砷化鎵應用就在你身邊(1) — 商用無線通訊市場

砷化鎵HBT與pHEMT在無線通訊之應用

砷化鎵代工背景

砷化鎵(GaAs)主要應用於射頻(RF)通訊元件，穩懋半導體為專業砷化鎵晶圓代工廠，其營運模式如同台積電，晶圓廠本身不從事電路設計，致力提供高品質代工服務。穩懋主要替客戶生產異質接面雙極性電晶體(HBT)，及應變式高電子遷移率電晶體(pHEMT)，在一般通訊射頻電路方面，HBT與pHEMT主要應用於手機與Wi-Fi (IEEE 802.11 a/b/g/n)功率放大器、及射頻開關。過去在砷化鎵純代工服務尚未完全成熟前，一些本身無晶圓廠的設計公司很難與整合元件廠(IDM)大廠競爭，即使成功研發產品，卻又因產品推出時程落後IDM大廠而難以進入供應鏈，如今砷化鉀專業代工服務，替這些無晶圓廠的射頻電路設計公司增加競爭力，同時也帶動晶圓代工廠本身業績成長。

台灣砷化鎵代工服務已趨成熟

近年來台灣砷化鎵產業包括上游磊晶、晶圓代工及封裝測試已有長足進步，能提供較低成本且高效率晶圓製造，並提供客製化服務。例如穩懋目前提供多種HBT與pHEMT製程以滿足不同客戶需求，客戶在產品初期研發階段即與代工廠密切合作，射頻電路工程師可向代工廠索取設計上所需的各種製程參數與量測數據，因為產品設計初期需要大量製程資訊，藉由與晶圓廠密切溝通，電路設計者可更加了解元件特性，並隨時回報試產晶片測試結果，而代工廠根據量測結果進行元件分析，進一步提高製程良率，並縮短量產時程，目前穩懋已提供完整製程設計套件，其中包含應用手冊、主動及被動元件模型、元件電性量測數據、標準元件資料庫、以及布局檢驗套件，能簡化設計流程，此外，針對客戶特殊需求的元件亦有能力為其萃取元件模型，進一步提高電路模擬的精確度。

現階段砷化鎵無線通訊應用

根據Strategy Analytics預測，全球砷化鎵無線通訊市場在2011年將超過35億美元，主要應用在功率放大器及射頻開關。以無線區域網路Wi-Fi為例，目前普及的802.11 a、b、g大多使用HBT製程的功率放大器及pHEMT製程的射頻開關，在系統應用上，離散式封裝及多晶片SiP封裝皆是可行方式，如果是採用離散式封裝的2.4GHz 802.11b、g射頻前端模塊，需搭配一顆功率放大器IC，及另一顆射頻開關IC，相較之下使用SiP封裝僅需一顆IC，因為SiP技術將功率放大器與射頻開關晶片，及其他被動元件封裝於同一顆IC中，可減少使用面積。雖然SiP可降低系統面積，但射頻開關與功率放大器為分屬pHEMT及HBT製程的兩個獨立晶片，整體系統整合度仍受限。

台灣砷化鎵代工廠提供高整合度製程

為了提升系統整合度，近年來穩懋已成功整合pHEMT與HBT製程於同一砷化鎵晶片，由於pHEMT屬場效電晶體，此製程又稱為BiFET技術，類似矽製程的BiCMOS，除提高整合度也提高射頻電路設計靈活度。pHEMT電晶體分成空乏型及增強型，空乏型pHEMT具有高增益及低功率損耗，且具面積小之優勢，目前已大量應用於無線通訊射頻開關上；而增強型pHEMT具有低雜訊、高增益特性，傳統上應用於低雜訊放大器，市面上亦有部份Wi-Fi射頻前端SiP模組加入了pHEMT製程的低雜訊放大器，有助於提升通訊品質；此外，將pHEMT電晶體應用於HBT功率放大器的偏壓及控制電路也可降低功率消耗。根據上述，BiFET技術可整合功率放大器、射頻開關、低雜訊放大器、偏壓控制電路，及邏輯電路於單一砷化鎵晶片，可大幅縮小電路面積，降低晶片測試時間，提升客戶產品競爭優勢。穩懋的BiFET製程整合HBT、空乏型pHEMT、及增強型pHEMT於單一六吋砷化鎵晶圓，並提供三層金屬做為連接層，技術層次領先其他砷化鎵代工廠，適用於高整合型射頻電路，目前已有客戶用於手機、Wi-Fi、以及WiMAX產品。

砷化鎵無線通訊Wi-Fi市場大幅成長

近幾年Wi-Fi市場迅速由802.11 a、b、g演進至802.11 n，亦即MIMO (Multi-Input Multi-Output)，利用多重輸入及多重輸出無線通訊技術，採用數個收發模組及多根天線傳送並接收信號，可獲得數倍於傳統單天線系統的資料傳輸率。802.11 n的蓬勃發展帶動了Wi-Fi功率放大器及射頻開關的市場需求，砷化鎵代工廠產能也因而受惠。由於功率放大器或射頻開關晶片的使用量由1至2顆倍數成長成4至6顆，而BiFET製程將實現最高整合度的802.11 n射頻前端電路，例如同時將2組2.4及5GHz功率放大器、2組2.4及5GHz低雜訊放大器、3組射頻開關、偏壓與功率檢測電路、以及邏輯控制電路整合於單一晶片，大幅縮小晶片面積。

砷化鎵主宰手機功率放大器、射頻開關市場

手機一向是砷化鎵元件最大市場，HBT主宰了手機的功率放大器市場，2G/2.5G手機僅需搭配2顆功率放大器晶片，隨著全球3G及網路的持續部署，3G已成為新型手機的標準，例如手機必須同時支援3G的WCDMA及以往2G的GSM，一支多頻多模的3G手機可能搭配高達4至6顆功率放大器晶片，以符合運營商的各種網絡技術規範，並同時滿足漫遊需求，而WCDMA的每個頻段各自需要一顆功率放大器晶片。根據市場研究機構數據，2008年以後全球2G/2.5G手機出貨量將逐年下滑，而3G手機則逐年攀升，也意味著3G手機功率放大器需求將逐年成長，帶動砷化鎵代工廠產能。同樣的，以往2G手機亦使用pHEMT製程的射頻開關，進入3G時代，支援多頻多模的射頻開關必須以更大晶片面積實現，同樣增加pHEMT製程產量。此外，高階3G手機如智慧型手機往往整合Wi-Fi功能，加上未來4G行動通訊技術LTE (Long Term Evolution)應用，可預期的是未來單一手機內的功率放大器數目將持續增加。

除了3G手機，近年來3G網卡也逐漸流行，透過3G技術，搭配3G網卡的NB即可使用3G門號無線上網，因此只要在有基地台訊號的地方就可上網，大幅增加上網的便利性。如同3G手機，3G網卡亦須搭配HBT功率放大器，以及pHEMT射頻開關。事實上3G網卡如同不具對話及多媒體影音功能的手機，其僅具備上網功能，同時也向下支援2G/2.5G上網，因此一組3G網卡也須搭配多顆功率放大器晶片。

大陸山寨機市場蓬勃發展進階帶動大陸本土射頻IC設計產業，一些新興功率放大器設計公司陸續崛起，其利用台灣砷化鎵晶圓代工優勢，持續推出手機功率放大器產品，期能與國際IDM大廠抗衡。由於大陸有數百家山寨機設計公司，功率放大器需求量龐大，在台灣砷化鎵代工廠與大陸功率放大器設計公司的合作下，研發的產品能提供價格上的競爭優勢。

砷化鎵WiMAX市場極具成長性

台灣近幾年已將WiMAX網路建設納入國家發展重點；而於國際上，在Intel的大力支持下，WiMAX產品的出貨成長力道不容小覷，WiMAX能解決都會區和長距離應用中Wi-Fi的缺點，現階段WiMAX設計上亦採用類似802.11 n的多重輸入及多重輸出MIMO方案，因此砷化鎵功率放大器與射頻開關在WiMAX的應用將持續增加。Strategy Analytics預測WiMAX市場將由2007年的150萬用戶成長至2012年的3400萬用戶。

綜合以上分析，全球砷化鎵無線通訊市場將維持成長，台灣砷化鎵晶圓代工前景看好，未來有機會將全球市佔率提升至50%。(本文由穩懋半導體提供，DIGITIMES整理)

圖説：全球手機標準趨勢圖