射頻微系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展及展望

摘要：文章簡單介紹了微波集成電路的發(fā)展動態(tài)，綜述了以美國DARPA為代表的國內(nèi)外機構(gòu)在射頻微系統(tǒng)方面的重大研究計劃及其水平，和射頻微系統(tǒng)在通信、雷達(dá)、相控陣等領(lǐng)域的代表性應(yīng)用，并總結(jié)了射頻微系統(tǒng)互連、仿真與優(yōu)化和集成架構(gòu)設(shè)計等三個關(guān)鍵技術(shù)及其進(jìn)展情況，最后對射頻微系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢做出了展望。

Chrent引言小型化是微波毫米波集成電路與系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，而集成技術(shù)是必由之路。20世紀(jì)40年代雷達(dá)的出現(xiàn)推動了微波電路的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了以波導(dǎo)分離立體電路為代表的第一代微波集成電路（如圖1所示）。隨著60年代低損耗平面?zhèn)鬏敿夹g(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了單層介質(zhì)基板集成電路，形成了以平面微波混合集成電路（HMIC）為代表的第二代微波集成電路，提高了性能和可靠性的同時減小了體積和重量。到70年代，依托砷化鎵等半導(dǎo)體芯片技術(shù)的突破發(fā)展，微波單片集成電路技術(shù)（MMIC）以其低成本、高性能、小型化等優(yōu)勢，成為了第三代微波集成電路高速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。同時，低損耗多層復(fù)合介質(zhì)電路板和厚膜工藝技術(shù)的發(fā)展，使得無源電路實現(xiàn)多層布局結(jié)構(gòu)，與MMIC芯片集成后的多芯片組件（MCM）進(jìn)一步實現(xiàn)了微波電路的小型化。

20世紀(jì)90年代末，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）率先提出采用異構(gòu)集成技術(shù)將微電子器件、光電子器件和微機械系統(tǒng)（MEMS）器件集成，形成微型化異構(gòu)集成電路。此后，隨著異質(zhì)半導(dǎo)體外延技術(shù)和硅通孔（TSV）為代表的垂直互連技術(shù)的突破，以片上系統(tǒng)（SoC）和系統(tǒng)級封裝（SiP）為代表的第四代微波集成電路得到了快速發(fā)展。該技術(shù)可將無源電路和有源電路在中間層上進(jìn)行布線和打孔的2.5維（2.5D）或者在芯片上打孔和重布線（RDL）的3維（3D）集成方式進(jìn)行，不僅實現(xiàn)了微波電路從小型化到微型化的跨越，且在功能集成度上有著明顯的提升，因此第四代微波集成電路也被稱為射頻微系統(tǒng)。

SoC技術(shù)具有最優(yōu)的尺寸、重量和功耗（SWaP），然而在輸出功率、噪聲系數(shù)和成本等方面仍存在諸多瓶頸。SiP技術(shù)則采用封裝把不同功能的芯片進(jìn)行高維度集成，融合了HMIC和MMIC的優(yōu)點，設(shè)計更為靈活。射頻微系統(tǒng)的典型概念是采用異質(zhì)異構(gòu)集成工藝，將射頻前端功能模塊（例如變頻、接收、發(fā)射、天線等）進(jìn)行2.5D/3D集成的微波電路，其小型化、低成本、多功能等優(yōu)點在電子戰(zhàn)、新一代移動通信、物聯(lián)網(wǎng)、汽車?yán)走_(dá)、可穿戴等民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

圖1微波集成電路發(fā)展歷程

Chrent國內(nèi)外射頻微系統(tǒng)研究現(xiàn)狀異質(zhì)異構(gòu)集成中的“異構(gòu)”集成側(cè)重“多片”，將不同工藝單獨制造的部件（芯片、組件等）通過TSV、RDL和微凸點銅柱等工藝進(jìn)行系統(tǒng)集成;而“異質(zhì)”集成側(cè)重“單片”，強調(diào)的是通過異質(zhì)外延生長方式，將不同半導(dǎo)體材料，如硅（Si）、砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、氮化鎵（GaN）等在一個襯底上形成單片集成電路。

美國DARPA成立了微系統(tǒng)技術(shù)辦公室（MTO）重點發(fā)展集成微系統(tǒng)技術(shù)，在射頻微系統(tǒng)領(lǐng)域布局了一系列的研究計劃（如圖2所示）。2006年DARPA啟動了“用于可重構(gòu)收發(fā)機的可擴(kuò)展毫米波架構(gòu)（SMART）”項目，其目標(biāo)是通過毫米波收發(fā)機架構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)微型化和高功率，到2010年實現(xiàn)5W/cm2的功率密度。同年啟動的“三維微電磁射頻系統(tǒng)（3D-MERFS）”項目擬通過MEMS印刷電路板技術(shù)改進(jìn)射頻系統(tǒng)的性能。

為進(jìn)一步實現(xiàn)射頻系統(tǒng)的微型化，DARPA又開展了異質(zhì)集成射頻微系統(tǒng)研究。2007年DARPA啟動“硅上化合物半導(dǎo)體材料（COSMOS）”項目，目標(biāo)是采用互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝在Si上異質(zhì)集成多種化合物半導(dǎo)體晶體管，突破了SiCMOS與InP異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）兩種器件工藝的異質(zhì)集成。2013年DARPA啟動了“多樣化異質(zhì)異構(gòu)集成”（DAHI）項目，不僅開發(fā)了多種工藝集成技術(shù)，并實現(xiàn)了相應(yīng)的工藝套件（PDK）和仿真平臺。Northrop Grumman公司依靠該平臺實現(xiàn)了InP HBT和GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）在Si CMOS上的異質(zhì)集成，首次實現(xiàn)三種半導(dǎo)體工藝的異質(zhì)集成，將原本的Si基混頻器的輸出功率從8mW提高到3.4W。2017年DARPA啟動了“電子復(fù)興計劃（ERI 1.0）”，包含了三維單片集成微系統(tǒng)等項目，可進(jìn)一步實現(xiàn)微型化。

圖2DARPA射頻微系統(tǒng)相關(guān)重點計劃

隨著系統(tǒng)集成復(fù)雜度的提高和工藝節(jié)點的進(jìn)一步縮小，電路設(shè)計面臨著成本高、良率低、可靠性差等問題。對此，DARPA在2017年啟動了“通用異構(gòu)集成及知識產(chǎn)權(quán)復(fù)用策略（CHIPS）”項目。該項目意在通過混合和匹配即插即用式“芯?！保–hiplet）構(gòu)建一個模塊化雷達(dá)系統(tǒng)，不僅可以通過減小芯片面積而降低半導(dǎo)體中的缺陷密度，從而提高良率和可靠性，還可以通過IP復(fù)用，降低設(shè)計成本。此后，DARPA加強了異質(zhì)異構(gòu)集成技術(shù)在射頻領(lǐng)域的應(yīng)用和平臺建設(shè)方面的支持力度，2018年提出了“毫米波數(shù)字陣列（MIDAS）”項目，發(fā)展18~50 GHz頻段的多波束數(shù)字相控陣技術(shù)，采用三維異構(gòu)集成，降低了體積和重量，提高了數(shù)字毫米波收發(fā)器性能。2022年DARPA宣布設(shè)立“下一代微電子制造”（NGMM）研究項目，旨在創(chuàng)建一個三維異構(gòu)集成（3DHI）設(shè)計與工藝研究公共平臺。2023年，DARPA宣布將構(gòu)建3DHI微系統(tǒng)設(shè)計和制造研究中心，并啟動電子復(fù)興計劃（ERI 2.0），為三維集成射頻微系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用提供更加完善的平臺。

在歐洲方面，1987年歐洲的西門子、安奕極（AEG）、飛利浦和弗勞恩霍夫開始進(jìn)行3D集成技術(shù)的開發(fā)。在2006年歐洲啟動了e-CUBES（electronic-cubes）項目，實現(xiàn)了面向整個歐洲的3D集成系統(tǒng)封裝（3D-SiP）平臺。在2007-2013年又啟動了“最可靠的環(huán)境智能納米傳感系統(tǒng)（e-BRAINS）”項目，目的是整合3D集成與納米技術(shù)，為下一代異質(zhì)集成半導(dǎo)體技術(shù)開發(fā)提供更高效的解決方案。

射頻微系統(tǒng)主要分為不集成天線的前端收發(fā)組件(FEM)射頻微系統(tǒng)和集成了天線的前端(FE)射頻微系統(tǒng)。射頻微系統(tǒng)的輸出功率取決于功率放大器芯片，目前典型射頻放大器芯片的半導(dǎo)體材料有Si、GaAs、InP、GaN等。Si基放大器成本和集成度具有優(yōu)勢，但輸出功率較小且噪聲大。InP和GaAs放大器具有噪聲系數(shù)低的優(yōu)勢，適合用于低噪聲放大器，其中InP放大器在220 GHz以上頻率的輸出功率有較大優(yōu)勢。GaN器件因其高功率密度特性，已經(jīng)是射頻固態(tài)功放中的主流技術(shù)，也是提升射頻微系統(tǒng)輸出功率的關(guān)鍵。

FE射頻微系統(tǒng)主要采用天線外集成（包括封裝上天線(AOP)片上天線(AOC)）和天線內(nèi)集成（AiP）兩種方式實現(xiàn)天線與FEM射頻微系統(tǒng)的集成。由于天線尺寸與工作波長成正比，再加上功放體積大、散熱困難等問題，低頻段（如L波段）的射頻微系統(tǒng)主要集中在FEM射頻微系統(tǒng)，而FE射頻微系統(tǒng)主要集中在毫米波和太赫茲等頻段。2012年德國英飛凌采用了內(nèi)嵌晶圓級球柵陣列封裝（eWLB）首次實現(xiàn)了集成了77 GHz鍺硅（SiGe）4通道收發(fā)芯片和4個天線的FE射頻微系統(tǒng)（如圖3所示），采用RDL技術(shù)將天線集成在模組內(nèi)形成AiP，使得毫米波信號無需通過PCB板進(jìn)行傳輸，從而降低了互連引入的損耗，模塊體積為8×8mm2。

圖3基于eWLB工藝的77 GHz FE微系統(tǒng)

近年來，隨著射頻微系統(tǒng)技術(shù)的日趨成熟，已經(jīng)開始從基礎(chǔ)研究面向了應(yīng)用研究。2019年法國格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)針對下一代應(yīng)急通信提出了集成3D電感的高阻Si轉(zhuǎn)接板技術(shù)，采用RDL和TSV工藝實現(xiàn)了集成功率放大器、可變增益放大器（VGA）、壓控振蕩器（VCO-PLL）和正交（IQ）調(diào)制器芯片的FEM微系統(tǒng)（如圖4所示），在實現(xiàn)小型化的同時滿足專業(yè)移動電臺（PMR）和3GPP等雙模通信系統(tǒng)要求。

圖4SiP射頻微系統(tǒng)模組

在雷達(dá)應(yīng)用方面，2021年中電科38所設(shè)計了一款76~81 GHz的調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）多輸入多輸出（MIMO）雷達(dá)（如圖5所示）。該雷達(dá)采用了埋入玻璃扇出（eGFO）工藝，集成了2個發(fā)射天線和8個接收天線，典型輸出功率為14.5 dBm，在多饋源虛擬陣下提升了7.5 dB的等效各向同性輻射功率（EIRP）。2022年上海交通大學(xué)基于苯并環(huán)丁烯（BCB）將X波段硅基鎖相環(huán)芯片、W波段SiGe毫米波芯片、GaN功率放大芯片、電容、TaN電阻和濾波器等無源元件進(jìn)行集成（如圖6所示），輸出功率達(dá)到22 dBm，整體體積僅為60×40×8mm3。

圖52×8 MMIO eGFO封裝AiP

針對大陣面相控陣系統(tǒng)，雷神公司提出了可擴(kuò)展的瓦片式FEM射頻微系統(tǒng)（如圖7所示）。該組件由4×4個單元組成，基于BCB的RDL和TSV轉(zhuǎn)接板將高效率InP功放、InGaAs低噪聲放大器和32通道的CMOS收發(fā)專用集成電路（ASIC）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化芯片進(jìn)行集成，在18~50 GHz發(fā)射功率大于3 dBm，接收支路增益可調(diào)范圍9~25 dB。

圖694 GHz FMCW射頻前端（含電源）

圖7可擴(kuò)展集成架構(gòu)

Chrent射頻微系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀2.1射頻微系統(tǒng)互連

射頻微系統(tǒng)的互連作為連接其中不同電路和組件的紐帶，對系統(tǒng)性能有著重要影響，主要技術(shù)指標(biāo)包括傳輸損耗、駐波、帶寬、隔離度等。

在TSV互連中，轉(zhuǎn)接板通常采用高阻Si。2008年南洋理工大學(xué)研究了基于傳統(tǒng)銅插入式互連與同軸式TSV互連兩種結(jié)構(gòu)形式，實測表明基于高阻Si的同軸結(jié)構(gòu)TSV互連（介質(zhì)采用SU-8）在10 GHz下具有更低的損耗（0.33 dB/mm）和駐波特性。與TSV相比，基于更高體電阻率、更低介電常數(shù)的玻璃通孔（TGV）可以實現(xiàn)更低的傳輸損耗。2018年瑞典皇家理工學(xué)院提出一種共形金屬電鍍工藝（如圖8所示），實現(xiàn)的TGV通孔在10 GHz的插入損耗僅為0.14 dB/mm。

隨著工作頻率的進(jìn)一步升高，傳輸線的導(dǎo)體損耗、寄生電容等寄生參數(shù)效應(yīng)變大。2015年瑞典皇家理工學(xué)院采用一種可實現(xiàn)高深寬比的磁自組裝TSV工藝。該工藝采用比SiO2/Si3N4更低介電常數(shù)和低楊氏模量的BCB材料充當(dāng)絕緣層，實現(xiàn)了DC~86 GHz帶寬互連，75 GHz下插損為2.12 dB/mm。2020年德國IHP萊布尼茨創(chuàng)新微電子研究所制備了一種BiCMOS內(nèi)嵌的環(huán)形TSV結(jié)構(gòu)（如圖9所示），在240 GHz和300 GHz處可以實現(xiàn)優(yōu)于0.83 dB和0.94 dB的插損。

圖8傳統(tǒng)TGV與共形金屬電鍍TGV

圖9BiCMOS內(nèi)嵌TSV結(jié)構(gòu)

射頻微系統(tǒng)中互連與互連、互連與有源器件的電磁耦合效應(yīng)對電路性能（特別是信號完整性）有著重要的影響，需要考慮傳輸線的隔離度。為減少串?dāng)_，一方面可從集成架構(gòu)上考慮，例如采用周期性結(jié)構(gòu)（EBG）進(jìn)行分塊功能的隔離;另一方面，從互連線本身出發(fā)，設(shè)計高隔離的互連結(jié)構(gòu)。2011年韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）針對TSV互連提出了一種保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)（如圖10所示），可以將穿過絕緣層的泄露電流經(jīng)過接地的保護(hù)環(huán)從而降低串?dāng)_噪聲。該結(jié)構(gòu)在1 GHz處耦合噪聲幅值降低了53.5%，在0~20 GHz改善隔離10 dB以上。2020年西安電子科技大學(xué)提出了一種六邊形硅通孔接地屏蔽結(jié)構(gòu)，通過將屏蔽通孔接地，電磁場被限制在中心導(dǎo)體和屏蔽通孔之間從而降低損耗，相較傳統(tǒng)G-S TSV分布結(jié)構(gòu)，在0~20 GHz范圍內(nèi)串?dāng)_優(yōu)化15 dB。

2.2射頻微系統(tǒng)仿真與優(yōu)化

隨著射頻微系統(tǒng)中芯片和互連集成密度的提高，電路內(nèi)部的電磁、熱、力、流等多物理場耦合效應(yīng)更加突出，導(dǎo)致電磁兼容和可靠性問題成為應(yīng)用的瓶頸。此外，系統(tǒng)中的尺度涵蓋10-9~10-1m，跨尺度的計算進(jìn)一步加劇了射頻微系統(tǒng)的仿真效率，因此如何在多場-多尺度下開展射頻電路高效率仿真成為射頻微系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

圖11為射頻微系統(tǒng)中多物理場之間的耦合關(guān)系。電磁場與熱場間耦合效應(yīng)主要由兩方面構(gòu)成：一方面是材料與半導(dǎo)體器件在電磁場作用下產(chǎn)生焦耳熱；另一方面由于溫度的變化導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率、介電常數(shù)、載流子遷移率產(chǎn)生變化，在影響材料和半導(dǎo)體器件性能的同時也產(chǎn)生了焦耳熱，從而形成一種互耦關(guān)系。熱場與力場的耦合效應(yīng)是因為材料的熱膨脹與熱效應(yīng)有關(guān)，因此溫度會改變材料的體積和位移，從而改變異構(gòu)異質(zhì)材料間的應(yīng)力，導(dǎo)致形變。形變一方面會導(dǎo)致材料和器件電磁特性的變化，另一方面會產(chǎn)生材料間的應(yīng)力失配而產(chǎn)生裂紋甚至斷裂等問題。此外，射頻微系統(tǒng)中為降低系統(tǒng)溫度，部分電路會引入流體散熱等主動散熱技術(shù)。微流道速度和流量對溫度調(diào)節(jié)效果顯著，但流速和流量的不同對流道的壓力也不同，因此在降低溫度的同時也帶了新的應(yīng)力。

圖10保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)及其等效電路模型

圖11射頻微系統(tǒng)中多物理場耦合關(guān)系

目前主流的多物理場耦合仿真平臺有兩大類型一種是采用直接耦合求解方法（緊耦合，例如COMSOL），直接聯(lián)立求解所有場方程;另一種是間接耦合求解方法（松耦合，例如ANSYS），先對每一個場單獨求解，然后將求解結(jié)果代入到下一個場進(jìn)行求解，完成所有場求解后迭代直至所有場的解收斂。2018年上海交通大學(xué)針對無源和有源器件進(jìn)行了電-熱耦合計算和仿真，并開發(fā)了多場耦合仿真軟件。無論是緊耦合還是松耦合的求解方案，其本質(zhì)均為基于有限元方法進(jìn)行微分方程和偏微分方程的求解，求解依賴網(wǎng)格劃分的精度。射頻微系統(tǒng)幾何尺度跨度大，內(nèi)部元器件眾多，其RDL、TSV等與芯片、封裝、PCB、腔體等結(jié)構(gòu)比最大可達(dá)到1∶50000，為得到精確的仿真結(jié)果需要大量的仿真資源和計算時間。

對此，近年來模型驅(qū)動的多物理場仿真技術(shù)以其仿真計算效率高的特點獲得了關(guān)注。2013年法國THALES構(gòu)建了一套協(xié)同設(shè)計平臺，可實現(xiàn)數(shù)字、電磁、電路、熱的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，以及從晶體管-組件-系統(tǒng)的跨層級仿真（如圖12所示）。2016年DARPA在DAHI項目下也形成了一套系統(tǒng)、功能單元、基礎(chǔ)工藝的協(xié)同設(shè)計方法，其軟件平臺已成熟應(yīng)用。2021年電子科技大學(xué)對射頻微系統(tǒng)互連結(jié)構(gòu)開展多場耦合可靠性研究，并研制了一款射頻微系統(tǒng)可靠性分析軟件，通過建立封裝可靠性模型，提高計算效率。2022年中電科55所通過器件級熱仿真、電路級仿真和系統(tǒng)級仿真相結(jié)合的方法進(jìn)行了超寬帶射頻微系統(tǒng)熱電設(shè)計。

圖12法國THALES多場協(xié)同設(shè)計方案

2.3射頻微系統(tǒng)集成架構(gòu)設(shè)計

射頻微系統(tǒng)的集成架構(gòu)設(shè)計主要指堆疊結(jié)構(gòu)和電路布版，除考慮系統(tǒng)性能、體積和成本外，還需重點考慮高效散熱和集成天線。

隨著集成度的提高，熱流密度也隨之增大，因此設(shè)計高效散熱的集成架構(gòu)是射頻微系統(tǒng)需要關(guān)注的重點之一。典型的散熱技術(shù)有采用高導(dǎo)熱材料的被動散熱和采用微流道的主動散熱技術(shù)。2021年中電科55所基于硅基微流道散熱架構(gòu)提出了一款射頻FE微系統(tǒng)架構(gòu)（如圖13所示），內(nèi)置微流道的同時還在芯片下設(shè)置金屬柱陣列提高散熱效率。2023年北京大學(xué)提出了一種內(nèi)嵌微流道轉(zhuǎn)接板的優(yōu)化設(shè)計方法（如圖14所示）。該結(jié)構(gòu)包括三層，頂層是流道的蓋層，第二層是放置了三角形微針鰭陣列的硅基微流道層，大的微針鰭用于支撐，流道采用4進(jìn)2出方式以改善溫度均勻性，最下面一層是低溫共燒陶瓷（LTCC）基板，優(yōu)化后實現(xiàn)最大散熱能力達(dá)到1300 W/cm2，優(yōu)于圓形微針鰭陣列和S形結(jié)構(gòu)。

圖13硅基微流道FE射頻微系統(tǒng)

圖14基于內(nèi)嵌微流道轉(zhuǎn)接板4×4 FEM微系統(tǒng)

2019年美國科羅拉多大學(xué)提出了一種金屬嵌入式芯片（MECA）高效散熱集成技術(shù)（如圖15所示）。該技術(shù)將射頻芯片和氧化鋁基板無源器件內(nèi)嵌到銅金屬中，與沒有用MECA技術(shù)的裝配相比，MECA技術(shù)可使得GaN芯片在10 GHz下增益提升3 dB，效率增加3.2%。

圖15金屬嵌入式芯片結(jié)構(gòu)示意圖及其集成后實物照片

在FE射頻微系統(tǒng)上，其核心是如何實現(xiàn)AiP天線設(shè)計以及與芯片的互連。2013年新加坡微電子所設(shè)計了一種基于TSV互連的晶圓級封裝的AiP（如圖16所示），該天線采用基于TSV的兩層高阻Si堆疊，底層Si上是共面波導(dǎo)（CPW）饋電和槽線輻射器，頂層Si上放置了貼片用于改善增益和輻射效率，在76~93 GHz實現(xiàn)了2.4 dBi增益。

圖16基于TSV互連的晶圓級封裝的AiP

2023年，美國佐治亞理工學(xué)院提出了一種集成芯片的玻璃ABF樹脂基轉(zhuǎn)接板AiP技術(shù)，該技術(shù)采用了交錯介質(zhì)通孔結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)的金絲和倒裝互連具有更低的損耗，而且利用該技術(shù)還可以集成傳統(tǒng)熱沉而實現(xiàn)高效散熱（如圖17所示）。利用該技術(shù)實現(xiàn)了1×8 AiP貼片天線陣列，在D波段實現(xiàn)了11.6 dB的高增益。

圖17玻璃樹脂基FE射頻微系統(tǒng)

Chrent射頻微系統(tǒng)展望在互連方面，目前的性能水平基本上能夠滿足射頻微系統(tǒng)的需求。然而互連尺寸進(jìn)一步縮小可以增加射頻電路設(shè)計的靈活性，因此在微型化、低損耗和低成本方面仍是重要的發(fā)展方向。此外，微型化的同時也給可靠性帶來了新的挑戰(zhàn)，但目前在可靠性方面的研究仍較少。在微型化、低損耗方面，目前有研究表明選用碳納米管（CNT）充當(dāng)導(dǎo)體材料，相較于傳統(tǒng)導(dǎo)體銅、鎢、鋁受高頻下的趨膚效應(yīng)影響小，整體性能均得到有效提升，同時碳納米管具有高熱導(dǎo)率和高載流能力，有利于提高系統(tǒng)整體的可靠性，但在制備工藝上仍有較高難度。

在散熱方面，隨著射頻微系統(tǒng)微型化的進(jìn)一步發(fā)展和高功率固態(tài)器件集成，使得射頻微系統(tǒng)的熱流密度進(jìn)一步提升，如何實現(xiàn)大功率、微型化的射頻微系統(tǒng)將是未來發(fā)展的難點之一。除了采用傳統(tǒng)Si基微流道和高效散熱集成架構(gòu)設(shè)計，在高導(dǎo)熱新材料集成方面仍有很大的空間，例如近年來面向固態(tài)微波器件的金剛石散熱技術(shù)和金剛石微流道技術(shù)已經(jīng)取得較好的進(jìn)展，未來如能集成到射頻微系統(tǒng)工藝中，將有效提升射頻微系統(tǒng)的輸出功率。此外，智能熱管理技術(shù)的發(fā)展也將進(jìn)一步提升系統(tǒng)的散熱能力。

在仿真與優(yōu)化方面，高效仿真平臺對縮短研發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本和提升電學(xué)與可靠性性能有著重要意義，但由于射頻微系統(tǒng)跨尺度、多層級、多物理場耦合的特殊性，實現(xiàn)高效的多場協(xié)同仿真仍是未來需重點解決的問題。近年來人工智能技術(shù)發(fā)展，有望推動模型甚至數(shù)據(jù)驅(qū)動的新一代快速仿真方法。此外，在設(shè)計方面，隨著新材料和新器件的發(fā)展，未來射頻微系統(tǒng)的仿真將跨越到設(shè)計-工藝協(xié)同優(yōu)化（DTCO）和系統(tǒng)-工藝協(xié)同優(yōu)化（STCO）。

最后，隨著偵干探通一體化電子技術(shù)的發(fā)展，多功能一體化集成也是射頻微系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，除了在集成架構(gòu)方面，還需要對射頻微系統(tǒng)的電路設(shè)計架構(gòu)上延伸，滿足不同功能的可重構(gòu)和智能化。此外，射頻與光電、數(shù)字、模擬等集成接口及其標(biāo)準(zhǔn)化也是射頻微系統(tǒng)未來走向“芯粒”集成需要考慮的內(nèi)容。

Chrent總結(jié)射頻微系統(tǒng)是微波電路與系統(tǒng)從小型化發(fā)展到微型化的標(biāo)志。高性能互連、高效仿真與優(yōu)化、高密度集成架構(gòu)等技術(shù)是射頻微系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵。隨著新材料、新型半導(dǎo)體器件、新工藝和新設(shè)計理論的發(fā)展，射頻微系統(tǒng)在工作頻率、輸出功率、集成度和成本等特性上仍將繼續(xù)突破，對小型化無人機、新一代戰(zhàn)機、航空航天、5G/6G移動通信、衛(wèi)星通信、可穿戴裝備等對微型化要求較高的應(yīng)用場景有著巨大潛力。

文章摘自：《微波學(xué)報》

作者：徐銳敏，王歡鵬，徐躍杭