射频微系统的关键技术及其发展现状

来源：射频攻城狮

一、引言

小型化是微波毫米波集成电路与系统发展的必然趋势，集成技术是必由之路。从20世纪40年代雷达催生的波导立体电路，到60年代平面微波混合集成电路（HMIC），再到70年代砷化镓微波单片集成电路（MMIC），微波电路不断突破体积与性能瓶颈。90年代末，美国DARPA率先提出异构集成技术，将微电子、光电子、MEMS器件融合，形成微型化异构集成电路。随着硅通孔（TSV）、异质外延等技术的突破，片上系统（SoC）和系统级封装（SiP）为代表的第四代微波集成电路快速发展，实现了从“小型化”到“微型化”的跨越，这一代技术也被称为射频微系统。射频微系统采用异质异构集成工艺，将射频前端模块（收发、变频、天线等）进行2.5D/3D集成，在军用雷达、电子战、5G/6G通信、物联网及汽车雷达等领域拥有广阔前景。

图1 微波集成电路发展历程

二、国内外射频微系统研究现状

异质异构集成中的“异构”侧重于将不同工艺制造的芯片通过TSV、RDL和微凸点进行系统集成；“异质”则侧重在单一衬底上通过外延生长集成Si、GaAs、InP、GaN等不同材料。美国DARPA微系统技术办公室（MTO）布局了多项重大计划：2006年启动SMART项目（可扩展毫米波架构）和3D-MERFS项目；2007年启动COSMOS项目，实现Si上异质集成化合物半导体；2013年启动DAHI项目，开发多样化异质异构集成工艺与PDK平台，Northrop Grumman公司借此实现了InP HBT和GaN HEMT在Si CMOS上的集成，将混频器输出功率从8mW提升至3.4W。2017年启动电子复兴计划（ERI1.0）与CHIPS项目，推动“芯粒”（Chiplet）模块化集成，提高良率并降低成本。随后MIDAS项目发展18~50GHz多波束数字相控阵，2022年NGMM项目及2023年ERI2.0致力于构建三维异构集成（3DHI）公共平台，为射频微系统提供完善的设计与制造生态。

图2 DARPA射频微系统相关重点计划

欧洲自1987年开始布局3D集成，2006年启动e-CUBES项目建立3D-SiP平台，e-BRAINS项目整合纳米技术。我国自20世纪90年代起开展微系统基础研究，中国电科、航天科工组建射频微系统研发部门；2022年科技部重点研发计划“多芯片三维集成射频微系统研究”重点攻关低损耗TSV、多物理场建模与智能设计平台；2023年国家自然科学基金委启动“集成芯片前沿技术科学基础重大研究计划”，为芯粒集成提供理论支撑。

射频微系统主要分为不集成天线的FEM（前端收发组件）和集成天线的FE射频微系统。功率放大器以GaN器件为主流，毫米波频段InP和GaAs低噪声优势明显。2012年德国英飞凌采用eWLB工艺首次集成77GHz SiGe四通道收发芯片与4天线（图3）；2019年法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学基于高阻Si转接板实现了PMR/3GPP双模FEM微系统；2021年中电科38所设计7681GHz FMCW MIMO雷达，埋入玻璃扇出工艺集成2发8收天线；2022年上海交通大学基于BCB集成X波段锁相环、W波段SiGe芯片及GaN功放，实现94GHz FMCW射频前端（图6）；雷神公司提出可扩展瓦片式FEM微系统，基于BCB RDL与TSV转接板集成InP功放、低噪声放大器及32通道CMOS ASIC，工作于1850GHz。

典型集成案例

图3 基于eWLB工艺的77GHz FE微系统（英飞凌）

图4 集成3D电感的高阻SiP转接板FEM微系统（法国）

图5 2×8 MIMO eGFO封装AiP雷达（中电科38所）

图6 94GHz FMCW射频前端含电源（上海交通大学）

图7 可扩展瓦片式集成架构（雷神MIDAS项目）

三、射频微系统关键技术及其发展现状

射频微系统互连技术

互连是射频微系统的关键纽带，传输损耗、驻波、隔离度等直接影响系统性能。TSV互连中高阻Si转接板应用普遍，2008年南洋理工大学同轴TSV结构在10GHz损耗仅0.33dB/mm；基于玻璃通孔（TGV）的共形金属电镀工艺在10GHz插损低至0.14dB/mm。随着频率升高，BCB低介电常数材料与磁自组装TSV工艺在75GHz下插损控制在2.12dB/mm；2020年德国IHP制备BiCMOS内嵌环形TSV，240GHz/300GHz插损优于0.83dB/0.94dB。为减少串扰，韩国科学技术院提出保护环结构，1GHz处耦合噪声幅值降低53.5%，020GHz隔离度改善10dB以上；西安电子科技大学提出六边形硅通孔接地屏蔽结构，在020GHz串扰优化15dB。互连性能持续提升，微型化、低损耗仍是未来重点发展方向。

互连结构示意

图8 传统TGV与共形金属电镀TGV对比

图9 BiCMOS内嵌TSV结构（德国IHP）

图10 保护环结构及其等效电路模型（KAIST）

多物理场仿真与优化技术

射频微系统中电磁、热、力、流等多物理场耦合效应随集成密度提高愈加突出，且结构尺度跨越亚微米到厘米级（1:50000），仿真效率和精度成为瓶颈。目前主流平台包括直接耦合求解（COMSOL）与间接耦合求解（ANSYS）。上海交通大学开发了多场耦合仿真软件（2018），对无源/有源器件进行电-热耦合。模型驱动仿真近年备受关注：法国THALES构建协同设计平台，支持数字/电磁/热多专业协同及跨层级仿真；DARPA在DAHI项目中形成系统/功能单元/基础工艺协同设计方法；电子科技大学于2021年研制射频微系统可靠性分析软件（基于封装可靠性模型）；中电科55所采用器件-电路-系统级热仿真结合实现超宽带射频微系统热电设计。未来数据驱动和人工智能仿真方法有望极大提升效率，并走向设计-工艺协同优化（DTCO）及系统-工艺协同优化（STCO）。

协同仿真与多物理场

图11 射频微系统中多物理场耦合关系（电磁-热-力-流）

图12 法国THALES多场协同设计方案

射频微系统集成架构设计

高效散热与集成天线是架构设计的核心。典型散热技术包括高导热材料被动散热和微流道主动散热。中电科55所基于硅基微流道散热架构，内置微流道+金属柱阵列提升散热（图13）；北京大学提出内嵌微流道转接板，集成三角形微针鳍阵列，最大散热能力达1300W/cm²；美国科罗拉多大学MECA技术（金属嵌入式芯片）将GaN芯片嵌入铜金属，使10GHz下增益提升3dB，效率提高3.2%。在FE射频微系统层面，AiP（天线内封装）是关键。新加坡微电子所基于TSV两层高阻Si堆叠实现76~93GHz AiP，增益2.4dBi；佐治亚理工学院提出玻璃/ABF树脂基转接板AiP技术，采用交错介质通孔结构，实现D波段1×8阵列增益11.6dB，且可集成传统热沉高效散热。集成架构正向着更高功率密度与多功能一体化方向演进。

先进集成架构与散热

图13 硅基微流道FE射频微系统（中电科55所）

图14 内嵌微流道转接板优化设计（北京大学）

图15 金属嵌入式芯片MECA技术实物（科罗拉多大学）

图16 基于TSV互连晶圆级封装AiP

图17 玻璃/树脂基FE射频微系统（佐治亚理工）

四、射频微系统展望

在互连方面，微型化、低损耗与低成本仍是发展方向，新型导体材料如碳纳米管（CNT）受趋肤效应影响小，兼具高热导率和高载流能力，有望提升可靠性和性能，但目前制备工艺仍具挑战。散热领域，高功率固态器件集成使热流密度剧增，除了Si基微流道和高效散热架构，金刚石散热技术与金刚石微流道已取得积极进展，未来集成至射频微系统工艺将有效提升输出功率，智能热管理也将进一步增强系统散热能力。

仿真与优化方面，跨尺度、多层级、多物理场协同仿真仍是难点，人工智能技术将推动模型驱动及数据驱动的新一代快速仿真方法；设计-工艺协同优化（DTCO）和系统-工艺协同优化（STCO）也成为重要演进方向。此外，侦干探通一体化电子技术促使射频微系统向多功能一体化、可重构及智能化发展，射频与光电、数字、模拟等接口的标准化也将推动“芯粒”集成生态。射频微系统在工作频率、输出功率、集成度和成本上将持续突破，助力小型化无人机、新一代战机、6G通信、卫星互联网、可穿戴装备等前沿领域。

五、总结

射频微系统是微波电路从“小型化”迈向“微型化”的标志性技术，高性能互连、高效多物理场仿真与优化、高密度集成架构是其三大核心。随着新材料（金刚石、碳纳米管）、新型半导体器件（GaN、InP）、先进工艺（TSV/TGV、扇出封装）及智能化设计理论的不断突破，射频微系统将在工作频率、输出功率、集成度和成本上持续精进，为军民两用微型化电子系统提供强大支撑。近年来美国DARPA、欧洲及我国在三维异构集成领域的重大布局，正加速射频微系统从实验室走向规模应用，未来可期。