航天電子微系統集成技術展望

唐 磊 趙元富 吳道偉 朱國良 楊宇軍 邢朝洋 樊鵬輝 匡乃亮

綜述·專稿

航天電子微系統集成技術展望

唐 磊 趙元富 吳道偉 朱國良 楊宇軍 邢朝洋 樊鵬輝 匡乃亮

（西安微電子技術研究所，西安 710600）

為推進航天電子微系統技術自主可控，并達到國際領先水平，本文以微系統技術的發展需求為基點，從總體路線和技術路線兩個角度論述，在“微系統協同設計技術”、“微系統制造技術”、“微系統產品規劃”三個方面為微系統的發展提出可行性和戰略性的建議，進一步支撐中國航天事業實現高質量、高效率及高效益的發展。

航天電子；微系統；自主可控；協同設計；制造技術

1 引言

微系統是指在微納量級特征尺度，以微電子、微機電系統（MEMS）、光電子為基礎要素，融合體系架構、軟件算法，通過系統優化、三維集成等先進手段形成的，具備信息獲取、處理、交換、執行或能源供給等功能的微型化系統。微系統是航天微納電子集成技術發展的必然趨勢，其典型的技術特征為微型化、系統化、智能化[1]。從產品形態上，航天電子領域的微系統可分為：單片微系統（SoC、MEMS等）、微模組（包括同質異構和異質異構）、微系統、微裝備，如圖1～圖3所示。由于SoC屬于集成電路范疇，廣義微系統和微裝備屬于整機范疇，本文重點闡述微模組集成技術。

航天電子是中國航天國產化自主可控技術研發與高可靠產品研制領域的突出代表，是中國電子行業的中堅力量。隨著航天微系統技術的迅猛發展，微系統產業亟需加強統籌規劃，并全面布局基礎技術攻關、核心產品研發、平臺能力建設和協同研發生態構建，尤其需要在產品工程化應用和平臺能力建設兩個方面著重發力[2]。

為形成安全可控的微系統產業鏈和供應鏈，促進產業生態全面升級完善，逐步健全微系統標準規范，形成軍地單位深度融合、研用雙方高效互動的微系統發展格局，本文基于時代發展需求和國內外微系統發展現狀，從“微系統協同設計技術”、“微系統制造技術”、“微系統產品規劃”三個方面為微系統的發展提出可行性和戰略性的建議。

圖1 典型異構微模組

圖2 典型微零部/組件

圖3 典型微終端、微裝備

2 微系統集成技術需求分析

微系統技術承載了微電子技術創新發展的重要使命，在21世紀航天競賽中具有重要戰略意義。微系統技術可應用于具有特定戰術功能的微終端；微、納、皮、飛等高分觀測微衛星；片上衛星、小型化星群等領域。電子信息產業大力發展微納系統技術是時代的選擇和科技發展的必然途徑。

a. 航天發展面臨新形勢，迫切需要新型使能技術：新時期宇航裝備變革加速演進，要求功能、性能、效能更強，體積、重量、功耗更小，功能密度、無人化與自主化程度更高，迫切需要通過新型設計和先進手段來實現集成創新。微系統技術作為一項核心基礎技術與關鍵使能技術，必將催生一系列顛覆性的創新。

b. 微電子進入后摩爾時代，迫切需要創新技術發展路徑：以集成電路為代表的微電子器件特征尺寸持續縮小，進入后摩爾時代，特征尺寸縮微對尖端工藝嚴重依賴，設計門檻大幅提高，隨著電子元器件跨界集成技術發展迅猛，異構集成是延續摩爾定律重要途徑。

c. 航天系統形成提出新要求，迫切需要革新研發模式：隨著電子基礎技術的快速發展，電子元器件與航天型號整機系統界限逐步模糊，“芯片系統化”和“系統芯片化”趨勢日益凸顯，急需構建支撐系統高效協同研發的公共服務平臺及可復用資源的匯聚能力，打通航天型號“需求側”和基礎領域“供給側”鏈路。

3 微系統集成技術國內外現狀

美國國防部率先提出了采用異構集成技術，將微電子、光電子和微機電系統（MEMS: Micro-Electro-Mechanical System）器件集成，形成微系統[3]。2017年6月，美國通過“超越縮微”系列計劃和“電子復興”計劃，構建體系化發展構架和項自群布局，根本目的是發展美國后摩爾時代的微納電子新體系，繼續堅筑美國在全球電子信息的領先地位。歐洲在制訂空間技術長期計劃的同時，也制定了微系統產品及技術路線圖，宗旨為“頂層規劃，獨立發展”。2006年7月，歐洲多家大型企業聯合成立了“歐洲智能系統集成技術平臺”。歐洲的微電子研究中心是國際領先的獨立研究機構,主要研究方向包括微電子、納米技術、硅加工工藝、硅制程技術和先進封裝等微系統集成技術。2022年3月，全球主要芯片設計制造商們（包括Intel、AMD、Arm、高通、三星、臺積電等）合作為Chiplet技術創建的行業接口標準UCIe1.0發布。作為突破摩爾定律的實踐方法之一，這一標準的發布或將帶來微系統技術和商業模式的再次變革。

我國在2020年國務院印發的《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展若干政策》中，明確提出有序引導和規范集成電路產業發展秩序，做好規劃布局。同時，隨著軍事裝備發展的迫切需求，國內開展了一系列重大專項和系統集成科研計劃的實施。微系統技術正在通過自主創新，突飛猛進地發展，也使得電子信息系統架構的設計理念發生了深刻的變化，并開始從基礎理論的研究階段步入工程研制開發階段。近些年來，國內在微系統技術領域也取得了突破性進展。2018年國內某研究所建設了國內首條12英寸晶圓級TSV微系統生產線，并成功開發了2.5D硅基板成套工藝和3D異構集成成套工藝。2021年7月，長電科技推出XDFOI全系列極高密度扇出型封裝解決方案。華天科技開發了埋入硅基板扇出型3D封裝技術。綜上，我國已經在微電子和先進封裝等微系統集成技術方面廣泛開展了研究，但仍與國外在整體布局和核心尖端技術突破上存在一定差距。

4 航天微系統集成技術發展路線

4.1 總體思路

立足航天型號的重大應用需求，開展微系統協同設計平臺、IP譜系化、微納制造與集成工藝、可測性設計等關鍵技術研究，建立國家級安全可信的先進微系統協同設計平臺、微系統先進制造與三維集成工藝平臺和可靠性與測試平臺，成立國家級“微電子與微系統科技重點實驗室”，逐步打造“芯片-封裝-系統”微系統高效協同的創新研發生態，分階段實現典型微系統產品系統性能指標的10倍、100倍提升，形成電子信息設備微系統全面自主可控能力。準確把握微系統在元器件與裝備整機鏈條中承上啟下的重要作用，牢牢抓住微系統“平面集成-立體集成-系統再集成”的多重集成特點，緊緊跟隨宇航裝備快速集成的應用需求，構建航天電子先進微系統的融合創新發展生態，從夯實基礎技術、建強支撐能力、促進產品應用三個方面統籌布局、同步發力，打造形成“三大產品領域（處理、射頻、導航）+集成應用”的典型示范成果。

4.2 技術路線

統籌布局協同設計、微納制造與三維集成等基礎研究，形成協同設計平臺、制造與集成工藝平臺等系列公共基礎服務平臺，支撐信息處理、射頻、導航等三大領域產品，為微系統高質量發展奠定全方位堅實基礎。

4.2.1 微系統協同設計技術

面向軍用微系統多源信息融合、信息高速處理、海量數據吞吐、精確導航制導、射頻通信、雷達成像等跨學科、跨專業、跨領域的協同研發需求，構建完整的設計仿真共用軟件環境（如圖4所示），以及基于成熟方法、流程的設計仿真業務模板，以此加速協同設計仿真的進度并保證仿真活動的規范化，提高設計專業的深度和廣度，加強設計過程精細化管理，完善系統集成接口，形成微系統協同設計公共服務平臺，實現微系統產品研發流程規劃、模型數據共享、設計數據管理、協同仿真驗證、工藝規范審查、標準制造數據集成等關鍵業務的數字化應用。

圖4 數字化微系統協同管理平臺示意圖

在協同設計技術開發方面，應當加強微系統體系架構、集成設計方法的創新，開展芯粒-微模組-微系統協同規劃與設計技術、高速高密度互連設計優化技術、設計-仿真-工藝融合的工藝設計工具包（PDK，Process Design Kits）開發技術、多物理場協同仿真技術、可測試性設計技術等關鍵技術研究，構建以多學科跨層級協同優化為核心的關鍵技術體系，打造設計即所得的微模組及微系統設計服務平臺，如圖5所示。

面向未來，滿足射頻、光電、MEMS等領域的多學科協同設計；構建相應多學科領域的晶圓級集成工藝PDK、設計資源庫，實現多領域、跨尺度深度融合設計。預期實現裸芯微電子系統對部分板級系統的替代，進一步支持終端載荷平臺的微型化。

圖5 微模組/微系統協同設計平臺架構

4.2.2 微系統制造技術

針對信息處理、射頻、導航等三大微系統在集成材料、集成工藝和集成方法上不同需求，重點聚焦微系統三維TSV立體集成和微組裝工藝，布局TSV同質同構、同質異構和異質異構集成等工藝研究，重點突破多芯片TSV晶圓埋置重構技術、有源芯片晶圓TSV技術、GaN/GaAs/CMOS等芯片異構集成技術、MEMS傳感器一體化封裝技術等制造技術，進一步突破TSV芯片的D2D、D2W、W2W、3D堆疊、PoP堆疊等多樣化微組裝工藝技術。

針對微系統多種類、高兼容性、多樣性需求，以微模組集成工藝為核心，實現光電、射頻、MEMS、生物傳感和磁傳感交叉領域充分融合，支撐未來多功能、多物理量微系統協同集成，重點突破微模組與信號感知、信號傳輸、指令執行微模組間的3D集成接口工藝技術，實現無機基板、柔性基板及硅光等多種基板融合，無源IPD和有源集成工藝的有機融合，形成圖6所示的微系統混合多種器件結構示意圖。

圖6 微系統混合多種器件結構示意圖

4.2.3 微系統產品規劃

面向信息處理系統“高性能、高并發、低延時、高可靠”發展主線，在處理器領域，形成基于PowerISA、ARM、RISC-V等指令架構的高性能、高可靠、低功耗處理器產品譜系；高速總線方面，布局高速、高可靠網絡數據通信芯片，形成高可靠以太網控制器及安全交換電路、PCIe5.0擴展產品等；在Chiplet方面，形成不同工藝制程、不同功能性能、不同互連接口、不同應用場景的Chiplet庫；在硅光電子方面，形成包括“光+電+軟件”，具有學習認知、自適應、多功能的智能化片上系統，從而實現動態調控，快速反應等功能。信息處理微系統產品結構示意圖如圖7所示。

圖7 信息處理微系統產品結構示意圖

面向射頻系統“多頻段、多功能、多波束、大帶寬”發展主線，形成覆蓋Ka及以下頻段、三維集成多通道T/R子陣芯片產品譜系，建立先進T/R子陣芯片IP庫，打通芯片研制與系統應用壁壘，支撐航天電子進一步向智能化、小型化發展。

面向導航系統“高精度、大動態、高過載、一體化”發展主線，形成以多軸傳感器、MEMS傳感器、MEMS+ASIC一體化等為重點的導航微系統標準化譜系產品，適合航天電子控制的多源導航能力。

5 結束語

構建微系統健康發展生態環境，實現武器裝備和航天工程核心技術自主可控，推動裝備性能提升和技術換代是一項極富挑戰性的工作。挑戰不僅來自于對微系統技術和產品未來認知的把握，更來自于全新的協同創新研發模式與現行管理體制和傳統科研模式之間理念的碰撞。應對前所未有之大變局，微系統領域需要提前謀劃、戰略布局，也需要廣大科研工作者凝心聚力、協作創新，打破摩爾定律的約束，引領微型化、智能化、無人化航天電子的發展變革。

1 朱曉梟，周瑜，劉云飛，等. 微系統技術發展現狀及趨勢[J]. 電聲技術，2021，45(7)：21～29

2 張偉，祝名，李培蕾，等. 微系統發展趨勢及宇航應用面臨的技術挑戰[J]. 電子與封裝，2021，21(10)：7～15

3 唐磊，匡乃亮，郭雁蓉，等. 信息處理微系統的發展現狀與未來展望[J]. 微電子學與計算機，2021，38(10)：1～8

4 張慶學，趙國良，王艷玲，等. 基于TSV的星載微系統設計與可靠性實現[J]. 遙測遙控，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，電子信息技術專業；研究方向：微系統設計。

2022-09-21