國外宇航級混合集成電路發(fā)展淺析

門國捷

（中國電子科技集團(tuán)公司第43研究所，合肥 230088）

1 概述

宇航級混合集成電路是宇航電子系統(tǒng)中核心電子器件的重要組成部分。混合集成電路以其高密度、高性能、高可靠性和輕重量、小體積等明顯優(yōu)勢正被廣泛地應(yīng)用于航天控制系統(tǒng)、航天通訊、雷達(dá)探測、星載高速處理器等空間應(yīng)用系統(tǒng)中。這些軍用電子裝備必須適應(yīng)嚴(yán)酷的工作環(huán)境?；旌霞呻娐芬员旧淼募夹g(shù)優(yōu)勢，能滿足應(yīng)用要求，并能實(shí)現(xiàn)空間系統(tǒng)的小型化、輕質(zhì)化，提高系統(tǒng)技術(shù)性能和可靠性等級，已成為宇航電子信息系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

人類空間探索活動推動了宇航混合集成電路產(chǎn)品的持續(xù)發(fā)展，美國、歐洲、日本等航天發(fā)達(dá)國家已經(jīng)建立起了完備的宇航級混合集成電路產(chǎn)品體系，在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、研制、生產(chǎn)、試驗(yàn)、元器件評價和生產(chǎn)線認(rèn)證等方面都有極其嚴(yán)格的規(guī)定，生產(chǎn)和試驗(yàn)設(shè)施完善，產(chǎn)品品種齊全，空間驗(yàn)證手段和方法完備，有穩(wěn)定的元器件供貨渠道。

2 美國宇航級混合集成電路發(fā)展現(xiàn)狀

美國列入QML（合格供應(yīng)商名錄）有39家公司，涉及到軍用混合集成電路生產(chǎn)線約50條，其中宇航級生產(chǎn)線有14條（表1）。美國宇航級混合集成電路的研制及生產(chǎn)技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位，從成膜技術(shù)、組裝技術(shù)、電路技術(shù)，到產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、可靠性研究等方面形成了相當(dāng)完整的體系，建立了完整的宇航級混合集成電路標(biāo)準(zhǔn)體系，也是歐洲、日本、巴西等制定本國宇航級混合集成電路標(biāo)準(zhǔn)體系的重要依據(jù)。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，美軍對軍用混合集成電路產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量的認(rèn)識也不斷深入，自1989年MILPPF-38534《混合微電路總規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以來，經(jīng)過連續(xù)不斷的修改，現(xiàn)已更新為H版，控制特點(diǎn)與要求主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)控制、來料控制、過程控制、篩選和QML鑒定檢驗(yàn)、質(zhì)量一致性檢驗(yàn)、抗輻照要求等方面[1]。

3 歐洲宇航級混合集成電路發(fā)展現(xiàn)狀

歐洲航天局ESA能力認(rèn)證的混合集成電路生產(chǎn)線共有11條（表2），產(chǎn)品涉及功率混合集成電路、微波混合集成電路、存儲器和多芯片組件（MCM）等。

表1 美國宇航級（K級）混合集成電路制造商及生產(chǎn)線

表2 歐航局認(rèn)證HIC、MCM生產(chǎn)商

歐航局ESA已經(jīng)建立了完整的宇航標(biāo)準(zhǔn)體系，在其ECSS-Q-60-05C《混合型微電路的普通采購要求》中詳細(xì)規(guī)定了混合集成電路產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和認(rèn)證的程序和要求。通過ESA認(rèn)證的QPL（合格產(chǎn)品目錄）、QML（合格供應(yīng)商目錄）分別記錄在《歐洲優(yōu)選元器件目錄（EPPL）及其管理（ECSS-Q-60-01）》、《ESCC合格元器件目錄（ESCC QPL）》中[2]。

2004年，歐洲開始實(shí)施歐洲元器件創(chuàng)新計(jì)劃（ECI），意在解決宇航元器件在歐洲的可獲得性，增加合格制造商的數(shù)量，扭轉(zhuǎn)歐洲元器件與制造商逐漸減少的趨勢，計(jì)劃目標(biāo)是歐洲衛(wèi)星平臺使用的電子元器件自主保障率由25%（2006年）提高到50%（2017年）。計(jì)劃分幾個階段進(jìn)行，ECIECI一期（2004年～2010年）以“Pin to Pin”兼容替代美國ITAR器件為目標(biāo)，重點(diǎn)器件包括功率MOSFET、熔斷器、RF MMIC、混合器、鎖相環(huán)、1553總線、LEON 2處理器等。ECI二期（2009年～2011年）以“競爭力的替代品（成本和上市時間）”為目標(biāo)，重點(diǎn)器件包括MMIC、鎖相環(huán)、電容器、熔斷器、光連接器、FPGA等。ECI三期（2011年～2014年）已經(jīng)提升到“器件和技術(shù)的戰(zhàn)略層面”，核心研究內(nèi)容涉及深亞微米（DSM）、大容量FPGA、高引出端組裝技術(shù)等[6]。

4 日本宇航級混合集成電路發(fā)展現(xiàn)狀

在日本JAXA QML中共列入44家元器件制造商，產(chǎn)品包括DC/DC變換器、電容、電阻、半導(dǎo)體器件、傳感器、硅太陽能電池等，其中涉及宇航級混合集成電路制造的企業(yè)只有日本AVIO FUKUSHIMA公司，共有2個宇航級產(chǎn)品，分別是JAXA 2020 00051型母線DC/DC變換器和JAXA2020/01011DBCR型POL式DC/DC變換器[4,5]。

在宇航標(biāo)準(zhǔn)方面，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）標(biāo)準(zhǔn)體系已經(jīng)被美國國家航空航天局（NASA）、歐洲等國際宇航機(jī)構(gòu)認(rèn)可，按照此標(biāo)準(zhǔn)體系鑒定合格的產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入NASA的元器件選用目錄（NPSl：NASA Part Select List）、歐洲的元器件優(yōu)選目錄（EPPL，Europe Prefer Part List）中；在ECSS-Q-60B中，合格元器件包括了按照J(rèn)AXA標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行鑒定并判為合格的元器件。2008年4月，JAXA為了確保宇航用元器件的穩(wěn)定，開始了“宇航用器件綜合對策”活動，并積極開展與ESA的合作，與ESA（歐洲航空局）簽定了JAXA-ESA元器件合作協(xié)議，共同研發(fā)高端宇航產(chǎn)品。表3是ESA與JAXA在宇航級混合集成電路方面開展的技術(shù)合作計(jì)劃[6]。

5 國外宇航級混合集成電路產(chǎn)品種類與水平

歐美發(fā)達(dá)國家通用和定制的混合集成電路產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝制造技術(shù)水平發(fā)展很快，質(zhì)量等級完全達(dá)到宇航級（K級）要求，有很強(qiáng)的產(chǎn)品抗輻照能力，已經(jīng)具備批量穩(wěn)定生產(chǎn)能力和使用保障能力，典型產(chǎn)品的技術(shù)成熟度達(dá)到九級。

表3 日本歐洲合作項(xiàng)目計(jì)劃中開發(fā)的產(chǎn)品

5.1 Interpoint公司

圖1 Interpoint公司典型的宇航級抗輻照產(chǎn)品

Interpoint公司宇航級產(chǎn)品主要是DC/DC變換器，8大系列58個品種，其工作溫度范圍為–55～125 ℃，最大功率輸出為100 W，最小功率輸出僅有1.5 W，最高工作效率達(dá)87%，最高開關(guān)頻率達(dá)600 kHz?？馆椪占庸套罡叩燃夁_(dá)到300 kRad（Si）總劑量，單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）達(dá)到60 MeV·cm·mg-1。

5.2 Aeroflex Microelectronic Solution

圖2 ACT5108/5109無刷DC電機(jī)驅(qū)動器

Aeroflex公司在微電子封裝領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。其生產(chǎn)的無刷直流電機(jī)驅(qū)動器具有500 V DC、50 A高功率輸出級和低功率數(shù)字輸入及門驅(qū)動級，特別是ACT5108/5109型抗輻射加固電機(jī)驅(qū)動器，抗輻射加固達(dá)到300 kRad（Si），3×1012中子數(shù)，劑量率3.5×1010Rad（Si）·s-1（20 ns脈沖），工作殼溫-55～125 ℃，可靠性質(zhì)量等級達(dá)到K級，封裝形式為扁平封裝-30引線，尺寸86.36 mm×53.34 mm×9.40 mm。

5.3 International Rectifier Corporation

國際整流器公司（IR）的宇航級產(chǎn)品分為耐輻射級和抗輻射加固級兩大類別，共計(jì)有12大系列129個品種。其工作溫度范圍為–55～125 ℃，最大功率輸出為100 W，最小功率輸出僅有5 W，效率最高達(dá)88%，開關(guān)頻率最高達(dá)600 kHz，最小輸出電壓僅有1.5 W?？馆椪占庸套罡叩燃夁_(dá)到1 000 kRad（Si）總劑量，單粒子效應(yīng)（SEE）達(dá)到83 MeV·cm2·mg-1。

圖3 IR公司星用抗輻照電源產(chǎn)品

5.4 Natel Engineering Company，Inc

美國Natel公司是美國國防供應(yīng)部的重要微電子供應(yīng)商，產(chǎn)品包括用于衛(wèi)星的七路DC/DC變換器、同步-數(shù)字和數(shù)字-同步變換器、模-數(shù)和數(shù)-模變換器、用于航天的抗輻射加固功率混合電路、用于國防中電源的抗輻射加固功率混合電路、用于計(jì)算機(jī)和自動測試設(shè)備（ATE）市場的低成本MCM組件、RF/微波組件。采用Natel產(chǎn)品的各種項(xiàng)目包括毒刺和愛國者導(dǎo)彈、B1B、F15、F16、F/A18、Hawk、Aegis、Milstar、波音747等。

6 未來國際宇航混合集成電路發(fā)展趨勢

根據(jù)對美國、日本、俄羅斯、法國等先進(jìn)電子元器件總體技術(shù)水平和發(fā)展趨勢的分析，國際混合集成電路技術(shù)發(fā)展有幾大趨勢。

6.1 更高可靠性

隨著深空探測活動的深入發(fā)展，對電子元件提出了更高的可靠性要求。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）的一項(xiàng)航天計(jì)劃重要研究內(nèi)容就是系統(tǒng)地認(rèn)識空間惡劣環(huán)境對電子元件的影響，提高材料的抗輻射加固性，從根本上弄清楚電子元件內(nèi)部因輻射導(dǎo)致故障的內(nèi)在機(jī)理，以期為美國國防部未來的空間任務(wù)做準(zhǔn)備。

6.2 更高功率密度

在未來的武器裝備中，功率混合集成電路是必不可少的關(guān)鍵器件。對于大功率應(yīng)用場合，單片集成電路已不能勝任，功率混合電路是唯一的解決方案。與以往體積笨重、性能一般的大功率模塊電源相比，以微磚、半磚、全磚封裝形式為代表的高功率密度模塊電源，效率提高到95%以上，同時優(yōu)異的熱設(shè)計(jì)帶來更低的溫升及更高的可靠性。

6.3 高頻化

高頻化是指高密度組件應(yīng)用向微波、毫米波領(lǐng)域不斷擴(kuò)展的趨勢，如基于SiP的DBF通道接收機(jī)天線系統(tǒng)、相控陣?yán)走_(dá)T/R組件等，雷達(dá)、衛(wèi)星通訊、移動通訊、無線局域網(wǎng)等是未來高密度組裝應(yīng)用最為活躍的領(lǐng)域之一。

6.4 高密度系統(tǒng)集成

高密度系統(tǒng)集成是國際上發(fā)展最為迅速的一項(xiàng)技術(shù)，它將無源元件、數(shù)字電路、模擬電路、微波單片集成電路以及MEMS、光電子器件等多個功能模塊集成在一個封裝結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)小型化、高性能、多功能、高可靠性和低成本?；宀季€的層數(shù)將進(jìn)一步提高，更多的無源元件被做在基板內(nèi)部，三維組裝技術(shù)將更加成熟和實(shí)用化。

7 結(jié)論

中國宇航級混合集成電路研究工作于20世紀(jì)90年代末才開始，研制單位包括中國電科43所、航天771所、航天510所等。目前已經(jīng)在宇航混合集成電路設(shè)計(jì)、工藝、標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)、元器件評價等方面取得了進(jìn)展，抗輻照能力和質(zhì)量水平得到明顯的提升，抗總劑量水平已經(jīng)達(dá)到200 kRad（Si）、單粒子75 MeV·cm2·mg-1。與發(fā)達(dá)國家相比，中國在宇航混合集成電路的標(biāo)準(zhǔn)體系、性能指標(biāo)、可靠性等級、集成密度等方面存在差距，也沒有形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，高端產(chǎn)品仍然依賴進(jìn)口。

近幾年，國際航天元器件正在發(fā)生一些新的變化。通常航天用元器件都是從用于軍用系統(tǒng)的高可靠元器件中選擇，但是這種資源已急劇減少，原因是軍費(fèi)預(yù)算的削減和許多高可靠元器件生產(chǎn)商已陸續(xù)從這個應(yīng)用領(lǐng)域撤出，轉(zhuǎn)向迅速增長的民用市場。國外開始選用一些可靠性高的民用產(chǎn)品替代價格昂貴的宇航產(chǎn)品。這些變化也將直接影響到中國宇航產(chǎn)品的發(fā)展。我們應(yīng)學(xué)習(xí)和參考國外宇航產(chǎn)品發(fā)展的成功經(jīng)驗(yàn)，借助載人航天的大好形勢，努力構(gòu)建自主、安全、可控的國產(chǎn)宇航級產(chǎn)品研發(fā)環(huán)境，全面建立設(shè)計(jì)平臺、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、元器件評價、制造工藝、應(yīng)用驗(yàn)證、可靠性評價等完備的宇航混合集成電路研發(fā)體系。

[1]QML-38534-52,05-Apr-05,Defense Supply Center.Columbus Sourcing and Qualification Unit [Z].Hybrid Devices Team,DSCC-VQH.

[2]ECSS-Q-ST-60-05C Rev.1.Space product assurance Generic procurement requirements for hybrids [Z].2009.

[3]GBA-99010C,October 2004,Standards for Electrical.Electronic and Electromechanical（EEE）Parts Program[Z].Japan Aerospace Exploration Agency.

[4]JAXA2020/00051DACR.DC/DC Converter,Parts catalog of JAXA EEE parts database.

[5]JAXA2020/01011DBCR.POL DC/DC Converter,Parts catalog of JAXA EEE parts database.

[6]K Miller.The European Components Initiative（ECI）and technology non dependence for ESA programmes [Z].ESCCON 2013.

[7]Jeannette Plante,NASA戈達(dá)德航天飛行中心.宇航用高可靠DC-DC變換器指南[C].美國軍用和宇航元器件會議，2008.

[8]Don Apte，微波技術(shù)（MwT）公司.混合、單片集成電路高頻氣密性封裝在軍事和宇航領(lǐng)域的應(yīng)用[C].美國軍用和宇航元器件會議，2009.

[9]Frank Muscolino，Austin Semiconductor，Inc.新型混合集成系統(tǒng)[C].美國軍用和宇航元器件會議，2009.

[10]歐洲宇航元器件自主發(fā)展[J].國際宇航元器件發(fā)展態(tài)勢，2011,（3）.

[11]朱新忠，章斌，黃曉瑩.宇航型號電子產(chǎn)品關(guān)鍵元器件需求分析[C].第二屆航天元器件發(fā)展論壇，2011.

[12]姚莉，王敬賢，蔡娜.國內(nèi)外航天關(guān)鍵元器件發(fā)展初探[J].航天標(biāo)準(zhǔn)化，2013,（1）.