MEMS及微系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展綜述（深入）

作者：馬福民 等 ，來源：航天電子發(fā)展戰(zhàn)略研究中心

摘要:電力電子產(chǎn)品系統(tǒng)逐漸向小型化、高度集成化的方向發(fā)展，微系統(tǒng)匯集了多門學(xué)科技術(shù)的創(chuàng)新與突破，無論在軍事還是民用領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用。本文詳述了國內(nèi)外微系統(tǒng)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，其技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)在于多功能芯片一體化、智能傳感、異質(zhì)集成、堆疊式系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)的突破和新型半導(dǎo)體材料的應(yīng)用;文末總結(jié)了微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的意義，并提出展望。微系統(tǒng)技術(shù)融合了微電子、微機(jī)電和微光電技術(shù)，通過系統(tǒng)架構(gòu)和軟件算法，將微傳感器、微控制器、微執(zhí)行器、微能源及各種接口等構(gòu)成一體化軟、硬件多功能集成，采用微納制造及微集成工藝實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的微納尺度化。它被公認(rèn)為21世紀(jì)的革命性技術(shù)之一。微系統(tǒng)具有高集成度、微小型化、低功耗、高可靠性、高效率等優(yōu)點(diǎn)。微系統(tǒng)技術(shù)上的新材料、新方法、新工藝等技術(shù)變革必將對(duì)軍民兩用的系統(tǒng)研發(fā)和制造帶來顛覆性影響。

20世紀(jì)60年代以來，微系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)歷了從微器件的設(shè)想到微壓力傳感器的問世，逐步實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破和制造工藝的改進(jìn)，至今進(jìn)入集成技術(shù)大力發(fā)展階段，在信息、生物、航天、軍事等領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用。美國等發(fā)達(dá)國家在二十世紀(jì)末已將微系統(tǒng)技術(shù)列為現(xiàn)代前沿核心技術(shù)，并納入國防科技攻關(guān)計(jì)劃，掌握微系統(tǒng)技術(shù)對(duì)于國家保持技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢具有重要意義。微系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展如今也受到我國各部門、相關(guān)高校和科研機(jī)構(gòu)的高度重視和大力支持，深入研究勢在必行。本文結(jié)合國內(nèi)外微系統(tǒng)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，重點(diǎn)從單片微波集成電路(MMIC)、多芯片模塊(MCM)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、片上系統(tǒng)(SOC)、系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)等有代表性的微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，總結(jié)出微系統(tǒng)正在尋求“單片高功率多功能芯片、多芯片三維組裝(3DMCM)、異構(gòu)集成、智能傳感、堆疊式系統(tǒng)級(jí)封裝”技術(shù)的創(chuàng)新和突破;本文對(duì)微系統(tǒng)各領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了舉例;對(duì)微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了評(píng)述。并提出我國應(yīng)在武器裝備方面加緊微系統(tǒng)技術(shù)的研究和應(yīng)用，以盡快提升我軍的戰(zhàn)斗能力。1 國外微系統(tǒng)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展主要集中在MMIC、MCM、MEMS、SOC、SIP等技術(shù)上，下面從這幾項(xiàng)主要技術(shù)分別介紹微系統(tǒng)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。1.1 MMIC技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢MMIC(MonolithicMicrowaveIntegratedCircuit)即單片微波集成電路，國外MMIC芯片的頻率已經(jīng)向太赫茲方向發(fā)展，封裝上正在向三維立體MMIC(3DMMIC)發(fā)展，產(chǎn)品覆蓋了從微波到毫米波的頻段范圍，種類多，性能優(yōu)良。從半導(dǎo)體材料來說，寬禁帶半導(dǎo)體的異軍突起為微系統(tǒng)技術(shù)提供了有力的基石;國外以GaAs為代表的第二代半導(dǎo)體已發(fā)展成熟，正大力發(fā)展以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體MMIC器件。表1是幾種半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)對(duì)比［1］，圖1是半導(dǎo)體輸出功率極限與頻率關(guān)系。

表1及圖1顯示，GaN頻率特性更好，能應(yīng)用在更高電壓、更高溫度、更寬的工作頻率上。GaN器件與Si和GaAs器件相比，功率密度更高、更耐高溫、禁帶寬度更理想，GaN的原子體積約為GaAs的一半，因此，在微系統(tǒng)中采用GaN制作組件，能使結(jié)構(gòu)進(jìn)一步微縮，且重量減輕。GaN技術(shù)縮小工藝尺寸的優(yōu)勢在微系統(tǒng)中日益凸顯，目前，GaN工藝尺寸正向納米級(jí)開發(fā)挺進(jìn)［2］。近年開發(fā)出化學(xué)鍵更強(qiáng)、更細(xì)、更高效的eGaNFET器件，采用了第四代氮化鎵場效應(yīng)電晶體，有高電場耐受極限的優(yōu)勢，其晶體管各電端子間距比普通器件縮短10倍，電阻損耗更低，也極大縮短電子轉(zhuǎn)換時(shí)間，還具有極佳的散熱性能，為微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸提供解決思路［1］。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，3DMMIC技術(shù)已從單個(gè)器件向集成收發(fā)于一體的多功能芯片發(fā)展，把多片、多級(jí)放大器集成于一個(gè)芯片，提高單片性能的同時(shí)，縮小了設(shè)計(jì)和制造的結(jié)構(gòu)空間。例如，TRIQ公司的Ka頻段低噪聲放大器TGA4507(1.86mm×0.85mm×0.1mm)，其一只芯片內(nèi)部集成了三級(jí)放大器，增益達(dá)到22dB。3DMMIC主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。單片高功率方面，國外正大力發(fā)展以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體MMIC器件。GaN器件功率容量大、效率高，功率密度比砷化鎵器件高10倍，GaN器件不僅帶寬更寬、放大器增益更高，器件尺寸更優(yōu)化，效率也有相應(yīng)提高，單片功率放大器的輸出功率已從幾百毫瓦發(fā)展到70W，而效率提升到45%。因此，MMIC技術(shù)正向著寬禁帶半導(dǎo)體快速升級(jí)、單片高功率、多功能芯片一體化等方向發(fā)展。

1.2 MCM技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢MCM(多芯片模塊，即Multi－chipModule)綜合了多層PCB、高密度互連、SMT、微封裝幾項(xiàng)技術(shù)，在國外通信市場、軍事應(yīng)用上已相當(dāng)成熟和廣泛，是系統(tǒng)化、小型化的重要途徑。目前MCM技術(shù)的集成度越來越高，正從二維向三維多芯片組裝(3DMCM)方向發(fā)展。美國和日本兩國在多芯片組裝技術(shù)的發(fā)展上較為領(lǐng)先。3DMCM關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)將不同功能的微波多芯片模塊疊層互聯(lián)的垂直微波互聯(lián)技術(shù)，目前有兩種實(shí)現(xiàn)方法:(1)無焊接垂直互聯(lián)，采用毛紐扣結(jié)構(gòu);(2)環(huán)氧樹脂包封垂直互聯(lián)［3］。

圖3展示了一種多芯片模塊之間采用毛紐扣垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)的三維MCM示意圖，可見，在垂直排列且互聯(lián)的二維MCM之間，采用了金屬環(huán)形框?qū)崿F(xiàn)固定，用金屬框完成信號(hào)連接、隔離以及接地，且易于實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊的散熱。圖4展示了一種環(huán)氧樹脂包封的垂直互聯(lián)電路結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物。加工時(shí)將立體堆疊的二維MCM用環(huán)氧樹脂進(jìn)行包封，環(huán)氧樹脂既是密封材料，也是堆疊芯片的空間支撐物，同時(shí)作為MCM的絕緣介質(zhì)。1.3 MEMS技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢微機(jī)電系統(tǒng)(即Micro－electro－mechanicalSystem，簡稱MEMS)，由微傳感器、微執(zhí)行器和微能源等部分組成，實(shí)現(xiàn)了微電子技術(shù)與精密機(jī)械加工技術(shù)的有機(jī)融合。它采用硅微加工工藝，在一個(gè)硅片上能制造上千個(gè)微型機(jī)電裝置，解決了傳統(tǒng)工藝大批量生產(chǎn)的瓶頸，從而降本提效。從技術(shù)分類而言，MEMS技術(shù)有傳感MEMS技術(shù)、生物MEMS技術(shù)、光學(xué)MEMS技術(shù)、射頻MEMS技術(shù)，甚至量子MEMS技術(shù)等，在使用端分別實(shí)現(xiàn)微型加速度傳感、面陣觸覺傳感、壓力傳感等多方面的信息通信，或是與微機(jī)械技術(shù)、光電子技術(shù)相結(jié)合形成光通信器件等［4］。

MEMS技術(shù)的一個(gè)趨勢是高度集成，實(shí)現(xiàn)小體積、低功耗的單芯片集成化的片上系統(tǒng)，將傳感器、執(zhí)行器、信號(hào)處理電路制造成一體化的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)途徑有:(1)單個(gè)硅片上加工MEMS微機(jī)械結(jié)構(gòu)和處理電路;(2)一個(gè)基板上對(duì)ASIC電路和MEMS結(jié)構(gòu)分別加工。前者采用CMOS和MEMS集成制造工藝，后者采用薄膜、厚膜、低溫共燒陶瓷(LTCC)等混合集成制造工藝［5］。MEMS的另一個(gè)趨勢是尺度向小型化集中，即納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)。研究人員已開始采用納米材料進(jìn)行微系統(tǒng)制造，隨著納米加工技術(shù)的發(fā)展，NEMS傳感器、NEMS超微型飛行器等將會(huì)問世。美國大學(xué)學(xué)者將二氧化釩(VO2)器件集成于硅晶圓上，研究出多功能自旋微型電子智能傳感器?；谔技{米管(CNT)或納米線等納米材料和納米尺度結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)更高性能的器件集成［6］。

MEMS的下一步趨勢是研發(fā)智能傳感及新結(jié)構(gòu)和新材料應(yīng)用。新一代MEMS傳感器，是具有感知和自知能力的智能傳感器，是智能系統(tǒng)的關(guān)鍵元件［5］。智能傳感器集成了多種半導(dǎo)體傳感技術(shù)，MEMS的新材料和新結(jié)構(gòu)、新工藝也同時(shí)得以發(fā)展;表面Si微機(jī)械加工技術(shù)和單片多功能集成CMOS－MEMS工藝等并存。由遠(yuǎn)程監(jiān)控和自適應(yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)接口的需求逐漸形成第五代多功能集成的新器件，集更低功耗、更高精度、更微型化的電子學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)新于一身。若將S＆A單片或異構(gòu)集成在CMOS平臺(tái)上，可提高器件性能、減小器件尺寸，并降低成本。德州儀器的微鏡制造過程就實(shí)現(xiàn)了超大規(guī)模S＆A與CMOS的結(jié)合。光譜傳感技術(shù)研究方面，美國BANPIL公司已制成多譜圖像傳感器(單片器件)。另外，采用量子技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)集成在手機(jī)芯片上的量子傳感裝置［6］。此外，現(xiàn)代軍用MEMS慣性傳感器技術(shù)、MEMS固體波動(dòng)陀螺諧振子研發(fā)、RF_MEMS開關(guān)的研究都是MEMS技術(shù)的熱門。國外在微型慣性測量裝置方面的研制水平已具備戰(zhàn)術(shù)級(jí)精度，制導(dǎo)武器上已有大量應(yīng)用。1.4 微系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展趨勢片上系統(tǒng)SOC(SystemonChip)，是微電子集成電路的未來，系統(tǒng)包括CPU、存儲(chǔ)器及外圍電路等。其以嵌入式系統(tǒng)為核心，集軟、硬件于一體，SOC技術(shù)能最大限度地簡化電路設(shè)計(jì)，將整個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)中軟件和硬件設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性、可靠性、低功耗等都簡化到IC設(shè)計(jì)中去解決［7］。SOC對(duì)信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)以及處理完成一整套服務(wù)，進(jìn)而催生了更多技術(shù)的研究，像深亞微米技術(shù)、低噪音設(shè)計(jì)、多通道陣列信號(hào)處理可重構(gòu)異構(gòu)SOC設(shè)計(jì)等，SOC采用的是軟硬件協(xié)同技術(shù)［8］。

微系統(tǒng)中的架構(gòu)技術(shù)是多功能集成的核心，主要技術(shù)途徑為:(1)包括SIP和SOP等類似于微納米與介觀尺度的組裝技術(shù);(2)空間疊層集成技術(shù)，同質(zhì)2.5D集成已成熟、正向3D集成邁進(jìn);(3)異質(zhì)集成技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)系統(tǒng)平臺(tái)目標(biāo)的關(guān)鍵，即在同一襯底上實(shí)現(xiàn)不同材料、不同工藝的微納器件的集成，技術(shù)路線有所不同，比如直接異質(zhì)集成、晶圓級(jí)或芯片級(jí)三維異質(zhì)集成等［9］。國外在異質(zhì)集成方面的研究主要為單片異質(zhì)集成:兼容Si基CMOS工藝制作出來的Si基CMOS微電子器件;III－V族微電子器件和光電子器件、單片MEMS器件等。2016年，瑞典的研究人員，兼容微測熱輻射計(jì)陣列和CMOS工藝后，單片異質(zhì)集成了讀出電路［10］。集成微系統(tǒng)時(shí)代，在成像傳感、光集成、慣性傳感、射頻、生物等微系統(tǒng)和邏輯微系統(tǒng)的三維集成技術(shù)均有新突破，包含MEMS和IC的3D異構(gòu)集成、SIP3D集成和異質(zhì)3D集成，都有不同程度的新進(jìn)展。因此，異質(zhì)集成是微系統(tǒng)集成技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。1.5 微系統(tǒng)封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢微系統(tǒng)封裝主要基于集成電路工藝方法的進(jìn)步，發(fā)展趨勢即系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)技術(shù)，它通過多次的薄膜淀積、光刻、擴(kuò)散注入、刻蝕等基本工藝操作來實(shí)現(xiàn)。微系統(tǒng)制造技術(shù)也依賴于微機(jī)械加工技術(shù)的微型化、集成化、智能化發(fā)展，有微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)如濕法刻蝕、干法深刻蝕、表面加工技術(shù)等，以及特殊微加工技術(shù)如鍵合、光刻模鑄電鍍成型技術(shù)LIGA技術(shù)、納米壓印技術(shù)、高深寬比制造技術(shù)等［5］。

片上系統(tǒng)(SOC)發(fā)展到深次微米以下，將有極大的技術(shù)瓶頸，唯有將封裝的內(nèi)盒功能擴(kuò)展到實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)或子系統(tǒng)功能，才可能做到整體更加微型化，于是，系統(tǒng)級(jí)封裝SIP的研究和發(fā)展，成為微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的重要方向［11］。圖5所示為電子封裝結(jié)構(gòu)發(fā)展路線圖，展現(xiàn)了電子封裝結(jié)構(gòu)隨著技術(shù)進(jìn)步正向高集成度、低成本、高性能的3D微系統(tǒng)封裝方向發(fā)展。

裸芯片技術(shù)隨著產(chǎn)品高性能和小型化的要求而被大量使用，如COB(ChipsonBoard)技術(shù)和FCBGA/CSP即倒裝芯片封裝。到2020年，封裝技術(shù)將更新到芯片埋入和堆疊封裝形式:EmbeddedSiP(芯片埋入式系統(tǒng)級(jí)封裝)、3DIC(三維集成電路)、FOPoP(扇出型封裝疊封裝)、FOSiP(扇出型系統(tǒng)級(jí)封裝)。此外，TSV硅片通道、SiP射頻、3D圓片級(jí)的再布線封裝與50μm及以下超薄芯片的三維堆疊封裝技術(shù)，如今也被廣泛應(yīng)用到電子封裝的實(shí)踐中。微系統(tǒng)的封裝技術(shù)最終要滿足微小型化、多功能集成和高密度MEMS傳感的要求，WLCSP、SOC和SIP、低溫鍵合等封裝技術(shù)已逐漸得以應(yīng)用和成熟，在傳感器內(nèi)核晶圓片上已創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了批量3D組裝、3D折疊工藝、金屬基低溫鍵合、扇出晶圓級(jí)封裝等技術(shù)。2 國內(nèi)微系統(tǒng)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.1 國內(nèi)微電子技術(shù)的發(fā)展近年來，我國正從政策和各方條件保障逐步加大對(duì)微系統(tǒng)技術(shù)的扶持力度，微電子技術(shù)也有了新突破:超深亞微米集成技術(shù)，該方面研究已達(dá)到國際先進(jìn)水平;芯片設(shè)計(jì)等集成電路的設(shè)計(jì)水平已有明顯提高。在數(shù)字電視、高端IC卡、3G手機(jī)、多媒體信號(hào)處理及信息安全等多個(gè)領(lǐng)域，我國已有自主設(shè)計(jì)的芯片產(chǎn)品。我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心芯片的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化也取得了可觀的突破(IC設(shè)計(jì)水平已達(dá)到0.13μm)。微電子技術(shù)方面，我國逐漸從“低端模仿”走向以技術(shù)創(chuàng)新為主的“高端替代”。在國內(nèi)相關(guān)政策的有力支持下，硅基微電子技術(shù)水平也與國外在逐漸縮小差距［12］。2.2 國內(nèi)微系統(tǒng)的發(fā)展我國的微系統(tǒng)技術(shù)已有一定進(jìn)展，ASIC器件已經(jīng)進(jìn)行了在軌試驗(yàn)并開始進(jìn)行空間應(yīng)用，但在制造工藝水平上有待提高。現(xiàn)階段我國將“制造屬于自己的微器件”作為我國微系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)，將在利用現(xiàn)有資源和借鑒國外先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行自我創(chuàng)新，在研發(fā)和生產(chǎn)方面不懈努力，早日實(shí)現(xiàn)我國的微系統(tǒng)行業(yè)繁榮發(fā)展。

中國首批院級(jí)戰(zhàn)略研究中心———中物院微系統(tǒng)與太赫茲研究中心(簡稱微太中心)把發(fā)展目標(biāo)定為:大力推進(jìn)微系統(tǒng)與太赫茲的科學(xué)技術(shù)研究，10～15年實(shí)現(xiàn)在微系統(tǒng)和太赫茲科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重大跨越，掌握一系列核心關(guān)鍵技術(shù)，產(chǎn)生具有國際重大影響的研究成果，引領(lǐng)微系統(tǒng)和太赫茲科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。目前主要研究方向包括集成微系統(tǒng)材料、物理模型與架構(gòu)技術(shù)、固態(tài)高壓微系統(tǒng)技術(shù)、SOC技術(shù)，MEMS/NEMS技術(shù)、微系統(tǒng)三維異構(gòu)集成技術(shù)、微納點(diǎn)真空技術(shù)、微電池技術(shù)，及一系列前沿的太赫茲科學(xué)技術(shù)。近年來，眾多新型微納米加工工藝、新封裝技術(shù)、新材料在國內(nèi)技術(shù)平臺(tái)中得以深入研究，縱觀第五屆微系統(tǒng)與納米工程國際研討峰會(huì)，國內(nèi)微系統(tǒng)的發(fā)展趨勢為:(1)微系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性大幅提升;(2)在物理和醫(yī)療結(jié)合方面的研究及應(yīng)用前景廣闊;(3)微納米器件的集成及加工技術(shù)發(fā)展已提上日程［13］。2.3 國內(nèi)異質(zhì)集成技術(shù)研究進(jìn)展異質(zhì)集成技術(shù)方面，我國已有研究機(jī)構(gòu)和公司開展了該技術(shù)的研究，但基于對(duì)Si基材料的研究深度不夠和系統(tǒng)級(jí)封裝方面兼容CMOS工藝沒有掌握核心技術(shù)等制約，國內(nèi)的開發(fā)尚在起步階段。國內(nèi)主要從異質(zhì)外延方面著手，在Si襯底上外延生長Ⅲ－Ⅴ族化合物，但晶格失配和熱失配問題尚未解決，因此做出的器件可靠性較低，外延層的質(zhì)量不高。目前已有學(xué)者提出用“低溫晶片鍵合”解決晶格失配，異質(zhì)集成技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)也在于研究如何突破異質(zhì)材料之間的物理、化學(xué)特性的匹配和兼容性［10］。2015年，南京電子器件研究所專家，基于外延層剝離轉(zhuǎn)移、異類器件互聯(lián)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了GaAsPHEMT與Si基CMOS器件異質(zhì)集成的單片數(shù)字控制開關(guān)電路，芯片面積比傳統(tǒng)的GaAsPHEMT單片電路減小了15%［10］。2.4 國內(nèi)電子封裝技術(shù)現(xiàn)狀國內(nèi)相關(guān)研制人員和企業(yè)進(jìn)行了多年不懈的努力，在電子封裝技術(shù)方面有了一定的技術(shù)沉淀，我國封裝產(chǎn)業(yè)在半導(dǎo)體創(chuàng)新技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)品制造也有了快速發(fā)展，2012年我國已擁有電子封裝技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)，國內(nèi)25家電子封裝產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)單位組建了“集成電路封測產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，建立高密度IC封裝技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，主要研究被國外發(fā)達(dá)國家壟斷的封裝技術(shù)，在封測應(yīng)用工程的進(jìn)展對(duì)電子封裝產(chǎn)業(yè)鏈起到了有效的輻射作用［14］。近年來，我國電子封裝技術(shù)的國際競爭力水平逐步提升，主要表現(xiàn)在以下幾方面:CSP、MCP和BGA等新型封裝技術(shù)已在部分電子封裝產(chǎn)線中應(yīng)用;TSV硅片通道、SiP射頻、50μm及以下超薄芯片的三維堆疊封裝技術(shù)等已被廣泛應(yīng)用;SPFN、MIS和FBP等電子封裝技術(shù)也獲得自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。此外，國內(nèi)在MIS倒裝封裝技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)能夠有效地降低封裝成本，且技術(shù)上對(duì)現(xiàn)階段的主流封裝技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了良好支持［15］。3 微系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用3.1 導(dǎo)彈武器系統(tǒng)上的應(yīng)用在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中采用系統(tǒng)級(jí)封裝或片上系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了功能整合，信息傳輸長度大大縮減，延遲顯著降低，對(duì)付高速高機(jī)動(dòng)目標(biāo)具有重要的意義。這些采用了微系統(tǒng)技術(shù)的小型化武器都能實(shí)施機(jī)動(dòng)、精確打擊，并能縮小殺傷范圍，降低戰(zhàn)場附帶損傷。美歐日等國家處在微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的前沿，在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)研制上已大量采用微系統(tǒng)技術(shù)，尤其在小型化導(dǎo)彈方面有大量應(yīng)用。典型的有美國的“長釘”導(dǎo)彈，采用激光制導(dǎo)，是一種可裝備無人機(jī)的新一代多兵種、多平臺(tái)超小型導(dǎo)彈，具有“發(fā)射后不管”的特點(diǎn)，彈徑56mm、發(fā)射質(zhì)量僅2.4kg、最大射程為3.2km，見圖6［16］。

英國泰勒斯公司的輕型多用途導(dǎo)彈(LMM)，以兩級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為推進(jìn)系統(tǒng)、INS/GPS導(dǎo)航，發(fā)射質(zhì)量13kg、最大射程8km，用以打擊海陸空多種目標(biāo)，見圖7［16］。

美國洛馬公司的激光制導(dǎo)子彈，彈徑僅為12.7mm，彈長僅10.16cm，適合于普通點(diǎn)50口徑的槍族武器，且飛行時(shí)能自動(dòng)調(diào)整方向，像微型導(dǎo)彈一樣集中瞄準(zhǔn)1.6km以外的目標(biāo)，見圖8［16］。

QN－202微型導(dǎo)彈由中國高德紅外有限公司研制，2018年珠海航空航天展展出，長度只有60cm，彈口直徑有6～8cm，射程為2km，重約1.2kg，采用紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)，能自動(dòng)搜索和跟蹤目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)“發(fā)射后不管”。這個(gè)單兵便攜式導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)由一個(gè)7.5kg的背包和導(dǎo)彈發(fā)射器組成，背包一般可以裝載6枚導(dǎo)彈，見圖9。

3.2 雷達(dá)應(yīng)用美國的F－15、F－16戰(zhàn)斗機(jī)的相控陣?yán)走_(dá)中都用到MMIC。MMIC還在精確制導(dǎo)等靈巧武器和軍事通信中得到廣泛應(yīng)用，其優(yōu)越性在海灣戰(zhàn)爭中得以體現(xiàn)。美國DARPA(美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局)的“用于雷達(dá)上可重構(gòu)收發(fā)機(jī)的擴(kuò)展型毫米波體系架構(gòu)”和“三維微電磁射頻系統(tǒng)”兩個(gè)項(xiàng)目，主要研究了微系統(tǒng)器件的3D層疊架構(gòu)和3D加工技術(shù)［15］。目前，雷達(dá)系統(tǒng)中的有源電路、天線、濾波器等部件已利用SOC和SOP技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于體積較小的部件或雷達(dá)系統(tǒng)，通過3D微加工實(shí)現(xiàn)一體化成型已是未來趨勢。美國軍方已將GaN器件應(yīng)用于新的雷達(dá)系統(tǒng)。軍工企業(yè)如雷聲公司、洛克希德·馬丁公司等，都在將現(xiàn)有雷達(dá)系統(tǒng)中的GaAs器件更換成GaN器件。美國新一代“空間監(jiān)視系統(tǒng)”采用了GaN器件?！鞍⒗げ恕奔?jí)驅(qū)逐艦上的雷達(dá)系統(tǒng)主要T/R組件采用GaN替代GaAs，功率密度、耐壓和耐電流特性及熱傳導(dǎo)效率都有極大提升［2］。

3.3 通信應(yīng)用日本NEC公司在衛(wèi)星微波通信系統(tǒng)中采用MCM－LTCC技術(shù)，大大縮小了衛(wèi)星微波通信系統(tǒng)收發(fā)組件的尺寸，體積僅為傳統(tǒng)SMT組件的1/10～1/20。日本幾家通訊公司和日本國家信息與通信技術(shù)研究所聯(lián)合研發(fā)出世界首個(gè)300GHz太赫茲無線通信緊湊型收發(fā)器。磷化銦(InP)基高電子遷移率晶體管(HEMT)的使用與單片集成技術(shù)，在這套微系統(tǒng)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。3.4 醫(yī)療應(yīng)用針對(duì)數(shù)字助聽器等醫(yī)療器件中的幾個(gè)關(guān)鍵部件，已有企業(yè)采用微系統(tǒng)技術(shù)中裸芯片三維堆疊封裝工藝，使醫(yī)療器件主體部分體積大大縮小，見圖10［17］。

3.5 電子戰(zhàn)應(yīng)用美國戰(zhàn)略與國際研究中心發(fā)布《國防2045:為國防政策制定者評(píng)估未來的安全環(huán)境及影響》報(bào)告，提出先進(jìn)計(jì)算技術(shù)/人工智能、3D打印、合成生物學(xué)與性能增強(qiáng)、機(jī)器人、納米技術(shù)與材料科學(xué)五大顛覆性技術(shù)［18］。為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的電磁環(huán)境干擾，美國海軍已啟動(dòng)“下一代干擾機(jī)(NGJ)研發(fā)計(jì)劃”，將采用GaN組件有源電掃陣列天線，大幅提高發(fā)射功率和抗干擾效果，可與EA－18G電子戰(zhàn)飛機(jī)的機(jī)載電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫集成，提高美海軍的全頻譜抗干擾能力。多功能芯片和多功能基板等微系統(tǒng)集成，已應(yīng)用于實(shí)際的電子戰(zhàn)接收機(jī)架構(gòu)中。3.6 其他應(yīng)用在汽車領(lǐng)域，已使用微系統(tǒng)中的MEMS壓力傳感器對(duì)燃油壓力、輪胎壓力、氣囊壓力以及管道壓力進(jìn)行測量;在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，微系統(tǒng)技術(shù)已用于診斷系統(tǒng)及檢測系統(tǒng);在工業(yè)領(lǐng)域，微系統(tǒng)作用于提升精度、功耗和可靠度這三個(gè)指標(biāo);在消費(fèi)電子領(lǐng)域，微系統(tǒng)更是無處不在，小型無人機(jī)、運(yùn)動(dòng)手表、穿戴設(shè)備等皆是微系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)/墜落檢測、導(dǎo)航數(shù)據(jù)補(bǔ)償、游戲/人機(jī)界面交互等功能。4 微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)(1)集成技術(shù)因工藝和外圍限制受影響。微系統(tǒng)集成的工藝還不完善，工藝步驟多且復(fù)雜，且工藝精度要求較高，集成器件的一致性難以得到保證。三維集成技術(shù)雖然完成了芯片的空間堆疊，但分配給每個(gè)電路模塊的引腳數(shù)實(shí)際上有所減少，因而也增大外圍控制難度。

(2)散熱困難和可靠性降低。微系統(tǒng)通常體積小、輸出功率高，多種器件集成于有限的芯片面積和空間后，往往不能實(shí)現(xiàn)很好的散熱，或因工作溫度過高影響器件性能和系統(tǒng)工作;在可靠性方面，往往不同的材料，可靠性難以找到平衡，技術(shù)攻關(guān)可能涉及的矛盾點(diǎn)較多，對(duì)材料的失效機(jī)理需要更到位的物理分析和測試，一個(gè)較復(fù)雜微系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)難以在短時(shí)間內(nèi)完成。(3)檢測和測試資源的支持不能及時(shí)到位。在器件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)、仿真、加工和檢測、驗(yàn)證方面，需要更智能化、更高速、運(yùn)行效率更高的軟件系統(tǒng);需要同時(shí)云集各類不同器件的通信協(xié)議和硬件協(xié)調(diào)才能得以實(shí)現(xiàn)，未來微系統(tǒng)的創(chuàng)新型架構(gòu)對(duì)軟件升級(jí)也不斷提出新挑戰(zhàn)。微系統(tǒng)新架構(gòu)和新SOC的制造也會(huì)隨時(shí)對(duì)測試設(shè)備、工藝指導(dǎo)性文件和操作人員的專業(yè)化不斷提出新要求。5 結(jié)束語從全球各領(lǐng)域建設(shè)的現(xiàn)實(shí)需求來看，微系統(tǒng)技術(shù)正向多功能一體化、三維堆疊、混合異構(gòu)集成、智能傳感等方向發(fā)展;微系統(tǒng)產(chǎn)品也正從芯片級(jí)、部件級(jí)向復(fù)雜程度更高的系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用發(fā)展。MCM、MEMS、SOC及SIP等微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展正聚集于前沿科技創(chuàng)新的重要領(lǐng)域，尤其在軍事領(lǐng)域，未來也將有更多的武器系統(tǒng)基于微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)微小型化、高度集成化、智能化、輕量化，這些承載了眾多高精尖技術(shù)的微系統(tǒng)武器將會(huì)對(duì)未來戰(zhàn)場的作戰(zhàn)模式產(chǎn)生顛覆性的變革!大力推進(jìn)微系統(tǒng)技術(shù)在武器系統(tǒng)上的應(yīng)用，對(duì)提升我國武器裝備系統(tǒng)的研制能力和發(fā)展水平都具有重要的戰(zhàn)略意義。期望在國家科研政策的大力支持下，我國的微系統(tǒng)技術(shù)研究在不久的將來迎頭趕上國際先進(jìn)水平。審核編輯 黃宇