一、前言
隨著5G的發展，人們於日常生活中所使用的手持裝置、智慧設備都將與無線通訊技術更加緊密的結合，5G的影響範圍不侷限於智慧型手機，更遍及全球各個市場和產業，同時也與物聯網密不可分，藉由高頻寬、低延遲的特性、以及高效率的傳輸模式，所帶來的效益不僅是加快傳輸速度，也提升了消費者的使用體驗。
無線通訊發展是一個開始至今已超過30年的技術演進，從第一代的無線通訊系統（簡稱1G）開始，所提供服務為以類比語音服務為主，至現今為一個4G（4th generation）、5G（5th generation）共存的世代。4G行動通訊技術是3G之後的延伸，簡單說來，1G是類比、2G是數位、3G是數據，4G為實現IP化，數據傳輸速率大幅的提升。所謂5G指的是「第五代行動通訊技術」，目的是要解決4G通訊無法解決的問題與限制，5G通訊其特徵有三，分別為：1.「增強型行動寬頻通訊」（eMBB），其特點如下：下載通信速度為20Gbps，上傳通信速度為10Gbps，在頻率使用效率上面是LTE-A（4G+）的3倍以上，以及通訊可於移動速度500 km/h下進行傳輸。2.「巨量多機器型通訊」（mMTC），其特點如下：平均每1平方公里擁有一百萬個連接點，能夠支援大量的連線以及極低的訊號延遲。3.「超可靠度和低延遲通訊」（URLLC），其特點為往返延遲不超過1ms。5G的容量是4G的1000倍以上，峰值速率10Gbps-20Gbps，意味著5G通訊必須採用更高的頻段以及需要更多的基站基礎建設，並引入Massive MIMO等關鍵技術。
由於物聯網的服務普及化以及逐漸滲透下，帶動了人們對於與多應用的需求，包括：各種的多媒體影音、移動裝置行為服務、車聯網、環境感測以及工業物聯網等，因此也會加速了5G通訊網路的實現腳步，未來5G滲透率逐漸提升之下，預估各種智慧聯網裝置透過5G通訊技術的連結，將會在各個領域中為各個市場帶來不小的發展潛力。
二、高頻元件具高市場發展潛力
迎接5G世代的來臨，通訊頻率逐漸朝向高頻段區域發展，主要頻段布建方向為在6 GHz以下的Sub-6頻段，以及於24 GHz以上的毫米波（mmWave）頻段，依據3GPP定義的規格，以6 GHz頻段為界線，6 GHz以下，也就是Sub-6，範圍在410 MHz至7125 MHz之間，而毫米波（mmWave）頻段，範圍在24250 MHz至52600 MHz，是屬於高頻的範圍。
根據Yole研究機構預測顯示，如圖1所示，全球電信通訊基礎設施的市場規模，將由2021年的29.9億美元，提升至2027年的42.9億美元的市場規模，2021年至2027年的年複合成長率（CAGR）為6.0%。其中，從各射頻前端模組的技術區分來看，2021年全球電信通訊基礎設施中市占份額中最大的是LDMOS，市場規模有9.26億美元，高達31.0%的市占，其次為GaN相關的射頻技術，市場規模為6.56億美元，市占為21.9%；
資料來源：Yole（2022）
圖1 全球通訊基礎設施產業下各射頻前端模組技術類別之市場規模
值得注意的是未來2027年的市場規模的技術組成將出現變化，2027年市占份額中較高的為GaN以及SiGe，而LDMOS從2021年至2027年的CAGR為-8%，主要是因為未來通訊基礎設施佈建的技術逐漸轉向佈建5G更高頻的通訊設施，矽基LDMOS受限於僅適合操作於3.5 GHz以下的頻段與其頻寬較低的問題，未來需求上僅部分新興國家仍有以LDMOS為主的4G LTE基礎建設；2027年的兩大射頻技術，一個主流是GaN的射頻技術，其市場產值將成長至11.43億美元，占市場份額26.6%，CAGR為10%，在射頻市場中具有不錯的成長潛力，GaN HEMT具有高頻操作特性佳、散熱特性佳、耐高功率與以及高功率輸出等優勢，因5G在高頻高功率需求趨勢下，成為推動市場成長之主要動能。另一個技術是以矽鍺（SiGe）為基材的射頻元件，其市場產值將成長至12.07億美元，占市場份額28.1%，CAGR為17%，此射頻技術主要是應用於低雜訊放大器，用於收發器線路中，未來也將會在5G高頻通訊之毫米波頻段中應用於基站的功率放大器。
隨著5G世代來臨，訊號傳輸在波長變短下，穿越障礙物時所造成的衰減更大，因此智慧型手機、基地台的通訊高頻元件逐步走向技術升級之路，並且使用需求數量也日益增加。隨著5G時代的來臨，為達到更高的傳輸速度，以及更低的延遲時間，將會有更多的頻段被使用，因此使得高頻通訊元件的需求持續增加，從4G進展到5G的時代，濾波器需求量會從40個增加至70-100個，Switch開關數量會亦由10個增加至30個。
三、高頻元件相關技術發展趨勢
高頻通訊元件是智慧型手機、移動裝置、通訊基礎設施等多類產品中不可或缺的，如電阻、電容、電感、濾波器等被動元件，記憶體、天線等功能性元件，以及射頻、功率放大器等產品，都包括在內。智慧型手機裡面的通訊系統中之關鍵零組件的開發也是相當重要。通訊系統組成主要分成四大部分，分別為基頻晶片（Digital Baseband）、射頻收發器（RF Tranceiver/ Receiver）、射頻前端（RF Front-End）以及天線。智慧型手機傳送資訊的原理就是先由基頻晶片將這些不連續的0和1訊號轉換成連續的電磁波後，再傳送給濾波器輸出正確的頻率，接著經由功率放大器（PA，Power Amplifier）將電磁波功率放大傳輸，再經由雙工器、開關等將電磁波傳送到天線，最後由天線將電磁波發送至基地台。因此其性能直接決定移動終端支援的通訊模式及接收信號強度、通話穩定性以及發射功率等重要性能指標，直接影響了終端用戶的體驗。
歸因於近年 5G 通訊的高頻與高功率需求，技術布局逐漸由矽基（LDMOS）、砷化鎵轉向氮化鎵架構的高頻元件。氮化鎵已是高頻應用元件的主流材料，氮化鎵架構的高頻元件以磊晶的技術發展可分為GaN-on-Si與GaN-on-SiC。GaN-on-Si雖為矽基板具成本優勢，但因晶格常數與熱膨脹係數不匹配問題使得磊晶技術難度高，目前應用在功率元件為主。GaN-on-SiC的優勢為結合GaN與SiC低功率損耗與高導熱性的特性，為目前耐高功率之高頻元件首選。不過未來GaN on Si 將以成本作為成長之驅動因子，未來電信運營商對GaN on Si應用看好其發展潛力，尤其在Sub 6GHz和毫米波（mmWave）的高頻應用市場中。
化合物半導體射頻大廠在專利技術布局上，皆以射頻用的功率放大器為布局主力，且持續投入研發，歷年專利顯示集中布局於功率放大器相關技術與射頻傳輸收發電路技術，以性能優化、應用電路與高整合模組為其布局主要方向，不過近期值得注意的是，國際射頻大廠在專利布局上開始出現5G相關應用的體聲波（BAW）與表面聲波（SAW）濾波器專利，SAW濾波器以及用於更高頻段（>1.5GHz）的BAW濾波器在5G時代因應多頻段、分頻多工以及避免其他通訊規格的干擾，必須使用大量的濾波器。
由於濾波器將成為未來5G智慧型手機高頻元件的主要成長市場之一，使得各國際大廠皆不斷布局濾波器市場。Qorvo與Skyworks近年皆有持續投入研發濾波器相關技術，更推出具備較佳散熱能力的濾波器產品來因應未來高功率的產品需求。Murata於2019年透過Resonant在BAW（體聲波）的XBAR技術共同開發高頻濾波器，並於10月推出基於TF-SAW技術的超高性能IHP SAW濾波器，其使用陶瓷/矽晶片的鍵合技術來改進標準的SAW技術，此技術不但能滿足PAMiD和Diversity receivers的需求，在性能上亦可與BAW濾波器相競爭。而為達到更大頻寬的濾波器性能，Murata於2021年2月獲得Resonant的XBAR濾波器技術使用權，以滿足5G手機的高頻寬和高頻率要求，最後Murata於2022年2月15日宣布其美國子公司將斥資約3億美元公開收購RF濾波器設計領導廠商Resonant。
另外，具陶瓷特性的LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic）高頻元件與模組非常適合應用於高頻通訊領域中，其產品包括：濾波器、晶片天線及模組、射頻前端模組、天線開關模組等，不僅具有高頻、高速傳輸和較寬頻帶等特點，且易於達到表面貼裝、小尺寸和高層數等製造與組裝需求，另外也具有更佳的高電流、高溫耐受性以及高可靠性、低損耗等優點。隨著目前5G智慧型手機的射頻前端模組不斷往FEMiD（整合濾波器、天線開關模組）或PAMiD （整合功率放大器、濾波器、天線開關模組）方向前進，實現射頻模組更高的整合度，未來若發展成高集成度的LTCC射頻模組，將一改LTCC只存在於個別射頻元件的領域，而跨入到高整合度的射頻模組領域，將會大幅度擴大LTCC的市場應用規模。
四、結論-未來展望
5G世代已經正式來臨，因應5G的發展，通訊產業將面臨的是高頻與高功率的挑戰與技術轉型，但5G也將為高頻元件帶來新的一波發展與市場成長動能。在高頻元件應用市場中，目前主流元件是LDMOS與GaAs，但因應5G的高頻需求與高功率需求，而LDMOS本身應用的頻率限制（3.5GHz以下），將無法應用於毫米波頻段，GaAs雖然高頻條件特性佳能應付毫米波頻段，但元件本身的輸出功率較差，以及高功率操作下因散熱不佳而使性能降低。但GaN on SiC是可以同時擁有高頻與高功率這兩大需求，因此在5G未來的發展中，GaN與SiC是在高頻元件中的不可或缺的重要元素，化合物半導體中的閃亮之星。
隨著5G高頻通訊的演進，在高頻元件技術發展上除了功率放大器是專利佈局的重點外，近年來濾波器也是重點布局之一，5G發展的特色是多頻段，目前主流是Sub-6GHz頻段，以及尚未普及的毫米波頻段，因此濾波器在高頻應用將會是5G設計的關鍵組成部份，使之可容納更多頻帶數，並支援更高頻寬的應用。下世代通訊應用需求增加，隨著頻段變得越來越高，也帶動了高頻通訊元件變得更加活躍。