军用微电子技术发展现状及趋势分析

微电子技术是实现武器装备电子化、智能化、综合化的重要基础技术。微电子产品以其体积小、重量轻、稳定可靠、功耗小、成本低等优点广泛应用于卫星通信、高速计算机、精确制导、预警探测、情报侦察、电子对抗、智能火控等军事装备中。它对整个军事高技术进步和武器装备发展起着巨大的推动作用，其发展水平、速度和规模已成为衡量一个国家军事技术进步和武器装备水平的重要标志。

1 专用集成电路（ASIC）

    专用集成电路（ASIC），是指按特定用户要求和特定电子系统的需要而设计制造的集成电路。ASIC的出现，解决了集成电路产业中通用与专用的矛盾、设计与制造技术分离以及生产厂家的规模生产与整机厂家性能特殊化的矛盾。用户参与设计，是ASIC的主要特点。另外，ASIC具有很强的保密性，很适合军事应用。

    20 世纪80年代以来，世界ASIC技术与产品发展很快。目前ASIC在总的IC市场中的占有率已达20%。尤其是ASIC在军事方面的应用发挥了特有的优势，其高可靠、低功耗、抗辐射、多品种、快周期等特点受到极大重视，各国军方投入不少力量进行开发，因而，促进了ASIC的发展。以美国为例，军用 ASIC在军用集成电路中的比例目前已占1/4强。

    纵观国外ASIC的发展现状，有以下几方面值得关注：

1.1 标准工艺线（Foundry）向亚微米和深亚微米发展

80 年代中期，ASIC通常采用2μm技术，到80年代后期进入1.5μm技术。90年代初1μm技术产品已占绝大多数，0.8μm技术开始用于生产 ASIC。90年代中期开始步入深亚微米工艺，进入21世纪初已朝0.2μm发展。随着微细加工技术的发展，ASIC的规模越来越大，功能越来越强。 ASIC的规模从80年代初的３mm千门级，逐步发展到2mm万门级，1mm十万门级，0.8mm二十万门级，0.5mm五十万门级，0.35mm百万门级，目前正朝0.25mm千万门级发展。

MOS工艺仍是ASIC的主流工艺。目前CMOS门阵列规模已达百万门以上，原来的2层金属布线已不能满足要求。现有ASIC工艺生产水平已达3～4层布线，下一步将向5层以上发展。

1.2 可编程ASIC发展迅猛

可编程ASIC包括可编程逻辑器件（PLD）和现场可编程门阵列（FPGA），它们是通过对器件进行编程来实现ASIC的要求，即用户向半导体厂家购得通用的可编程器件，由自己通过CAD软件对器件内部功能进行配置，实现用户的专用要求，达到电子系统集成化的目的。利用PLD和FPGA的可编程特性，可大大缩短电子系统的设计周期，降低设计成本，显著增强电子系统功能的适应性和灵活性。

1.3 ASIC已向SOC方向发展

     在当今VLSI技术的带动下，ASIC技术在密度和性能上都有了非常大的进步。随着单片密度的不断提高，可编程ASIC进入了单片系统集成（SOC）时代。这就要求芯片具有系统级的功能，如具有片上RAM、总线、时钟及控制网络等，近几年开发的一些FPGA芯片已在系统集成方面取得了很大的进展。与此同时，ASIC的动态配置性也取得了突破性进展。

    ASIC的硬件可配置性对SOC的发展起到了极大推动作用。目前的ASIC设计从主要着眼于数字逻辑向模拟电路和数模混合信号电路方向发展。可编程模拟电路技术的进一步研究和开发，对同时具有数字电路和模拟电路的SOC的功能的完整实现将起关键作用。

2 化合物半导体材料、器件及电路

砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、硅锗（SiGe）单晶性能优异，适用于高速、高频、高温和大功率电子器件，是制作高性能微波和毫米波器件及电路的优良材料，广泛应用于相控阵雷达、电子对抗、卫星通信、移动通信等领域，具有广阔的军民两用市场和发展前景，对发展微电子工业起着关键作用。

2.1 GaAs技术的发展现状与趋势

GaAs是当前微电子工业重要的支撑材料之一，其主要特点是宽禁带、直接带隙和高电子迁移率(其电子迁移率比Si高7倍)，因而更适合用于制作高速、高频、大功率电子器件，而且器件的抗电磁辐射能力强，工作温度范围宽，在恶劣的军事环境可谓是一种优选的应用器件。

GaAs 高电子迁移率晶体管(GaAs HEMT)结构独特，且具有高功率增益、高效率、低功耗等特点，其工艺和GaAs 金属半导体场效应晶体管（MESFET）兼容， 因此，HEMT器件将逐渐取代MESFET，在微波毫米波功率应用中越来越引人注目，其中赝配高电子迁移率晶体管（PHEMT）的表现尤为特殊，特别是90年代采用平面掺杂和双GaAs HEMT掺杂对PHEMT电子提供层进行了改进，使得PHEMT在功率方面又上一个台阶，已成为微波毫米波功率应用的主流。但由于GaAs MESFET器件工艺均比其他器件更为成熟，所以目前和今后一段时期内，在5～30GHz范围的功率应用中，仍以GaAs功率MESFET为首选器件。目前GaAs功率MESFET的研究开发工作仍在向纵深方向发展，即高频率、高功率、高可靠性、宽带化。

GaAs 异质结双极晶体管（GaAs HBT）不仅其频率、速度特性优于Si双极晶体管，而与GaAs FET比，又具有跨导高、 输出电导低、电流处理能力强等特点，因此很适合微波毫米波功率应用。近几年来HBT取得很大进展，用各种材料制作的HBT不断涌现，性能不断提高，应用范围已由民用扩展到军事领域。为了达到高可靠和小型化的目的，将来有必要对现行的行波管进行固态化，而具有高功率密度的HBT很适合大功率要求。目前，对HBT应用在X-K波段（8～26GHz）的需求日益增长，由于它具有高功率密度、高工作电压、高效率以及高线性度，使其成为替代以往在此频带内的射频功率行波管的最佳候选。 HBT的体积小、成本低，成为卫星通信系统中极具优势的器件。

GaAs 集成电路是在半绝缘砷化镓（SI-GaAs）晶片上直接进行离子注入或以GaAs晶片作衬底生长外延层来制作的。因此，SI-GaAs质量的好坏对GaAs MMIC的性能和成品率有着重要影响。

目前2英寸和3英寸的SI-GaAs在国外工业生产中已不使用，4英寸的SI-GaAs已形成高技术产业，可大规模生产，并进入主流的应用领域。为提高 GaAs MMIC的性能价格比，开发民用市场，研制更大直径优质的SI-GaAs材料已成为目前国际发展的明显趋势。2001年美国在6英寸SI- GaAs的研制方面有比较大的突破，重点解决了长期以来困扰着人们的应力问题，从而促进了6英寸SI-GaAs商品化进程，进一步推动了 GaAs MMIC的市场发展。

2.2 InP技术的发展现状与趋势

InP单晶生长和工艺技术几乎与GaAs同时开始，发展很快，目前研究的重点主要集中在以下几个方面：①发展大直径InP单晶制备技术，降低成本。②降低大直径InP单晶的位错密度。除了采用等电子杂质掺杂降低位错密度外，国外又发展了与GaAs类似的技术，如全覆盖液封直拉（FEC）、垂直梯度凝固技术(VGF)和汽压可控直拉（VCZ）等工艺。③完善 4英寸的InP晶片制备技术。④发展InP多晶的直接合成技术，简化合成工艺、降低成本。

随着近几年对InP器件的大力开发和研制，InP HEMT已成毫米波高端应用的支柱产品。InP HBT有望在大功率、低电压等方面开拓应用市场，拥有更广的应用领域。所以，世界著名的几大公司都在竞相开发InP器件及电路，以争夺微电子领域的制高点。

目前以美国的TRW公司和法国的电子研究所最引人注目。最近，TRW公司开发了一种微波InP功率放大器芯片，获得了在20GHz以上工作的MMIC功率密度的最高值（在23GHz下功率密度为360mW/mm2），至少是其它任何功率放大器的2倍，该芯片的输出功率为400mW。AFRL宇航元件和子系统技术部的主任Tim Kemerley说：“这为应用于空间基站和航空雷达的先进功率效率有源孔径铺平了道路。这些航空雷达系统将需要高效发射放大器，以及新颖的天线封装和集成方法，来满足多功能特性、重量轻、体积小和适宜的成本。”

TRW公司制作的InP基DHBT MMIC功率放大器，在21GHz下输出功率为0.5W，PAE为40％。InP基HBT分布放大器，工作频带50MHz～55GHz，这是当今双极管放大器达到的最宽频带和最高工作频率。

2.3 SiGe技术的发展现状与趋势

由于SiGe优异的材料特性，并且同成熟的Si工艺相兼容，因而具有重要的技术应用价值，被认为是第二代Si材料，在电子和光电子半导体器件中得到了广泛的应用。

SiGe 器件和电路的研究主要集中在SiGe HBT结构。SiGe HBT是在Si衬底上的异质结双极晶体管，基区材料是SiGe。与GaAs HBT相似，它的基区薄层电阻较低，其性能与Si 双极结型晶体管（BJT）非常相似。所以，SiGe HBT可以认为是一种被改进的Si BJT。在应用中， SiGe HBT与Si BJT一样也存在相同的限制。

3 宽禁带半导体SiC和GaN

被誉为第三代半导体材料的SiC、GaN、金刚石、AlN和ZnSe等宽禁带（宽带隙）半导体，具有高击穿电场、高热导率，明显高于其他材料的电子饱和速率和极佳的抗辐射能力，非常适合制作高温、高频和大功率电子器件，以及蓝绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。

3.1 技术现状与发展趋势

在现今已开发的宽禁带半导体中，SiC是技术最成熟的一种。它能耐500℃以上的高温，1200V以上的电压，具有功率大、电流强、功耗低、频率高的特点，适合大型牵引电气设备系统、火车、汽车的电气设备、军用武器装备系统、航空航天、导弹、火箭电气设备系统等应用，其耐恶劣环境的特性是Si 和GaAs等传统半导体所无法比拟的。另外，SiC的禁带宽度大，故可作为可见光短波长区域的发光材料。

GaN技术是目前高温半导体研究的另一个热点。GaN材料的宽禁带特点保证了它在高温、大功率以及紫外光探测器等领域中广阔的应用前景。它具有高可靠、高效率、快速响应、长寿命、全固体化、体积小的优点，将在宇宙飞船、火箭羽烟探测、大气探测、火灾等领域内发挥重大作用。

生长GaN体单晶很困难，所以一直用卤化物气相外延（HVPE）法生长。在众多的外延生长技术中，金属有机物化学汽相淀积(MOCVD)及分子束外延生长(MBE)技术已成为主流技术。

迄今，采用SiC材料研制的主要器件有SiC功率MOSFET、结型场效应晶体管（JFET）、二极管、发光二极管（LED）和双极晶体管等。

GaN 的特性决定了它作为发光器件具有广阔的应用前景。尽管GaN与Si和GaAs相比，其晶体生长和制作前景还很不成熟，但目前其器件已开始进入市场。由于衬底质量对光电子器件的影响比对电子器件的影响小，所以光电子器件率先进入市场。目前，GaN单量子阱蓝光和绿光LED已大批量生产。1996年， Nichia公司又首次推出了白光LED，白光LED用于室内照明还需要几年时间，但其潜力不可低估。在光接收器件方面，GaN已成为紫外光探测器最理想的半导体材料。1997年APA光学公司的Osinsky等人研制了p-p-n  GaN光探测器，并于1998年又在Si（111）衬底上研制了GaN 肖特基势垒探测器。同年，该公司推出了世界上第一个商品化的GaN紫外光探测器系列，它们是在蓝宝石衬底上采用GaN肖特基二极管制作而成的。总的来看， GaN在紫外光探测器应用方面的研究还刚刚开始，随着GaN材料系列在光发射器件及FET领域取得重大突破，必将会带动GaN光探测器的发展。

此外，在GaN MESFET、HFET、HEMT和MMIC以及HBT等器件的研发方面，也不断推出新的成果。

3.2 应用前景

    90年代以来SiC已取得了许多不凡的成就。现今在某些领域SiC器件已可替代Si和GaAs器件。

美国的联合作战科学技术计划指出，未来的联合战区导弹防御（JTMD）系统中需要的关键技术包括大功率T/R模块，主要是用于X波段雷达。研制实用毫米波雷达的全固态化，SiC和GaN器件是当之无愧的重要角色之一。美国海军已采用SiC晶体管开发了540kW的雷达发射机。

    SiC 器件很强的抗辐射能力极具军用价值，例如测量恶劣（高温、腐蚀性）环境参数的传感器用的耐高温、耐腐蚀性材料，目前SiC是最好的选择之一。已开发出的 SiC传感器有：高温温度传感器、高温气体传感器、高温压力传感器等。这些高温传感器很适合探测和监控涡轮机、火箭发动机、内燃机等的工作参数，以改善机器的工作状态，提高机器性能和效率。

    GaN军事应用包括雷达系统(舰载、机载和地面)与高性能空间系统；商用领域包括基站发射机、C波段卫星通信、Ku-K波段甚小天线地球站(VSAT)与宽带卫星。在未来十年中，GaN将成为市场增长最快的半导体材料，到2006年将达到30 亿美元的年产值，占化合物半导体材料市场总额的20％左右。

LED是GaN基半导体中发展较为成熟的器件，它的应用领域主要是显示系统和照明。目前许多大公司都已经开始大批量商品生产。蓝、绿光LD（二极管激光器）已进入到实用阶段，它有望用做电发光显示、激光打印机、高密度激光存储媒质和光通信系统的光源。GaN基光探测器的潜在应用主要包括火焰传感、臭氧监测、污染监测、血液分析、水银灯消毒监控、激光探测器和其他要求具有太阳盲区特性方面的应用。

GaN基电子器件的应用领域也极为广泛，有望在航空航天、高温辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子化等方面发挥作用。

4 多芯片组件封装技术

MCM 技术自诞生之日起就一直在以其所特有的布线密度高、互连线短、体积小、重量轻和性能优的特点受到世界各国电子系统厂商的重视，被广泛应用于计算机、通信、军事、航空/航天和汽车等诸多领域。美国一直十分重视MCM技术的开发并始终处于MCM技术开发与应用的前沿。美国国防部还将MCM列为90年代电子技术发展的重点之一。近年来，世界各大公司纷纷斥资开发MCM技术，均不甘心在该项技术上落后于其它国家或公司。统计资料显示，近年来世界MCM市场的年均增长率已超过35%，2001年的MCM销售额接近200亿美元。

目前普遍认为美国的IBM公司是世界第一块MCM的制造商，自1974年以来该公司一直在从事多种MCM产品的研究与开发。其产品已由最初的水冷热导组件（TCM）发展到2001年的世界最密集的 IBM eServer 2900 MCM。这期间IBM公司的许多MCM产品已应用于各种军事与民用系统。此外，美国Honeywell、日本京都陶瓷公司和NEC公司也都是最早从事MCM研究的企业。可以说，MCM的问世与发展首先始于美国和日本两国。而且该技术的主要应用是将最大程度提高芯片性能、减小系统尺寸和体积作为重要目标的军事、航空/航天及计算机领域。如数据处理器中，用5个MCM即可替代原来用的28个PCB，且系统性能可得到大幅度的提高；雷达信号处理系统中原来的12块电路板，如果采用MCM即可缩减至一块6x9英寸、只有6个MCM（每边3个）的标准航空电子组件（SAM）。

90 年代至今，MCM一直在飞速发展。高密度多层互连基板的设计、材料的选择是MCM最为重要的关键技术，它极大地影响着电路组件的体积、重量、可靠性和电性能。降低多层布线层间隔离介质的介电常数和布线电阻，减小布线宽度，提高多层互连的密度和可靠性以及多层基板的热导率是其中的几项研究课题。

    氧化铝陶瓷是MCM常用的多层基板材料，随着集成电路芯片集成度与速度的提高，功耗会逐步增大，因此金刚石和氮化铝等新型高导热材料将成为MCM理想的基板材料。

集成电路芯片互连既是MCM的最关键的技术之一，也是MCM研究中最热门的技术。目前，MCM芯片互连主要采用引线键合、载带自动键合（TAB）和倒装芯片等三种技术。