后摩爾時代雷達(dá)對抗裝備集成化發(fā)展

金寶龍,陳建平

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第51研究所，上海 201802;2.海軍駐上海地區(qū)電子設(shè)備軍事代表室,上海 201802)

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后摩爾時代雷達(dá)對抗裝備集成化發(fā)展

金寶龍1,陳建平2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第51研究所，上海 201802;2.海軍駐上海地區(qū)電子設(shè)備軍事代表室,上海 201802)

國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(ITRS)顯示，遵循持續(xù)摩爾(More Moore)發(fā)展的數(shù)字集成電路、片上系統(tǒng)(SoC)和遵循超越摩爾(More than Moore)發(fā)展的多樣化功能集成電路、系統(tǒng)級封裝(SiP)是實(shí)現(xiàn)更高價值系統(tǒng)的雙引擎。構(gòu)成電子系統(tǒng)的多種功能模塊均迎來了半導(dǎo)體集成工藝時代。提出電子系統(tǒng)來到了泛集成、后摩爾時代的概念，隨后討論了雷達(dá)對抗裝備集成化發(fā)展趨勢及幾種主要的射頻電路集成技術(shù)，提示了未來發(fā)展的重點(diǎn)。

超越摩爾；雷達(dá)對抗裝備；集成化

0 引 言

隨著半導(dǎo)體集成電路工藝技術(shù)按照特征尺寸等比例縮小的進(jìn)一步發(fā)展，硅互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)在速度、集成度、功耗、投入成本等方面都受到一系列基本物理特性、物理尺度極限、投入產(chǎn)出性價比等的限制，摩爾定律受到挑戰(zhàn)。一味追求集成電路晶體管密度和芯片規(guī)模，帶來了巨大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險。

如圖1，國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖[1]顯示：更高價值的電子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要片上系統(tǒng)(SoC)和系統(tǒng)級封裝(SiP)技術(shù)的組合。這里的SoC指的是采用CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的中央處理器(CPU)、存儲器、邏輯電路等數(shù)字域信息處理和存儲片上系統(tǒng)，其遵循持續(xù)摩爾(More Moore)，追求更小特征尺寸的半導(dǎo)體集成工藝，從目前的數(shù)十納米量級，向著數(shù)納米量級奔進(jìn)，并可能“跨越CMOS”(Beyond CMOS)進(jìn)入納米器件電路。而系統(tǒng)級封裝(SiP)指的是模擬/射頻、無源、高壓/電源、傳感激勵、生物邏輯等傳統(tǒng)非數(shù)字、多樣化功能電路的集成，以及在此基礎(chǔ)上的多功能系統(tǒng)級混合封裝, 其遵循的是所謂超越摩爾(More than Moore)。超越摩爾的實(shí)際涵義是：跳出摩爾定律一味追求更小工藝特征尺寸、不斷挑戰(zhàn)工藝極限、提高電路集成度的思維，主張利用已有半導(dǎo)體成熟工藝，追求多樣化功能電路的芯片集成和多芯片的系統(tǒng)級封裝集成。

圖1 國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖

國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖顯示出的這種電子系統(tǒng)數(shù)字信息處理和存儲功能按照持續(xù)摩爾路徑繼續(xù)提高集成度；電子系統(tǒng)非數(shù)字信息處理和存儲功能的其他各種功能(傳感、執(zhí)行、模擬/射頻、無源、高壓/電源、傳感激勵、生物芯片等)電路，按照超越摩爾理念，在成熟的半導(dǎo)體工藝上實(shí)現(xiàn)芯片集成、三維(3D)集成、多芯片系統(tǒng)級封裝。這些“跨域摩爾”、“拓展摩爾”的多樣化功能電路集成發(fā)展，告知世人半導(dǎo)體集成工藝技術(shù)正在向電子系統(tǒng)各功能電路領(lǐng)域滲透。

觀察當(dāng)今各種電子系統(tǒng)各功能模塊的集成水平，不難發(fā)現(xiàn)其中數(shù)字信息處理和存儲功能電路的集成度遙遙領(lǐng)先。多樣化功能電路集成使電子系統(tǒng)小型化、集成化的重點(diǎn)從數(shù)字處理和存儲功能電路轉(zhuǎn)移到信息感知、模擬和執(zhí)行等其他功能電路的集成，可以說電子系統(tǒng)來到了眾多功能電路均采用半導(dǎo)體集成工藝實(shí)現(xiàn)的時代，來到了持續(xù)摩爾、超越摩爾雙驅(qū)動的泛集成、后摩爾時代。

1 雷達(dá)對抗裝備集成化發(fā)展趨勢及集成技術(shù)

雷達(dá)對抗裝備作為眾多電子系統(tǒng)的一種，泛集成的趨勢也非常明顯，除了在數(shù)字信息處理存儲領(lǐng)域不斷采用新型大規(guī)模數(shù)字芯片和SiP技術(shù)外，在射頻微波領(lǐng)域，各種集成新器材、新技術(shù)層出不窮，采用半導(dǎo)體工藝、封裝工藝實(shí)現(xiàn)設(shè)備接收、處理、發(fā)射等各種功能模塊的集成小型化、微系統(tǒng)化。

在追求上述裝備多種功能模塊物理尺度小型集成的同時，一代器材推動一代系統(tǒng)，雷達(dá)對抗裝備還呈現(xiàn)出與其他電子系統(tǒng)的一體化綜合集成趨勢，從電子裝備系統(tǒng)頂層進(jìn)行技術(shù)體制架構(gòu)上的優(yōu)化和綜合集成，以期用較少的資源實(shí)現(xiàn)具有雷達(dá)、通信、對抗、識別等多種系統(tǒng)功能的一體化裝備。

概而言之，已形成了雷達(dá)對抗裝備體制架構(gòu)設(shè)計綜合集成和裝備具體組成功能模塊(尤其是微波射頻電路)物理尺度集成2個方面的發(fā)展趨勢。系統(tǒng)綜合集成牽引功能模塊實(shí)物的集成，功能模塊實(shí)物集成水平的不斷提升又給電子裝備一體化系統(tǒng)綜合集成打開了新的發(fā)展空間。

1.1 與其他電子系統(tǒng)的一體化綜合集成[2-3]

電磁波譜各頻段技術(shù)的進(jìn)展及廣泛應(yīng)用使得戰(zhàn)場電磁領(lǐng)域的斗爭和博弈日趨復(fù)雜，其廣度和深度前所未有，反映到電子裝備的建設(shè)上，即是在諸如軍艦、戰(zhàn)斗機(jī)等作戰(zhàn)平臺上，在電磁波譜的多個頻段上，探測與反探測、制導(dǎo)與反制導(dǎo)、識別與反識別、通信與反通信等各種設(shè)備層出不窮，雷達(dá)、通信、光電設(shè)備、電子戰(zhàn)設(shè)備等各種電子系統(tǒng)越來越多，電子裝備組成越來越復(fù)雜龐大，從而使得這些作戰(zhàn)平臺越來越不堪重負(fù)。

平臺上各類設(shè)備的天線也越來越多，大大增加了作戰(zhàn)平臺的雷達(dá)反射截面積，與當(dāng)今時代隱身、機(jī)動、先敵發(fā)現(xiàn)、先敵打擊的戰(zhàn)場生存、取勝法則相悖。另外，眾多的電子信息設(shè)備各自為戰(zhàn)，還帶來了各種設(shè)備間的電磁干擾；各個設(shè)備需要各自的操作和維護(hù)人員以及各自的備件，帶來人力物力的消耗；多種裝備獲得的信息不能快速有效地融合形成有用的指揮信息。所以對電子裝備(含雷達(dá)對抗裝備)多功能綜合一體化的發(fā)展要求空前強(qiáng)烈，也形成了雷達(dá)-對抗-通信綜合一體化設(shè)計、集成桅桿設(shè)計、多功能射頻綜合設(shè)計等綜合集成發(fā)展趨勢。

雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、識別、電子戰(zhàn)等電子系統(tǒng)均由天線、射頻前端、信號數(shù)據(jù)處理、顯示輸出幾大模塊組成，是系統(tǒng)綜合集成的基礎(chǔ)。美海軍先后開展的先進(jìn)共享孔徑項(xiàng)目(ASAP)、先進(jìn)多功能射頻系統(tǒng)(AMRFS)項(xiàng)目、先進(jìn)多功能射頻概念(AMRFC)項(xiàng)目、一體化桅桿(InTop)計劃，美空軍先后開展的寶石柱(PAVE PILLAR)計劃、寶石臺(PAVE PACE)計劃、綜合傳感器系統(tǒng)(ISS)計劃、多功能綜合射頻系統(tǒng)(MIRFS)計劃，從天線孔徑共用、射頻信道共用、數(shù)字處理共用，到系統(tǒng)軟件架構(gòu)、總線設(shè)計，開展了廣泛的綜合集成研究。

1.2 微波射頻電路集成技術(shù)

在電子系統(tǒng)一體化綜合集成設(shè)計，多種功能復(fù)用，盡可能減少設(shè)備量的同時，各功能模塊實(shí)現(xiàn)的半導(dǎo)體工藝集成化也日趨明顯，同時也反過來進(jìn)一步推動了一體化進(jìn)程。與信號數(shù)據(jù)處理存儲功能電路相比，目前雷達(dá)對抗裝備射頻前端等功能的集成度大為遜色，是進(jìn)一步提高裝備小型化、集成化的關(guān)鍵所在。射頻MEMS(微機(jī)電) 功能集成電路、射頻前端SoC、3D射頻集成、SiP、微波多芯片模塊(MMCM)、三維微波多芯片模塊(3D-MMCM)等集成技術(shù)是當(dāng)前推動微波射頻電路功能模塊小型化的幾種主要集成技術(shù)。

(1) 微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)[4]

MEMS技術(shù)是典型的遵循所謂More than Moore理念發(fā)展的一種半導(dǎo)體工藝集成技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)，近年來發(fā)展迅速，其產(chǎn)品覆蓋感知和控制外界信息(力、熱、光、生、磁、化等)的傳感器和執(zhí)行器，以及進(jìn)行信號處理和控制的微電路，主要產(chǎn)品有MEMS壓力傳感器、加速度傳感器、微陀螺、射頻MEMS、微流體MEMS等。

射頻MEMS是雷達(dá)對抗裝備中應(yīng)用最廣的MEMS產(chǎn)品，主要有MEMS的電容、電感、傳輸線、開關(guān)、濾波器、移相器、開關(guān)濾波器組合、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、壓控振蕩器等。目前MEMS濾波器是雷達(dá)對抗裝備中應(yīng)用最多的MEMS產(chǎn)品，其具有的高Q、小體積等特性有效地減小了相關(guān)電路模塊的體積和重量。進(jìn)一步的工作是擴(kuò)展多種射頻MEMS器件片內(nèi)集成，以及與更多其他功能電路的三維異質(zhì)集成。

在雷達(dá)對抗孔徑共享發(fā)展中，可重構(gòu)陣列天線是其中重要的一環(huán)，基于MEMS開關(guān)、移相器等器件的小尺寸、低損耗、低功耗等特點(diǎn)，應(yīng)該有著良好的應(yīng)用前景。

MEMS技術(shù)是實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)，隨著基于此技術(shù)的各種微機(jī)電功能的開發(fā)，微型飛行器、微型干擾機(jī)等綜合了大規(guī)模硅CMOS、3D IC、MEMS技術(shù)的微系統(tǒng)“蜂群”裝備不久將呈現(xiàn)在人們面前，與大型一體化綜合集成電子裝備發(fā)展交相輝映。

(2) SoC、SiP技術(shù)[5-7]

片上系統(tǒng)(SoC)是同質(zhì)芯片材料基體上實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)級集成，原來通常是指遵循More Moore發(fā)展的數(shù)字集成電路。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，在同質(zhì)單基片實(shí)現(xiàn)了射頻(RF)前端與數(shù)字基帶系統(tǒng)級集成，即RF SoC，這種新概念產(chǎn)品已能替代部分微波多芯片模塊(MMCM)，將大大減少整機(jī)系統(tǒng)的器件數(shù)量和所占面積及體積。集成電路制造工藝的提升為RF SoC的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)保證，如前所述也帶來了設(shè)計、制造、工藝等成本的快速上升，因此超越摩爾的3D射頻集成電路(3D RF IC)應(yīng)運(yùn)而生，采用超大規(guī)模集成硅基工藝，利用穿透硅通孔(TSV)技術(shù)實(shí)現(xiàn)垂直互聯(lián)三維集成，增加集成密度，獲得功能更多更強(qiáng)、外形尺寸更小的片上系統(tǒng)。

SiP通常是指將多款不同材質(zhì)芯片、元件在一個封裝中集成，構(gòu)成系統(tǒng)功能模塊的一種技術(shù)，其優(yōu)勢是兼容不同制造工藝技術(shù)的集成芯片和無源元件(包括硅、砷化鎵等模擬、射頻、數(shù)字集成芯片、MEMS等)，基板材料有低溫共燒陶瓷(LTCC)、硅、FR4、液晶聚合物(LCP)等，它是多樣化功能電路集成發(fā)展后多功能集成的必然。雷達(dá)對抗裝備中從天線接收到數(shù)/模量化，微波信號的限幅、濾波、分配、放大、控制、量化等功能芯片、器件，往往分別實(shí)現(xiàn)于不同的基片材料，通過系統(tǒng)仿真設(shè)計，采用封裝工藝將上述各種功能集成于一個物理實(shí)體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)射頻系統(tǒng)級的封裝。

在雷達(dá)對抗裝備中，數(shù)字信號處理與存儲系統(tǒng)目前都采用數(shù)片大規(guī)模集成芯片，也有為進(jìn)一步減小尺寸、降低功耗，提升信號傳輸質(zhì)量而去除原封裝，進(jìn)行二次集成設(shè)計，實(shí)現(xiàn)同材質(zhì)數(shù)字電路的系統(tǒng)級封裝(SiP)。

由于各種功能電路需要相應(yīng)的材料特性支撐，隨著市場牽引和工藝技術(shù)的進(jìn)步以及各種具有優(yōu)異性能的新材料的不斷推出，如碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、石墨烯等，SoC、SiP所覆蓋的功能電路也在不斷變化和擴(kuò)展中。雖然已有SoC集成了射頻和數(shù)模電路，甚至有了3D RF IC，但在考慮電性能、成本、設(shè)計靈活性等諸因素后，采用不同的工藝分別實(shí)現(xiàn)各種射頻和數(shù)模電路，再采用SiP技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個射頻接收功能模塊更為經(jīng)濟(jì)和實(shí)用。

三維微波多芯片模塊(3D-MMCM)是射頻SiP技術(shù)之一，是先將MMIC(單片微波集成電路)和微小型片式元件高密度組裝在微波互聯(lián)基板上，形成二維微波多芯片模塊(MMCM)，再采用多MMCM層疊集成、微波垂直互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)更多功能的集成。微波垂直互聯(lián)是其中的核心技術(shù)之一。同樣是三維集成，SiP中的垂直互聯(lián)傳輸線，其電長度將遠(yuǎn)大于3D RF IC中的連線，如何實(shí)現(xiàn)微波垂直互聯(lián)的小型、寬帶、低損耗、高可靠是關(guān)鍵。常用的微波垂直互聯(lián)技術(shù)有基于毛鈕扣結(jié)構(gòu)的無焊接垂直互聯(lián)和基于環(huán)氧樹脂包封的垂直互聯(lián)。前者采用同軸或三線形式與基板上的共面?zhèn)鬏斁€相連；后者采用包封端面?zhèn)让娼饘倩罂涛g垂直共面波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)束語

國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖顯示的持續(xù)摩爾、超越摩爾發(fā)展路徑，半導(dǎo)體集成工藝突破傳統(tǒng)的數(shù)字處理、信息存儲功能，滲透到電子系統(tǒng)的眾多其他功能模塊，其廣泛應(yīng)用正創(chuàng)造出更新穎、更高價值的電子系統(tǒng)。在這一大趨勢下，雷達(dá)對抗裝備與其他電子裝備的一體化綜合集成正隨著系統(tǒng)綜合集成設(shè)計的不斷提升和完善，以及硅CMOS、SoC、MEMS、SiP等集成技術(shù)沿著More Moore、More than Moore的發(fā)展進(jìn)程而得以完美實(shí)現(xiàn)。對于國內(nèi)中小型雷達(dá)對抗整機(jī)研究所，必將面臨著如何主動融合到電子裝備一體化發(fā)展潮流，把握頂層系統(tǒng)綜合設(shè)計潮流和提升MEMS、SoC應(yīng)用水平，提升SiP集成設(shè)計及工藝能力的考驗(yàn)。

[1] 黃慶紅，周潤璽(譯、校).國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(ITRS)2011版綜述[J].中國集成電路，2012(9)：13- 28.

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[4] 李勝先.RF MEMS 技術(shù)現(xiàn)狀及主要問題[J].空間電子技術(shù)，2012，9(4):6-13.

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Radar Countermeasure Equipment Integration Development in The Age of Back-Moore

JIN Bao-long1,CHEN Jian-ping2

(1.The 51st Research Institute of CETC，Shanghai 201802，China;2.Electronic Equipment Military Representative Office of Navy in Shanghai Area,Shanghai 201802,China)

International technology roadmap for semiconductors (ITRS) shows that both digital integrated circuit (IC) and system on a chip (SoC) developed according to More Moore and the multi-function IC and system in package (SiP) development according to More than Moore are considered to be dual-engine to realize the system of higher value.Multi-function module used in the configuration of electronic systems is followed by the age of semiconductor integration technology.This paper presents the concept that electronic system comes to the age of extensive integration and Post Moore,then discusses the integration development trend of radar countermeasure equipment and several main radio frequency circuit integration technologies,prompts the emphasis of future development.

more than Moore;radar countermeasure equipment;integration

2014-07-31

TN974

A

CN32-1413(2015)01-0040-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.01.009