国外宇航级混合集成电路发展浅析

门国捷

（中国电子科技集团公司第43研究所，合肥 230088）

1 概述

宇航级混合集成电路是宇航电子系统中核心电子器件的重要组成部分。混合集成电路以其高密度、高性能、高可靠性和轻重量、小体积等明显优势正被广泛地应用于航天控制系统、航天通讯、雷达探测、星载高速处理器等空间应用系统中。这些军用电子装备必须适应严酷的工作环境。混合集成电路以本身的技术优势，能满足应用要求，并能实现空间系统的小型化、轻质化，提高系统技术性能和可靠性等级，已成为宇航电子信息系统发展的关键技术。

人类空间探索活动推动了宇航混合集成电路产品的持续发展，美国、欧洲、日本等航天发达国家已经建立起了完备的宇航级混合集成电路产品体系，在产品标准、研制、生产、试验、元器件评价和生产线认证等方面都有极其严格的规定，生产和试验设施完善，产品品种齐全，空间验证手段和方法完备，有稳定的元器件供货渠道。

2 美国宇航级混合集成电路发展现状

美国列入QML（合格供应商名录）有39家公司，涉及到军用混合集成电路生产线约50条，其中宇航级生产线有14条（表1）。美国宇航级混合集成电路的研制及生产技术处于国际领先地位，从成膜技术、组装技术、电路技术，到产品标准、可靠性研究等方面形成了相当完整的体系，建立了完整的宇航级混合集成电路标准体系，也是欧洲、日本、巴西等制定本国宇航级混合集成电路标准体系的重要依据。

随着科学技术的进步，美军对军用混合集成电路产品标准和质量的认识也不断深入，自1989年MILPPF-38534《混合微电路总规范》标准发布以来，经过连续不断的修改，现已更新为H版，控制特点与要求主要体现在设计控制、来料控制、过程控制、筛选和QML鉴定检验、质量一致性检验、抗辐照要求等方面[1]。

3 欧洲宇航级混合集成电路发展现状

欧洲航天局ESA能力认证的混合集成电路生产线共有11条（表2），产品涉及功率混合集成电路、微波混合集成电路、存储器和多芯片组件（MCM）等。

表1 美国宇航级（K级）混合集成电路制造商及生产线

表2 欧航局认证HIC、MCM生产商

欧航局ESA已经建立了完整的宇航标准体系，在其ECSS-Q-60-05C《混合型微电路的普通采购要求》中详细规定了混合集成电路产品设计、制造、试验和认证的程序和要求。通过ESA认证的QPL（合格产品目录）、QML（合格供应商目录）分别记录在《欧洲优选元器件目录（EPPL）及其管理（ECSS-Q-60-01）》、《ESCC合格元器件目录（ESCC QPL）》中[2]。

2004年，欧洲开始实施欧洲元器件创新计划（ECI），意在解决宇航元器件在欧洲的可获得性，增加合格制造商的数量，扭转欧洲元器件与制造商逐渐减少的趋势，计划目标是欧洲卫星平台使用的电子元器件自主保障率由25%（2006年）提高到50%（2017年）。计划分几个阶段进行，ECIECI一期（2004年～2010年）以“Pin to Pin”兼容替代美国ITAR器件为目标，重点器件包括功率MOSFET、熔断器、RF MMIC、混合器、锁相环、1553总线、LEON 2处理器等。ECI二期（2009年～2011年）以“竞争力的替代品（成本和上市时间）”为目标，重点器件包括MMIC、锁相环、电容器、熔断器、光连接器、FPGA等。ECI三期（2011年～2014年）已经提升到“器件和技术的战略层面”，核心研究内容涉及深亚微米（DSM）、大容量FPGA、高引出端组装技术等[6]。

4 日本宇航级混合集成电路发展现状

在日本JAXA QML中共列入44家元器件制造商，产品包括DC/DC变换器、电容、电阻、半导体器件、传感器、硅太阳能电池等，其中涉及宇航级混合集成电路制造的企业只有日本AVIO FUKUSHIMA公司，共有2个宇航级产品，分别是JAXA 2020 00051型母线DC/DC变换器和JAXA2020/01011DBCR型POL式DC/DC变换器[4,5]。

在宇航标准方面，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）标准体系已经被美国国家航空航天局（NASA）、欧洲等国际宇航机构认可，按照此标准体系鉴定合格的产品已经进入NASA的元器件选用目录（NPSl：NASA Part Select List）、欧洲的元器件优选目录（EPPL，Europe Prefer Part List）中；在ECSS-Q-60B中，合格元器件包括了按照JAXA标准体系进行鉴定并判为合格的元器件。2008年4月，JAXA为了确保宇航用元器件的稳定，开始了“宇航用器件综合对策”活动，并积极开展与ESA的合作，与ESA（欧洲航空局）签定了JAXA-ESA元器件合作协议，共同研发高端宇航产品。表3是ESA与JAXA在宇航级混合集成电路方面开展的技术合作计划[6]。

5 国外宇航级混合集成电路产品种类与水平

欧美发达国家通用和定制的混合集成电路产品设计和工艺制造技术水平发展很快，质量等级完全达到宇航级（K级）要求，有很强的产品抗辐照能力，已经具备批量稳定生产能力和使用保障能力，典型产品的技术成熟度达到九级。

表3 日本欧洲合作项目计划中开发的产品

5.1 Interpoint公司

图1 Interpoint公司典型的宇航级抗辐照产品

Interpoint公司宇航级产品主要是DC/DC变换器，8大系列58个品种，其工作温度范围为–55～125 ℃，最大功率输出为100 W，最小功率输出仅有1.5 W，最高工作效率达87%，最高开关频率达600 kHz。抗辐照加固最高等级达到300 kRad（Si）总剂量，单粒子翻转（SEU）达到60 MeV·cm·mg-1。

5.2 Aeroflex Microelectronic Solution

图2 ACT5108/5109无刷DC电机驱动器

Aeroflex公司在微电子封装领域一直处于领先地位。其生产的无刷直流电机驱动器具有500 V DC、50 A高功率输出级和低功率数字输入及门驱动级，特别是ACT5108/5109型抗辐射加固电机驱动器，抗辐射加固达到300 kRad（Si），3×1012中子数，剂量率3.5×1010Rad（Si）·s-1（20 ns脉冲），工作壳温-55～125 ℃，可靠性质量等级达到K级，封装形式为扁平封装-30引线，尺寸86.36 mm×53.34 mm×9.40 mm。

5.3 International Rectifier Corporation

国际整流器公司（IR）的宇航级产品分为耐辐射级和抗辐射加固级两大类别，共计有12大系列129个品种。其工作温度范围为–55～125 ℃，最大功率输出为100 W，最小功率输出仅有5 W，效率最高达88%，开关频率最高达600 kHz，最小输出电压仅有1.5 W。抗辐照加固最高等级达到1 000 kRad（Si）总剂量，单粒子效应（SEE）达到83 MeV·cm2·mg-1。

图3 IR公司星用抗辐照电源产品

5.4 Natel Engineering Company，Inc

美国Natel公司是美国国防供应部的重要微电子供应商，产品包括用于卫星的七路DC/DC变换器、同步-数字和数字-同步变换器、模-数和数-模变换器、用于航天的抗辐射加固功率混合电路、用于国防中电源的抗辐射加固功率混合电路、用于计算机和自动测试设备（ATE）市场的低成本MCM组件、RF/微波组件。采用Natel产品的各种项目包括毒刺和爱国者导弹、B1B、F15、F16、F/A18、Hawk、Aegis、Milstar、波音747等。

6 未来国际宇航混合集成电路发展趋势

根据对美国、日本、俄罗斯、法国等先进电子元器件总体技术水平和发展趋势的分析，国际混合集成电路技术发展有几大趋势。

6.1 更高可靠性

随着深空探测活动的深入发展，对电子元件提出了更高的可靠性要求。美国空军研究实验室（AFRL）的一项航天计划重要研究内容就是系统地认识空间恶劣环境对电子元件的影响，提高材料的抗辐射加固性，从根本上弄清楚电子元件内部因辐射导致故障的内在机理，以期为美国国防部未来的空间任务做准备。

6.2 更高功率密度

在未来的武器装备中，功率混合集成电路是必不可少的关键器件。对于大功率应用场合，单片集成电路已不能胜任，功率混合电路是唯一的解决方案。与以往体积笨重、性能一般的大功率模块电源相比，以微砖、半砖、全砖封装形式为代表的高功率密度模块电源，效率提高到95%以上，同时优异的热设计带来更低的温升及更高的可靠性。

6.3 高频化

高频化是指高密度组件应用向微波、毫米波领域不断扩展的趋势，如基于SiP的DBF通道接收机天线系统、相控阵雷达T/R组件等，雷达、卫星通讯、移动通讯、无线局域网等是未来高密度组装应用最为活跃的领域之一。

6.4 高密度系统集成

高密度系统集成是国际上发展最为迅速的一项技术，它将无源元件、数字电路、模拟电路、微波单片集成电路以及MEMS、光电子器件等多个功能模块集成在一个封装结构中，实现电子系统小型化、高性能、多功能、高可靠性和低成本。基板布线的层数将进一步提高，更多的无源元件被做在基板内部，三维组装技术将更加成熟和实用化。

7 结论

中国宇航级混合集成电路研究工作于20世纪90年代末才开始，研制单位包括中国电科43所、航天771所、航天510所等。目前已经在宇航混合集成电路设计、工艺、标准、试验、元器件评价等方面取得了进展，抗辐照能力和质量水平得到明显的提升，抗总剂量水平已经达到200 kRad（Si）、单粒子75 MeV·cm2·mg-1。与发达国家相比，中国在宇航混合集成电路的标准体系、性能指标、可靠性等级、集成密度等方面存在差距，也没有形成系列化、标准化，高端产品仍然依赖进口。

近几年，国际航天元器件正在发生一些新的变化。通常航天用元器件都是从用于军用系统的高可靠元器件中选择，但是这种资源已急剧减少，原因是军费预算的削减和许多高可靠元器件生产商已陆续从这个应用领域撤出，转向迅速增长的民用市场。国外开始选用一些可靠性高的民用产品替代价格昂贵的宇航产品。这些变化也将直接影响到中国宇航产品的发展。我们应学习和参考国外宇航产品发展的成功经验，借助载人航天的大好形势，努力构建自主、安全、可控的国产宇航级产品研发环境，全面建立设计平台、产品标准、元器件评价、制造工艺、应用验证、可靠性评价等完备的宇航混合集成电路研发体系。

[1]QML-38534-52,05-Apr-05,Defense Supply Center.Columbus Sourcing and Qualification Unit [Z].Hybrid Devices Team,DSCC-VQH.

[2]ECSS-Q-ST-60-05C Rev.1.Space product assurance Generic procurement requirements for hybrids [Z].2009.

[3]GBA-99010C,October 2004,Standards for Electrical.Electronic and Electromechanical（EEE）Parts Program[Z].Japan Aerospace Exploration Agency.

[4]JAXA2020/00051DACR.DC/DC Converter,Parts catalog of JAXA EEE parts database.

[5]JAXA2020/01011DBCR.POL DC/DC Converter,Parts catalog of JAXA EEE parts database.

[6]K Miller.The European Components Initiative（ECI）and technology non dependence for ESA programmes [Z].ESCCON 2013.

[7]Jeannette Plante,NASA戈达德航天飞行中心.宇航用高可靠DC-DC变换器指南[C].美国军用和宇航元器件会议，2008.

[8]Don Apte，微波技术（MwT）公司.混合、单片集成电路高频气密性封装在军事和宇航领域的应用[C].美国军用和宇航元器件会议，2009.

[9]Frank Muscolino，Austin Semiconductor，Inc.新型混合集成系统[C].美国军用和宇航元器件会议，2009.

[10]欧洲宇航元器件自主发展[J].国际宇航元器件发展态势，2011,（3）.

[11]朱新忠，章斌，黄晓莹.宇航型号电子产品关键元器件需求分析[C].第二届航天元器件发展论坛，2011.

[12]姚莉，王敬贤，蔡娜.国内外航天关键元器件发展初探[J].航天标准化，2013,（1）.