后摩尔时代雷达对抗装备集成化发展

金宝龙,陈建平

(1.中国电子科技集团公司第51研究所，上海 201802;2.海军驻上海地区电子设备军事代表室,上海 201802)



后摩尔时代雷达对抗装备集成化发展

金宝龙1,陈建平2

(1.中国电子科技集团公司第51研究所，上海 201802;2.海军驻上海地区电子设备军事代表室,上海 201802)

国际半导体技术发展路线图(ITRS)显示，遵循持续摩尔(More Moore)发展的数字集成电路、片上系统(SoC)和遵循超越摩尔(More than Moore)发展的多样化功能集成电路、系统级封装(SiP)是实现更高价值系统的双引擎。构成电子系统的多种功能模块均迎来了半导体集成工艺时代。提出电子系统来到了泛集成、后摩尔时代的概念，随后讨论了雷达对抗装备集成化发展趋势及几种主要的射频电路集成技术，提示了未来发展的重点。

超越摩尔；雷达对抗装备；集成化

0 引 言

随着半导体集成电路工艺技术按照特征尺寸等比例缩小的进一步发展，硅互补金属氧化物半导体(CMOS)技术在速度、集成度、功耗、投入成本等方面都受到一系列基本物理特性、物理尺度极限、投入产出性价比等的限制，摩尔定律受到挑战。一味追求集成电路晶体管密度和芯片规模，带来了巨大的技术和经济风险。

如图1，国际半导体技术发展路线图[1]显示：更高价值的电子系统的实现需要片上系统(SoC)和系统级封装(SiP)技术的组合。这里的SoC指的是采用CMOS技术实现的中央处理器(CPU)、存储器、逻辑电路等数字域信息处理和存储片上系统，其遵循持续摩尔(More Moore)，追求更小特征尺寸的半导体集成工艺，从目前的数十纳米量级，向着数纳米量级奔进，并可能“跨越CMOS”(Beyond CMOS)进入纳米器件电路。而系统级封装(SiP)指的是模拟/射频、无源、高压/电源、传感激励、生物逻辑等传统非数字、多样化功能电路的集成，以及在此基础上的多功能系统级混合封装, 其遵循的是所谓超越摩尔(More than Moore)。超越摩尔的实际涵义是：跳出摩尔定律一味追求更小工艺特征尺寸、不断挑战工艺极限、提高电路集成度的思维，主张利用已有半导体成熟工艺，追求多样化功能电路的芯片集成和多芯片的系统级封装集成。

图1 国际半导体技术发展路线图

国际半导体技术发展路线图显示出的这种电子系统数字信息处理和存储功能按照持续摩尔路径继续提高集成度；电子系统非数字信息处理和存储功能的其他各种功能(传感、执行、模拟/射频、无源、高压/电源、传感激励、生物芯片等)电路，按照超越摩尔理念，在成熟的半导体工艺上实现芯片集成、三维(3D)集成、多芯片系统级封装。这些“跨域摩尔”、“拓展摩尔”的多样化功能电路集成发展，告知世人半导体集成工艺技术正在向电子系统各功能电路领域渗透。

观察当今各种电子系统各功能模块的集成水平，不难发现其中数字信息处理和存储功能电路的集成度遥遥领先。多样化功能电路集成使电子系统小型化、集成化的重点从数字处理和存储功能电路转移到信息感知、模拟和执行等其他功能电路的集成，可以说电子系统来到了众多功能电路均采用半导体集成工艺实现的时代，来到了持续摩尔、超越摩尔双驱动的泛集成、后摩尔时代。

1 雷达对抗装备集成化发展趋势及集成技术

雷达对抗装备作为众多电子系统的一种，泛集成的趋势也非常明显，除了在数字信息处理存储领域不断采用新型大规模数字芯片和SiP技术外，在射频微波领域，各种集成新器材、新技术层出不穷，采用半导体工艺、封装工艺实现设备接收、处理、发射等各种功能模块的集成小型化、微系统化。

在追求上述装备多种功能模块物理尺度小型集成的同时，一代器材推动一代系统，雷达对抗装备还呈现出与其他电子系统的一体化综合集成趋势，从电子装备系统顶层进行技术体制架构上的优化和综合集成，以期用较少的资源实现具有雷达、通信、对抗、识别等多种系统功能的一体化装备。

概而言之，已形成了雷达对抗装备体制架构设计综合集成和装备具体组成功能模块(尤其是微波射频电路)物理尺度集成2个方面的发展趋势。系统综合集成牵引功能模块实物的集成，功能模块实物集成水平的不断提升又给电子装备一体化系统综合集成打开了新的发展空间。

1.1 与其他电子系统的一体化综合集成[2-3]

电磁波谱各频段技术的进展及广泛应用使得战场电磁领域的斗争和博弈日趋复杂，其广度和深度前所未有，反映到电子装备的建设上，即是在诸如军舰、战斗机等作战平台上，在电磁波谱的多个频段上，探测与反探测、制导与反制导、识别与反识别、通信与反通信等各种设备层出不穷，雷达、通信、光电设备、电子战设备等各种电子系统越来越多，电子装备组成越来越复杂庞大，从而使得这些作战平台越来越不堪重负。

平台上各类设备的天线也越来越多，大大增加了作战平台的雷达反射截面积，与当今时代隐身、机动、先敌发现、先敌打击的战场生存、取胜法则相悖。另外，众多的电子信息设备各自为战，还带来了各种设备间的电磁干扰；各个设备需要各自的操作和维护人员以及各自的备件，带来人力物力的消耗；多种装备获得的信息不能快速有效地融合形成有用的指挥信息。所以对电子装备(含雷达对抗装备)多功能综合一体化的发展要求空前强烈，也形成了雷达-对抗-通信综合一体化设计、集成桅杆设计、多功能射频综合设计等综合集成发展趋势。

雷达、通信、导航、识别、电子战等电子系统均由天线、射频前端、信号数据处理、显示输出几大模块组成，是系统综合集成的基础。美海军先后开展的先进共享孔径项目(ASAP)、先进多功能射频系统(AMRFS)项目、先进多功能射频概念(AMRFC)项目、一体化桅杆(InTop)计划，美空军先后开展的宝石柱(PAVE PILLAR)计划、宝石台(PAVE PACE)计划、综合传感器系统(ISS)计划、多功能综合射频系统(MIRFS)计划，从天线孔径共用、射频信道共用、数字处理共用，到系统软件架构、总线设计，开展了广泛的综合集成研究。

1.2 微波射频电路集成技术

在电子系统一体化综合集成设计，多种功能复用，尽可能减少设备量的同时，各功能模块实现的半导体工艺集成化也日趋明显，同时也反过来进一步推动了一体化进程。与信号数据处理存储功能电路相比，目前雷达对抗装备射频前端等功能的集成度大为逊色，是进一步提高装备小型化、集成化的关键所在。射频MEMS(微机电) 功能集成电路、射频前端SoC、3D射频集成、SiP、微波多芯片模块(MMCM)、三维微波多芯片模块(3D-MMCM)等集成技术是当前推动微波射频电路功能模块小型化的几种主要集成技术。

(1) 微机电系统(MEMS)技术[4]

MEMS技术是典型的遵循所谓More than Moore理念发展的一种半导体工艺集成技术，也是实现微系统的基础技术，近年来发展迅速，其产品覆盖感知和控制外界信息(力、热、光、生、磁、化等)的传感器和执行器，以及进行信号处理和控制的微电路，主要产品有MEMS压力传感器、加速度传感器、微陀螺、射频MEMS、微流体MEMS等。

射频MEMS是雷达对抗装备中应用最广的MEMS产品，主要有MEMS的电容、电感、传输线、开关、滤波器、移相器、开关滤波器组合、开关网络、压控振荡器等。目前MEMS滤波器是雷达对抗装备中应用最多的MEMS产品，其具有的高Q、小体积等特性有效地减小了相关电路模块的体积和重量。进一步的工作是扩展多种射频MEMS器件片内集成，以及与更多其他功能电路的三维异质集成。

在雷达对抗孔径共享发展中，可重构阵列天线是其中重要的一环，基于MEMS开关、移相器等器件的小尺寸、低损耗、低功耗等特点，应该有着良好的应用前景。

MEMS技术是实现微系统的基础技术，随着基于此技术的各种微机电功能的开发，微型飞行器、微型干扰机等综合了大规模硅CMOS、3D IC、MEMS技术的微系统“蜂群”装备不久将呈现在人们面前，与大型一体化综合集成电子装备发展交相辉映。

(2) SoC、SiP技术[5-7]

片上系统(SoC)是同质芯片材料基体上实现的系统级集成，原来通常是指遵循More Moore发展的数字集成电路。随着半导体工艺的发展，在同质单基片实现了射频(RF)前端与数字基带系统级集成，即RF SoC，这种新概念产品已能替代部分微波多芯片模块(MMCM)，将大大减少整机系统的器件数量和所占面积及体积。集成电路制造工艺的提升为RF SoC的实现提供了技术保证，如前所述也带来了设计、制造、工艺等成本的快速上升，因此超越摩尔的3D射频集成电路(3D RF IC)应运而生，采用超大规模集成硅基工艺，利用穿透硅通孔(TSV)技术实现垂直互联三维集成，增加集成密度，获得功能更多更强、外形尺寸更小的片上系统。

SiP通常是指将多款不同材质芯片、元件在一个封装中集成，构成系统功能模块的一种技术，其优势是兼容不同制造工艺技术的集成芯片和无源元件(包括硅、砷化镓等模拟、射频、数字集成芯片、MEMS等)，基板材料有低温共烧陶瓷(LTCC)、硅、FR4、液晶聚合物(LCP)等，它是多样化功能电路集成发展后多功能集成的必然。雷达对抗装备中从天线接收到数/模量化，微波信号的限幅、滤波、分配、放大、控制、量化等功能芯片、器件，往往分别实现于不同的基片材料，通过系统仿真设计，采用封装工艺将上述各种功能集成于一个物理实体内，实现射频系统级的封装。

在雷达对抗装备中，数字信号处理与存储系统目前都采用数片大规模集成芯片，也有为进一步减小尺寸、降低功耗，提升信号传输质量而去除原封装，进行二次集成设计，实现同材质数字电路的系统级封装(SiP)。

由于各种功能电路需要相应的材料特性支撑，随着市场牵引和工艺技术的进步以及各种具有优异性能的新材料的不断推出，如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、石墨烯等，SoC、SiP所覆盖的功能电路也在不断变化和扩展中。虽然已有SoC集成了射频和数模电路，甚至有了3D RF IC，但在考虑电性能、成本、设计灵活性等诸因素后，采用不同的工艺分别实现各种射频和数模电路，再采用SiP技术实现整个射频接收功能模块更为经济和实用。

三维微波多芯片模块(3D-MMCM)是射频SiP技术之一，是先将MMIC(单片微波集成电路)和微小型片式元件高密度组装在微波互联基板上，形成二维微波多芯片模块(MMCM)，再采用多MMCM层叠集成、微波垂直互联，实现更多功能的集成。微波垂直互联是其中的核心技术之一。同样是三维集成，SiP中的垂直互联传输线，其电长度将远大于3D RF IC中的连线，如何实现微波垂直互联的小型、宽带、低损耗、高可靠是关键。常用的微波垂直互联技术有基于毛钮扣结构的无焊接垂直互联和基于环氧树脂包封的垂直互联。前者采用同轴或三线形式与基板上的共面传输线相连；后者采用包封端面侧面金属化后刻蚀垂直共面波导实现。

2 结束语

国际半导体技术发展路线图显示的持续摩尔、超越摩尔发展路径，半导体集成工艺突破传统的数字处理、信息存储功能，渗透到电子系统的众多其他功能模块，其广泛应用正创造出更新颖、更高价值的电子系统。在这一大趋势下，雷达对抗装备与其他电子装备的一体化综合集成正随着系统综合集成设计的不断提升和完善，以及硅CMOS、SoC、MEMS、SiP等集成技术沿着More Moore、More than Moore的发展进程而得以完美实现。对于国内中小型雷达对抗整机研究所，必将面临着如何主动融合到电子装备一体化发展潮流，把握顶层系统综合设计潮流和提升MEMS、SoC应用水平，提升SiP集成设计及工艺能力的考验。

[1] 黄庆红，周润玺(译、校).国际半导体技术发展路线图(ITRS)2011版综述[J].中国集成电路，2012(9)：13- 28.

[2] 张明友.雷达-电子战-通信一体化概论[M].北京：国防工业出版社，2010.

[3] 吴远斌.多功能射频综合一体化技术的研究[J].现代雷达，2013，35(8):70-74.

[4] 李胜先.RF MEMS 技术现状及主要问题[J].空间电子技术，2012，9(4):6-13.

[5] 李明.雷达射频集成电路的发展及应用[J].现代雷达，2012，34(9):8-15.

[6] 严伟，吴金财，郑伟.三维微波多芯片组件垂直微波互联技术[J].微波学报，2012，28(5):1-6.

[7] 徐锐敏，陈志凯，赵伟.微波集成电路的发展趋势[J].微波学报，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