航天電子微系統(tǒng)集成技術(shù)展望

唐 磊 趙元富 吳道偉 朱國(guó)良 楊宇軍 邢朝洋 樊鵬輝 匡乃亮

綜述·專稿

航天電子微系統(tǒng)集成技術(shù)展望

唐 磊 趙元富 吳道偉 朱國(guó)良 楊宇軍 邢朝洋 樊鵬輝 匡乃亮

（西安微電子技術(shù)研究所，西安 710600）

為推進(jìn)航天電子微系統(tǒng)技術(shù)自主可控，并達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，本文以微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展需求為基點(diǎn)，從總體路線和技術(shù)路線兩個(gè)角度論述，在“微系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)”、“微系統(tǒng)制造技術(shù)”、“微系統(tǒng)產(chǎn)品規(guī)劃”三個(gè)方面為微系統(tǒng)的發(fā)展提出可行性和戰(zhàn)略性的建議，進(jìn)一步支撐中國(guó)航天事業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率及高效益的發(fā)展。

航天電子；微系統(tǒng)；自主可控；協(xié)同設(shè)計(jì)；制造技術(shù)

1 引言

微系統(tǒng)是指在微納量級(jí)特征尺度，以微電子、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、光電子為基礎(chǔ)要素，融合體系架構(gòu)、軟件算法，通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化、三維集成等先進(jìn)手段形成的，具備信息獲取、處理、交換、執(zhí)行或能源供給等功能的微型化系統(tǒng)。微系統(tǒng)是航天微納電子集成技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，其典型的技術(shù)特征為微型化、系統(tǒng)化、智能化[1]。從產(chǎn)品形態(tài)上，航天電子領(lǐng)域的微系統(tǒng)可分為：?jiǎn)纹⑾到y(tǒng)（SoC、MEMS等）、微模組（包括同質(zhì)異構(gòu)和異質(zhì)異構(gòu)）、微系統(tǒng)、微裝備，如圖1～圖3所示。由于SoC屬于集成電路范疇，廣義微系統(tǒng)和微裝備屬于整機(jī)范疇，本文重點(diǎn)闡述微模組集成技術(shù)。

航天電子是中國(guó)航天國(guó)產(chǎn)化自主可控技術(shù)研發(fā)與高可靠產(chǎn)品研制領(lǐng)域的突出代表，是中國(guó)電子行業(yè)的中堅(jiān)力量。隨著航天微系統(tǒng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)亟需加強(qiáng)統(tǒng)籌規(guī)劃，并全面布局基礎(chǔ)技術(shù)攻關(guān)、核心產(chǎn)品研發(fā)、平臺(tái)能力建設(shè)和協(xié)同研發(fā)生態(tài)構(gòu)建，尤其需要在產(chǎn)品工程化應(yīng)用和平臺(tái)能力建設(shè)兩個(gè)方面著重發(fā)力[2]。

為形成安全可控的微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)全面升級(jí)完善，逐步健全微系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，形成軍地單位深度融合、研用雙方高效互動(dòng)的微系統(tǒng)發(fā)展格局，本文基于時(shí)代發(fā)展需求和國(guó)內(nèi)外微系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，從“微系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)”、“微系統(tǒng)制造技術(shù)”、“微系統(tǒng)產(chǎn)品規(guī)劃”三個(gè)方面為微系統(tǒng)的發(fā)展提出可行性和戰(zhàn)略性的建議。

圖1 典型異構(gòu)微模組

圖2 典型微零部/組件

圖3 典型微終端、微裝備

2 微系統(tǒng)集成技術(shù)需求分析

微系統(tǒng)技術(shù)承載了微電子技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的重要使命，在21世紀(jì)航天競(jìng)賽中具有重要戰(zhàn)略意義。微系統(tǒng)技術(shù)可應(yīng)用于具有特定戰(zhàn)術(shù)功能的微終端；微、納、皮、飛等高分觀測(cè)微衛(wèi)星；片上衛(wèi)星、小型化星群等領(lǐng)域。電子信息產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展微納系統(tǒng)技術(shù)是時(shí)代的選擇和科技發(fā)展的必然途徑。

a. 航天發(fā)展面臨新形勢(shì)，迫切需要新型使能技術(shù)：新時(shí)期宇航裝備變革加速演進(jìn)，要求功能、性能、效能更強(qiáng)，體積、重量、功耗更小，功能密度、無(wú)人化與自主化程度更高，迫切需要通過(guò)新型設(shè)計(jì)和先進(jìn)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)集成創(chuàng)新。微系統(tǒng)技術(shù)作為一項(xiàng)核心基礎(chǔ)技術(shù)與關(guān)鍵使能技術(shù)，必將催生一系列顛覆性的創(chuàng)新。

b. 微電子進(jìn)入后摩爾時(shí)代，迫切需要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)發(fā)展路徑：以集成電路為代表的微電子器件特征尺寸持續(xù)縮小，進(jìn)入后摩爾時(shí)代，特征尺寸縮微對(duì)尖端工藝嚴(yán)重依賴，設(shè)計(jì)門檻大幅提高，隨著電子元器件跨界集成技術(shù)發(fā)展迅猛，異構(gòu)集成是延續(xù)摩爾定律重要途徑。

c. 航天系統(tǒng)形成提出新要求，迫切需要革新研發(fā)模式：隨著電子基礎(chǔ)技術(shù)的快速發(fā)展，電子元器件與航天型號(hào)整機(jī)系統(tǒng)界限逐步模糊，“芯片系統(tǒng)化”和“系統(tǒng)芯片化”趨勢(shì)日益凸顯，急需構(gòu)建支撐系統(tǒng)高效協(xié)同研發(fā)的公共服務(wù)平臺(tái)及可復(fù)用資源的匯聚能力，打通航天型號(hào)“需求側(cè)”和基礎(chǔ)領(lǐng)域“供給側(cè)”鏈路。

3 微系統(tǒng)集成技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

美國(guó)國(guó)防部率先提出了采用異構(gòu)集成技術(shù)，將微電子、光電子和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS: Micro-Electro-Mechanical System）器件集成，形成微系統(tǒng)[3]。2017年6月，美國(guó)通過(guò)“超越縮微”系列計(jì)劃和“電子復(fù)興”計(jì)劃，構(gòu)建體系化發(fā)展構(gòu)架和項(xiàng)自群布局，根本目的是發(fā)展美國(guó)后摩爾時(shí)代的微納電子新體系，繼續(xù)堅(jiān)筑美國(guó)在全球電子信息的領(lǐng)先地位。歐洲在制訂空間技術(shù)長(zhǎng)期計(jì)劃的同時(shí)，也制定了微系統(tǒng)產(chǎn)品及技術(shù)路線圖，宗旨為“頂層規(guī)劃，獨(dú)立發(fā)展”。2006年7月，歐洲多家大型企業(yè)聯(lián)合成立了“歐洲智能系統(tǒng)集成技術(shù)平臺(tái)”。歐洲的微電子研究中心是國(guó)際領(lǐng)先的獨(dú)立研究機(jī)構(gòu),主要研究方向包括微電子、納米技術(shù)、硅加工工藝、硅制程技術(shù)和先進(jìn)封裝等微系統(tǒng)集成技術(shù)。2022年3月，全球主要芯片設(shè)計(jì)制造商們（包括Intel、AMD、Arm、高通、三星、臺(tái)積電等）合作為Chiplet技術(shù)創(chuàng)建的行業(yè)接口標(biāo)準(zhǔn)UCIe1.0發(fā)布。作為突破摩爾定律的實(shí)踐方法之一，這一標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布或?qū)?lái)微系統(tǒng)技術(shù)和商業(yè)模式的再次變革。

我國(guó)在2020年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展若干政策》中，明確提出有序引導(dǎo)和規(guī)范集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展秩序，做好規(guī)劃布局。同時(shí)，隨著軍事裝備發(fā)展的迫切需求，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了一系列重大專項(xiàng)和系統(tǒng)集成科研計(jì)劃的實(shí)施。微系統(tǒng)技術(shù)正在通過(guò)自主創(chuàng)新，突飛猛進(jìn)地發(fā)展，也使得電子信息系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)理念發(fā)生了深刻的變化，并開(kāi)始從基礎(chǔ)理論的研究階段步入工程研制開(kāi)發(fā)階段。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)在微系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域也取得了突破性進(jìn)展。2018年國(guó)內(nèi)某研究所建設(shè)了國(guó)內(nèi)首條12英寸晶圓級(jí)TSV微系統(tǒng)生產(chǎn)線，并成功開(kāi)發(fā)了2.5D硅基板成套工藝和3D異構(gòu)集成成套工藝。2021年7月，長(zhǎng)電科技推出XDFOI全系列極高密度扇出型封裝解決方案。華天科技開(kāi)發(fā)了埋入硅基板扇出型3D封裝技術(shù)。綜上，我國(guó)已經(jīng)在微電子和先進(jìn)封裝等微系統(tǒng)集成技術(shù)方面廣泛開(kāi)展了研究，但仍與國(guó)外在整體布局和核心尖端技術(shù)突破上存在一定差距。

4 航天微系統(tǒng)集成技術(shù)發(fā)展路線

4.1 總體思路

立足航天型號(hào)的重大應(yīng)用需求，開(kāi)展微系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、IP譜系化、微納制造與集成工藝、可測(cè)性設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)研究，建立國(guó)家級(jí)安全可信的先進(jìn)微系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、微系統(tǒng)先進(jìn)制造與三維集成工藝平臺(tái)和可靠性與測(cè)試平臺(tái)，成立國(guó)家級(jí)“微電子與微系統(tǒng)科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，逐步打造“芯片-封裝-系統(tǒng)”微系統(tǒng)高效協(xié)同的創(chuàng)新研發(fā)生態(tài)，分階段實(shí)現(xiàn)典型微系統(tǒng)產(chǎn)品系統(tǒng)性能指標(biāo)的10倍、100倍提升，形成電子信息設(shè)備微系統(tǒng)全面自主可控能力。準(zhǔn)確把握微系統(tǒng)在元器件與裝備整機(jī)鏈條中承上啟下的重要作用，牢牢抓住微系統(tǒng)“平面集成-立體集成-系統(tǒng)再集成”的多重集成特點(diǎn)，緊緊跟隨宇航裝備快速集成的應(yīng)用需求，構(gòu)建航天電子先進(jìn)微系統(tǒng)的融合創(chuàng)新發(fā)展生態(tài)，從夯實(shí)基礎(chǔ)技術(shù)、建強(qiáng)支撐能力、促進(jìn)產(chǎn)品應(yīng)用三個(gè)方面統(tǒng)籌布局、同步發(fā)力，打造形成“三大產(chǎn)品領(lǐng)域（處理、射頻、導(dǎo)航）+集成應(yīng)用”的典型示范成果。

4.2 技術(shù)路線

統(tǒng)籌布局協(xié)同設(shè)計(jì)、微納制造與三維集成等基礎(chǔ)研究，形成協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、制造與集成工藝平臺(tái)等系列公共基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)，支撐信息處理、射頻、導(dǎo)航等三大領(lǐng)域產(chǎn)品，為微系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展奠定全方位堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4.2.1 微系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)

面向軍用微系統(tǒng)多源信息融合、信息高速處理、海量數(shù)據(jù)吞吐、精確導(dǎo)航制導(dǎo)、射頻通信、雷達(dá)成像等跨學(xué)科、跨專業(yè)、跨領(lǐng)域的協(xié)同研發(fā)需求，構(gòu)建完整的設(shè)計(jì)仿真共用軟件環(huán)境（如圖4所示），以及基于成熟方法、流程的設(shè)計(jì)仿真業(yè)務(wù)模板，以此加速協(xié)同設(shè)計(jì)仿真的進(jìn)度并保證仿真活動(dòng)的規(guī)范化，提高設(shè)計(jì)專業(yè)的深度和廣度，加強(qiáng)設(shè)計(jì)過(guò)程精細(xì)化管理，完善系統(tǒng)集成接口，形成微系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)公共服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)流程規(guī)劃、模型數(shù)據(jù)共享、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理、協(xié)同仿真驗(yàn)證、工藝規(guī)范審查、標(biāo)準(zhǔn)制造數(shù)據(jù)集成等關(guān)鍵業(yè)務(wù)的數(shù)字化應(yīng)用。

圖4 數(shù)字化微系統(tǒng)協(xié)同管理平臺(tái)示意圖

在協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)方面，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)微系統(tǒng)體系架構(gòu)、集成設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新，開(kāi)展芯粒-微模組-微系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃與設(shè)計(jì)技術(shù)、高速高密度互連設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)、設(shè)計(jì)-仿真-工藝融合的工藝設(shè)計(jì)工具包（PDK，Process Design Kits）開(kāi)發(fā)技術(shù)、多物理場(chǎng)協(xié)同仿真技術(shù)、可測(cè)試性設(shè)計(jì)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究，構(gòu)建以多學(xué)科跨層級(jí)協(xié)同優(yōu)化為核心的關(guān)鍵技術(shù)體系，打造設(shè)計(jì)即所得的微模組及微系統(tǒng)設(shè)計(jì)服務(wù)平臺(tái)，如圖5所示。

面向未來(lái)，滿足射頻、光電、MEMS等領(lǐng)域的多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)；構(gòu)建相應(yīng)多學(xué)科領(lǐng)域的晶圓級(jí)集成工藝PDK、設(shè)計(jì)資源庫(kù)，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域、跨尺度深度融合設(shè)計(jì)。預(yù)期實(shí)現(xiàn)裸芯微電子系統(tǒng)對(duì)部分板級(jí)系統(tǒng)的替代，進(jìn)一步支持終端載荷平臺(tái)的微型化。

圖5 微模組/微系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)

4.2.2 微系統(tǒng)制造技術(shù)

針對(duì)信息處理、射頻、導(dǎo)航等三大微系統(tǒng)在集成材料、集成工藝和集成方法上不同需求，重點(diǎn)聚焦微系統(tǒng)三維TSV立體集成和微組裝工藝，布局TSV同質(zhì)同構(gòu)、同質(zhì)異構(gòu)和異質(zhì)異構(gòu)集成等工藝研究，重點(diǎn)突破多芯片TSV晶圓埋置重構(gòu)技術(shù)、有源芯片晶圓TSV技術(shù)、GaN/GaAs/CMOS等芯片異構(gòu)集成技術(shù)、MEMS傳感器一體化封裝技術(shù)等制造技術(shù)，進(jìn)一步突破TSV芯片的D2D、D2W、W2W、3D堆疊、PoP堆疊等多樣化微組裝工藝技術(shù)。

針對(duì)微系統(tǒng)多種類、高兼容性、多樣性需求，以微模組集成工藝為核心，實(shí)現(xiàn)光電、射頻、MEMS、生物傳感和磁傳感交叉領(lǐng)域充分融合，支撐未來(lái)多功能、多物理量微系統(tǒng)協(xié)同集成，重點(diǎn)突破微模組與信號(hào)感知、信號(hào)傳輸、指令執(zhí)行微模組間的3D集成接口工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)基板、柔性基板及硅光等多種基板融合，無(wú)源IPD和有源集成工藝的有機(jī)融合，形成圖6所示的微系統(tǒng)混合多種器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 微系統(tǒng)混合多種器件結(jié)構(gòu)示意圖

4.2.3 微系統(tǒng)產(chǎn)品規(guī)劃

面向信息處理系統(tǒng)“高性能、高并發(fā)、低延時(shí)、高可靠”發(fā)展主線，在處理器領(lǐng)域，形成基于PowerISA、ARM、RISC-V等指令架構(gòu)的高性能、高可靠、低功耗處理器產(chǎn)品譜系；高速總線方面，布局高速、高可靠網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信芯片，形成高可靠以太網(wǎng)控制器及安全交換電路、PCIe5.0擴(kuò)展產(chǎn)品等；在Chiplet方面，形成不同工藝制程、不同功能性能、不同互連接口、不同應(yīng)用場(chǎng)景的Chiplet庫(kù)；在硅光電子方面，形成包括“光+電+軟件”，具有學(xué)習(xí)認(rèn)知、自適應(yīng)、多功能的智能化片上系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控，快速反應(yīng)等功能。信息處理微系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 信息處理微系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

面向射頻系統(tǒng)“多頻段、多功能、多波束、大帶寬”發(fā)展主線，形成覆蓋Ka及以下頻段、三維集成多通道T/R子陣芯片產(chǎn)品譜系，建立先進(jìn)T/R子陣芯片IP庫(kù)，打通芯片研制與系統(tǒng)應(yīng)用壁壘，支撐航天電子進(jìn)一步向智能化、小型化發(fā)展。

面向?qū)Ш较到y(tǒng)“高精度、大動(dòng)態(tài)、高過(guò)載、一體化”發(fā)展主線，形成以多軸傳感器、MEMS傳感器、MEMS+ASIC一體化等為重點(diǎn)的導(dǎo)航微系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化譜系產(chǎn)品，適合航天電子控制的多源導(dǎo)航能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

構(gòu)建微系統(tǒng)健康發(fā)展生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)武器裝備和航天工程核心技術(shù)自主可控，推動(dòng)裝備性能提升和技術(shù)換代是一項(xiàng)極富挑戰(zhàn)性的工作。挑戰(zhàn)不僅來(lái)自于對(duì)微系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)品未來(lái)認(rèn)知的把握，更來(lái)自于全新的協(xié)同創(chuàng)新研發(fā)模式與現(xiàn)行管理體制和傳統(tǒng)科研模式之間理念的碰撞。應(yīng)對(duì)前所未有之大變局，微系統(tǒng)領(lǐng)域需要提前謀劃、戰(zhàn)略布局，也需要廣大科研工作者凝心聚力、協(xié)作創(chuàng)新，打破摩爾定律的約束，引領(lǐng)微型化、智能化、無(wú)人化航天電子的發(fā)展變革。

1 朱曉梟，周瑜，劉云飛，等. 微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J]. 電聲技術(shù)，2021，45(7)：21～29

2 張偉，祝名，李培蕾，等. 微系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)及宇航應(yīng)用面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)[J]. 電子與封裝，2021，21(10)：7～15

3 唐磊，匡乃亮，郭雁蓉，等. 信息處理微系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)展望[J]. 微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2021，38(10)：1～8

4 張慶學(xué)，趙國(guó)良，王艷玲，等. 基于TSV的星載微系統(tǒng)設(shè)計(jì)與可靠性實(shí)現(xiàn)[J]. 遙測(cè)遙控，2022，43(3)：109～118

Prospect of the Microsystem Integration Technology of Aerospace Electronics

Tang Lei Zhao Yuanfu Wu Daowei Zhu Guoliang Yang Yujun Xing Chaoyang Fan Penghui Kuang Nailiang

( Xi’an Microelectronic Technology Institute, Xi’an 710600 )

In order to promote the aerospace electronic microsystem technology to be independent and controllable, and to reach the international leading level, this paper takes the development demand of microsystem technology as the base, discusses from two perspectives of general route and technology route, and proposes feasible and strategic suggestions for the development of microsystem in three aspects: “microsystem co-design technology”, “microsystem manufacturing technology”, and “microsystem product planning”, so as to further support China’s aerospace industry to achieve high quality, high speed and high efficiency.

aerospace electronics；microsystem；autonomous controllable；collaborative design；manufacturing technology

TN401

A

唐磊（1973），研究員，電子信息技術(shù)專業(yè)；研究方向：微系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2022-09-21