后摩爾時代雷達對抗裝備集成化發展

金寶龍,陳建平

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

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后摩爾時代雷達對抗裝備集成化發展

金寶龍1,陳建平2

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

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

超越摩爾；雷達對抗裝備；集成化

0 引 言

隨著半導體集成電路工藝技術按照特征尺寸等比例縮小的進一步發展，硅互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術在速度、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、投入產出性價比等的限制，摩爾定律受到挑戰。一味追求集成電路晶體管密度和芯片規模，帶來了巨大的技術和經濟風險。

如圖1，國際半導體技術發展路線圖[1]顯示：更高價值的電子系統的實現需要片上系統(SoC)和系統級封裝(SiP)技術的組合。這里的SoC指的是采用CMOS技術實現的中央處理器(CPU)、存儲器、邏輯電路等數字域信息處理和存儲片上系統，其遵循持續摩爾(More Moore)，追求更小特征尺寸的半導體集成工藝，從目前的數十納米量級，向著數納米量級奔進，并可能“跨越CMOS”(Beyond CMOS)進入納米器件電路。而系統級封裝(SiP)指的是模擬/射頻、無源、高壓/電源、傳感激勵、生物邏輯等傳統非數字、多樣化功能電路的集成，以及在此基礎上的多功能系統級混合封裝, 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、不斷挑戰工藝極限、提高電路集成度的思維，主張利用已有半導體成熟工藝，追求多樣化功能電路的芯片集成和多芯片的系統級封裝集成。

圖1 國際半導體技術發展路線圖

國際半導體技術發展路線圖顯示出的這種電子系統數字信息處理和存儲功能按照持續摩爾路徑繼續提高集成度；電子系統非數字信息處理和存儲功能的其他各種功能(傳感、執行、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，在成熟的半導體工藝上實現芯片集成、三維(3D)集成、多芯片系統級封裝。這些“跨域摩爾”、“拓展摩爾”的多樣化功能電路集成發展，告知世人半導體集成工藝技術正在向電子系統各功能電路領域滲透。

觀察當今各種電子系統各功能模塊的集成水平，不難發現其中數字信息處理和存儲功能電路的集成度遙遙領先。多樣化功能電路集成使電子系統小型化、集成化的重點從數字處理和存儲功能電路轉移到信息感知、模擬和執行等其他功能電路的集成，可以說電子系統來到了眾多功能電路均采用半導體集成工藝實現的時代，來到了持續摩爾、超越摩爾雙驅動的泛集成、后摩爾時代。

1 雷達對抗裝備集成化發展趨勢及集成技術

雷達對抗裝備作為眾多電子系統的一種，泛集成的趨勢也非常明顯，除了在數字信息處理存儲領域不斷采用新型大規模數字芯片和SiP技術外，在射頻微波領域，各種集成新器材、新技術層出不窮，采用半導體工藝、封裝工藝實現設備接收、處理、發射等各種功能模塊的集成小型化、微系統化。

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，雷達對抗裝備還呈現出與其他電子系統的一體化綜合集成趨勢，從電子裝備系統頂層進行技術體制架構上的優化和綜合集成，以期用較少的資源實現具有雷達、通信、對抗、識別等多種系統功能的一體化裝備。

概而言之，已形成了雷達對抗裝備體制架構設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個方面的發展趨勢。系統綜合集成牽引功能模塊實物的集成，功能模塊實物集成水平的不斷提升又給電子裝備一體化系統綜合集成打開了新的發展空間。

1.1 與其他電子系統的一體化綜合集成[2-3]

電磁波譜各頻段技術的進展及廣泛應用使得戰場電磁領域的斗爭和博弈日趨復雜，其廣度和深度前所未有，反映到電子裝備的建設上，即是在諸如軍艦、戰斗機等作戰平臺上，在電磁波譜的多個頻段上，探測與反探測、制導與反制導、識別與反識別、通信與反通信等各種設備層出不窮，雷達、通信、光電設備、電子戰設備等各種電子系統越來越多，電子裝備組成越來越復雜龐大，從而使得這些作戰平臺越來越不堪重負。

平臺上各類設備的天線也越來越多，大大增加了作戰平臺的雷達反射截面積，與當今時代隱身、機動、先敵發現、先敵打擊的戰場生存、取勝法則相悖。另外，眾多的電子信息設備各自為戰，還帶來了各種設備間的電磁干擾；各個設備需要各自的操作和維護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(含雷達對抗裝備)多功能綜合一體化的發展要求空前強烈，也形成了雷達-對抗-通信綜合一體化設計、集成桅桿設計、多功能射頻綜合設計等綜合集成發展趨勢。

雷達、通信、導航、識別、電子戰等電子系統均由天線、射頻前端、信號數據處理、顯示輸出幾大模塊組成，是系統綜合集成的基礎。美海軍先后開展的先進共享孔徑項目(ASAP)、先進多功能射頻系統(AMRFS)項目、先進多功能射頻概念(AMRFC)項目、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(ISS)計劃、多功能綜合射頻系統(MIRFS)計劃，從天線孔徑共用、射頻信道共用、數字處理共用，到系統軟件架構、總線設計，開展了廣泛的綜合集成研究。

1.2 微波射頻電路集成技術

在電子系統一體化綜合集成設計，多種功能復用，盡可能減少設備量的同時，各功能模塊實現的半導體工藝集成化也日趨明顯，同時也反過來進一步推動了一體化進程。與信號數據處理存儲功能電路相比，目前雷達對抗裝備射頻前端等功能的集成度大為遜色，是進一步提高裝備小型化、集成化的關鍵所在。射頻MEMS(微機電) 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)等集成技術是當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。

(1) 微機電系統(MEMS)技術[4]

MEMS技術是典型的遵循所謂More than Moore理念發展的一種半導體工藝集成技術，也是實現微系統的基礎技術，近年來發展迅速，其產品覆蓋感知和控制外界信息(力、熱、光、生、磁、化等)的傳感器和執行器，以及進行信號處理和控制的微電路，主要產品有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是雷達對抗裝備中應用最廣的MEMS產品，主要有MEMS的電容、電感、傳輸線、開關、濾波器、移相器、開關濾波器組合、開關網絡、壓控振蕩器等。目前MEMS濾波器是雷達對抗裝備中應用最多的MEMS產品，其具有的高Q、小體積等特性有效地減小了相關電路模塊的體積和重量。進一步的工作是擴展多種射頻MEMS器件片內集成，以及與更多其他功能電路的三維異質集成。

在雷達對抗孔徑共享發展中，可重構陣列天線是其中重要的一環，基于MEMS開關、移相器等器件的小尺寸、低損耗、低功耗等特點，應該有著良好的應用前景。

MEMS技術是實現微系統的基礎技術，隨著基于此技術的各種微機電功能的開發，微型飛行器、微型干擾機等綜合了大規模硅CMOS、3D IC、MEMS技術的微系統“蜂群”裝備不久將呈現在人們面前，與大型一體化綜合集成電子裝備發展交相輝映。

(2) SoC、SiP技術[5-7]

片上系統(SoC)是同質芯片材料基體上實現的系統級集成，原來通常是指遵循More Moore發展的數字集成電路。隨著半導體工藝的發展，在同質單基片實現了射頻(RF)前端與數字基帶系統級集成，即RF SoC，這種新概念產品已能替代部分微波多芯片模塊(MMCM)，將大大減少整機系統的器件數量和所占面積及體積。集成電路制造工藝的提升為RF SoC的實現提供了技術保證，如前所述也帶來了設計、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)應運而生，采用超大規模集成硅基工藝，利用穿透硅通孔(TSV)技術實現垂直互聯三維集成，增加集成密度，獲得功能更多更強、外形尺寸更小的片上系統。

SiP通常是指將多款不同材質芯片、元件在一個封裝中集成，構成系統功能模塊的一種技術，其優勢是兼容不同制造工藝技術的集成芯片和無源元件(包括硅、砷化鎵等模擬、射頻、數字集成芯片、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展后多功能集成的必然。雷達對抗裝備中從天線接收到數/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，往往分別實現于不同的基片材料，通過系統仿真設計，采用封裝工藝將上述各種功能集成于一個物理實體內，實現射頻系統級的封裝。

在雷達對抗裝備中，數字信號處理與存儲系統目前都采用數片大規模集成芯片，也有為進一步減小尺寸、降低功耗，提升信號傳輸質量而去除原封裝，進行二次集成設計，實現同材質數字電路的系統級封裝(SiP)。

由于各種功能電路需要相應的材料特性支撐，隨著市場牽引和工藝技術的進步以及各種具有優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展中。雖然已有SoC集成了射頻和數模電路，甚至有了3D RF IC，但在考慮電性能、成本、設計靈活性等諸因素后，采用不同的工藝分別實現各種射頻和數模電路，再采用SiP技術實現整個射頻接收功能模塊更為經濟和實用。

三維微波多芯片模塊(3D-MMCM)是射頻SiP技術之一，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，實現更多功能的集成。微波垂直互聯是其中的核心技術之一。同樣是三維集成，SiP中的垂直互聯傳輸線，其電長度將遠大于3D RF IC中的連線，如何實現微波垂直互聯的小型、寬帶、低損耗、高可靠是關鍵。常用的微波垂直互聯技術有基于毛鈕扣結構的無焊接垂直互聯和基于環氧樹脂包封的垂直互聯。前者采用同軸或三線形式與基板上的共面傳輸線相連；后者采用包封端面側面金屬化后刻蝕垂直共面波導實現。

2 結束語

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

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

[2] 張明友.雷達-電子戰-通信一體化概論[M].北京：國防工業出版社，2010.

[3] 吳遠斌.多功能射頻綜合一體化技術的研究[J].現代雷達，2013，35(8):70-74.

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

[5] 李明.雷達射頻集成電路的發展及應用[J].現代雷達，2012，34(9):8-15.

[6] 嚴偉，吳金財，鄭偉.三維微波多芯片組件垂直微波互聯技術[J].微波學報，2012，28(5):1-6.

[7] 徐銳敏，陳志凱，趙偉.微波集成電路的發展趨勢[J].微波學報，2013，29(5):55-60.

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