻段組合中低/中和高頻譜的能力。 另一方面，聯發科則是發表支援毫米波與Sub-6GHz雙頻數據機M80，在獨立組網(SA)和非獨立組網(NSA)下，M80 5G數據晶片支援5G最高下行速率可達7.67Gbps，上行速率最高為3.76Gbps。
若說2020年是5G Sub-6GHz的商轉元年，那麼2021年就是毫米波開始滲透市場的萌芽期。Sub-6GHz頻段為目前5G的主流頻段，不過可看到各大廠商已默默布局毫米波一段時日，預期2021年毫米波商轉的數量將會逐漸增多，更多的應用與設計將會持續發生，支援的應用與廣度將帶來長足的進展。隨著大頻寬的需求增加，將刺激相關供應鏈的成長力道，近兩年將會改善元件模組以至系統的成本、效能與製程，並真正延續到毫米波的市場。
5G Sub-6GHz發展仍為主流
Cadence技術經理連俊憲(圖1)表示，目前毫米波的應用主要還是以實驗性網路為主。雖說美國已有毫米波實際商轉的應用，大多是取代固網的區域多點分散式服務(LMDS)，用來補足地廣人稀不適合採取光纖到府的缺口，較不符合3GPP定義的5G毫米波對傳輸速度上的需求。
圖1 Cadence 技術經理連俊憲提出5G毫米波技術初期多用來補足光纖上網最後一哩的應用。
連俊憲認為，毫米波最具潛力的市場在於專網和車聯網的應用。短期來看，由於Sub-6GHz容易受到工廠各種訊號干擾，反之高頻毫米波訊號干擾源比較少，所以適用於工廠布建，可看到近兩年較多廠商嘗試應用於企業專網；長期的潛力市場，業界則看好車聯網對毫米波的需求，預計在2025年之後，隨著車聯網的應用更加普及，毫米波技術的導入將逐漸升溫。綜觀整個毫米波生態圈，仍處於嘗試階段，成本仍然偏高，製造商、生態體系的經驗較少，因此良率與成本不如Sub-6GHz。不過，2020年底推出內建毫米波的iPhone 12，想必會刺激業界推出相關解決方案，預期三星(Samsung)、高通與聯發科，在2021年都會有毫米波方案面市。
Qorvo亞太區銷售總監Maurice Huang(圖2)分析，毫米波指的是波長在1~10mm之間的電磁波，通常對應的是30~300GHz之間的無線電頻譜。由於其物理特性，毫米波的短波長和窄波束特性讓訊號解析度、傳輸安全性以及傳送速率得以增強，儲存容量也更大，上網擁堵問題很容易解決；而Sub-6GHz同樣由於物理特性，具備較強的穿透能力，傳播距離也相對更遠，更適合用於大範圍訊號覆蓋。綜上來看，毫米波的傳輸速率更快，而Sub-6GHz則是在穿透力與覆蓋能力上更強。
圖2 Qorvo亞太區銷售總監Maurice Huang認為無論是哪種5G的應用場景，實際應用上皆面臨到大規模布建、頻段與功耗上的挑戰。
毫米波傳輸容易受影響，Sub-6GHz網速又相對慢，這就要求建設更多的基站，以及盡可能地釋放基站的性能。同時，5G的關鍵元件、新的軟體模式、網路自優化、故障檢測和自我修復等功能、運算與交換功能擴展等技術都需要不斷創新。
Ansys技術總監魏培森以台灣使用的頻段做為案例分享。他表示，以台灣使用的Sub-6GHz與毫米波頻段而言，主要是操作在3.5GHz與28GHz，根據頻率越高、波長越短的物理特性，這意味著與4G的1.8GHz系統比起來，5G的收發機、濾波器、放大器、混頻器等高頻元件設計難度都增加不少，特別是毫米波，其波長為1.8GHz的1/15，不論在功耗的控制與高頻訊號的處理上更是難上加難。另外，就最大的數據資料處理量來看，5G的最大傳輸量是20Gbps，20倍於4G(LTE)的1Gbps，因此整個5G系統的RF、類比、數位電路乃至於材料的挑選、製程的精密度都是新的挑戰。
Huang指出，Qorvo在氮化鎵(GaN)和相控陣技術(例如MPAR)領域不斷進行創新，這有助於充分挖掘5G的潛力，可使基站OEM利用能夠簡化設計和製造流程的模組化子系統，在緊湊外形的條件下實現功率輸出和能源效率的最佳平衡。
面積限制/頻段整合成兩難5G設計難題層出不窮
円通科技(YTTEK)總經理陳文江(圖3)談到，對於mmWave的頻段，元件設計上面臨的主要是寬頻設計挑戰，與多顆元件在單一手機面積限制整合的權衡問題。也就是說若想要克服，除了寬頻設計上的持續突破，另外則是在面積限制下的整合設計上的進一步突破。
圖3 通科技總經理陳文江表示Sub-6GHz在元件設計上，需要權衡頻寬與手機面積內部元件整合的問題。
而在5G毫米波的設計上，村田(Murata)商品技術部協理封明安(圖4)則認為，主要設計挑戰來自於新技術、新頻段整合，以及輕薄短小的設計需求，這些需求連帶影響了製程、良率、散熱、線性度、敏感度與功率損耗(耗電)的問題，特別是功率上的挑戰是使用者最為有感的問題之一。
圖4 村田商品技術部協理封明安認為毫米波設計挑戰主要來自於對終端裝置小型化的設計，以及新技術、新頻段整合。
效能與輕薄短小的設計取向常常是背道而馳。若要有高效能，勢必需要在裝置內加裝更多的零組件，不過設計面上必須要講求輕薄短小，空間尚有一定的限制，如何在這之中取得平衡，是目前晶片、模組與OEM廠商面臨的最大難題。
高頻材料選用成要點
封明安指出，RF模組挑戰可透過基礎材料與高度整合的方向逐一攻破，而這也涉及到設計者對於基板、濾波器、晶片的掌握度與垂直整合的能力。
從基板材料來看，傳統PCB板主流材質為FR 4，若要有更好介電常數就需要使用FR 5、低溫共燒陶瓷製程(LTCC)、Rogers和液晶材料(LCP)等，其中，LCP為村田的專利材料。5G毫米波技術需要使用特殊材質，以提供良好的訊息傳輸，並滿足低功耗與低損耗的效能。
整體來看，Rogers與LTCC，製程與性能都已相對成熟，但仍相當昂貴，對於5G毫米波商用的普及，仍有待成本上更快更大幅的下降。 至於製程上，村田董事暨總經理陳世峯(圖5)表示，SiP製程技術本身的差異性不大，但良率與後端驗證上能明顯感受到不同，特別是大量生產的情況下，還能保持良率的一致性是非常難得的。該公司所提供的5G關鍵零組件，從基板、晶片、天線、封裝到最後的量產都是自家包辦，因此可以保證良率在業界水準之上。
圖5 村田董事暨總經理陳世峯認為在大量生產的狀況下，同時保持SiP製程良率維持在一定水平，是全程自行從設計到製造量產的主要優勢之一。
2021年5G的發展有幾項重點，首先是提升網路的覆蓋能力，深化5G網路建設部署；再者為提升5G應用的創新能力，推動新興消費模式，豐富並深化5G與垂直行業的融合應用，逐步推動5G在工業互聯網、教育、醫療、智慧城市等規模落地商用；第三則持續演進5G技術，滿足上行傳輸、低延遲和室內大容量需求；最終5G終端裝置將會更加全面發展，使用者成本進一步降低，而5G雲端與邊緣端將深度融合。
帶動零組件需求各國5G基建部署升溫
Huang談到，Sub-6 GHz與毫米波從技術各有優點，目前來看，Android和蘋果(Apple)兩大陣營的手機，幾乎全部支援毫米波和Sub-6GHz兩種方案，中國也計畫在2022年實現5G毫米波商用。
雖說現階段5G在行動通訊的需求仍有待醞釀，但電信業者投入5G發展的決心堅定。可看到中國和美國電信業者在手機與消費者資費上推出補貼方案，例如美國電信商(Verizon、AT&T)於iPhone 12推出之際，即祭出優渥的補貼，企圖拉攏新舊用戶，在逐漸起飛的美國5G電信市場先掌握基本用戶群，期能在推動基礎建設的同時，建構完整的5G生態系統。
從零件供應的角度，到了5G時代，需要支援的頻段變多，加上毫米波所帶來的技術挑戰，刺激5G RF前端、天線模組、PA、LNA、濾波器與被動元件數量增加，同時高頻材料的需求也有長足的進展，為相關零組件帶來全新的發展契機。
而從基礎布建的角度來看，以台北市為例，毫米波若要有效覆蓋整個市區，大約3~5盞路燈的距離就要建一個基地台，需要基地台的數量明顯增加許多，此舉也意味著5G零組件的需求將隨之而增。據廠商表示，毫米波的開案數量陸續攀升，然而要走到實際量產，時間點預估在2021年底到2022年第一季左右。