MEMS及微系统技术现状及发展综述（深入）

作者：马福民 等 ，来源：航天电子发展战略研究中心

摘要:电力电子产品系统逐渐向小型化、高度集成化的方向发展，微系统汇集了多门学科技术的创新与突破，无论在军事还是民用领域已有广泛的应用。本文详述了国内外微系统技术的现状和发展趋势，其技术创新点在于多功能芯片一体化、智能传感、异质集成、堆叠式系统级封装技术的突破和新型半导体材料的应用;文末总结了微系统技术发展的意义，并提出展望。微系统技术融合了微电子、微机电和微光电技术，通过系统架构和软件算法，将微传感器、微控制器、微执行器、微能源及各种接口等构成一体化软、硬件多功能集成，采用微纳制造及微集成工艺实现系统结构的微纳尺度化。它被公认为21世纪的革命性技术之一。微系统具有高集成度、微小型化、低功耗、高可靠性、高效率等优点。微系统技术上的新材料、新方法、新工艺等技术变革必将对军民两用的系统研发和制造带来颠覆性影响。

20世纪60年代以来，微系统技术经历了从微器件的设想到微压力传感器的问世，逐步实现技术突破和制造工艺的改进，至今进入集成技术大力发展阶段，在信息、生物、航天、军事等领域已有广泛应用。美国等发达国家在二十世纪末已将微系统技术列为现代前沿核心技术，并纳入国防科技攻关计划，掌握微系统技术对于国家保持技术领先优势具有重要意义。微系统技术和产业发展如今也受到我国各部门、相关高校和科研机构的高度重视和大力支持，深入研究势在必行。本文结合国内外微系统技术的现状和发展趋势，重点从单片微波集成电路(MMIC)、多芯片模块(MCM)、微机电系统(MEMS)、片上系统(SOC)、系统级封装(SIP)等有代表性的微系统技术的发展，总结出微系统正在寻求“单片高功率多功能芯片、多芯片三维组装(3DMCM)、异构集成、智能传感、堆叠式系统级封装”技术的创新和突破;本文对微系统各领域的应用进行了举例;对微系统技术发展面临的挑战进行了评述。并提出我国应在武器装备方面加紧微系统技术的研究和应用，以尽快提升我军的战斗能力。1 国外微系统技术的现状和发展趋势微系统技术的发展主要集中在MMIC、MCM、MEMS、SOC、SIP等技术上，下面从这几项主要技术分别介绍微系统技术的现状和发展趋势。1.1 MMIC技术现状和发展趋势MMIC(MonolithicMicrowaveIntegratedCircuit)即单片微波集成电路，国外MMIC芯片的频率已经向太赫兹方向发展，封装上正在向三维立体MMIC(3DMMIC)发展，产品覆盖了从微波到毫米波的频段范围，种类多，性能优良。从半导体材料来说，宽禁带半导体的异军突起为微系统技术提供了有力的基石;国外以GaAs为代表的第二代半导体已发展成熟，正大力发展以GaN为代表的第三代半导体MMIC器件。表1是几种半导体材料的特性参数对比［1］，图1是半导体输出功率极限与频率关系。

表1及图1显示，GaN频率特性更好，能应用在更高电压、更高温度、更宽的工作频率上。GaN器件与Si和GaAs器件相比，功率密度更高、更耐高温、禁带宽度更理想，GaN的原子体积约为GaAs的一半，因此，在微系统中采用GaN制作组件，能使结构进一步微缩，且重量减轻。GaN技术缩小工艺尺寸的优势在微系统中日益凸显，目前，GaN工艺尺寸正向纳米级开发挺进［2］。近年开发出化学键更强、更细、更高效的eGaNFET器件，采用了第四代氮化镓场效应电晶体，有高电场耐受极限的优势，其晶体管各电端子间距比普通器件缩短10倍，电阻损耗更低，也极大缩短电子转换时间，还具有极佳的散热性能，为微系统技术发展的瓶颈提供解决思路［1］。

经过几十年的发展，3DMMIC技术已从单个器件向集成收发于一体的多功能芯片发展，把多片、多级放大器集成于一个芯片，提高单片性能的同时，缩小了设计和制造的结构空间。例如，TRIQ公司的Ka频段低噪声放大器TGA4507(1.86mm×0.85mm×0.1mm)，其一只芯片内部集成了三级放大器，增益达到22dB。3DMMIC主要结构如图2所示。单片高功率方面，国外正大力发展以GaN为代表的第三代半导体MMIC器件。GaN器件功率容量大、效率高，功率密度比砷化镓器件高10倍，GaN器件不仅带宽更宽、放大器增益更高，器件尺寸更优化，效率也有相应提高，单片功率放大器的输出功率已从几百毫瓦发展到70W，而效率提升到45%。因此，MMIC技术正向着宽禁带半导体快速升级、单片高功率、多功能芯片一体化等方向发展。

1.2 MCM技术现状和发展趋势MCM(多芯片模块，即Multi－chipModule)综合了多层PCB、高密度互连、SMT、微封装几项技术，在国外通信市场、军事应用上已相当成熟和广泛，是系统化、小型化的重要途径。目前MCM技术的集成度越来越高，正从二维向三维多芯片组装(3DMCM)方向发展。美国和日本两国在多芯片组装技术的发展上较为领先。3DMCM关键是实现将不同功能的微波多芯片模块叠层互联的垂直微波互联技术，目前有两种实现方法:(1)无焊接垂直互联，采用毛纽扣结构;(2)环氧树脂包封垂直互联［3］。

图3展示了一种多芯片模块之间采用毛纽扣垂直互联结构的三维MCM示意图，可见，在垂直排列且互联的二维MCM之间，采用了金属环形框实现固定，用金属框完成信号连接、隔离以及接地，且易于实现每个模块的散热。图4展示了一种环氧树脂包封的垂直互联电路结构示意图和实物。加工时将立体堆叠的二维MCM用环氧树脂进行包封，环氧树脂既是密封材料，也是堆叠芯片的空间支撑物，同时作为MCM的绝缘介质。1.3 MEMS技术现状和发展趋势微机电系统(即Micro－electro－mechanicalSystem，简称MEMS)，由微传感器、微执行器和微能源等部分组成，实现了微电子技术与精密机械加工技术的有机融合。它采用硅微加工工艺，在一个硅片上能制造上千个微型机电装置，解决了传统工艺大批量生产的瓶颈，从而降本提效。从技术分类而言，MEMS技术有传感MEMS技术、生物MEMS技术、光学MEMS技术、射频MEMS技术，甚至量子MEMS技术等，在使用端分别实现微型加速度传感、面阵触觉传感、压力传感等多方面的信息通信，或是与微机械技术、光电子技术相结合形成光通信器件等［4］。

MEMS技术的一个趋势是高度集成，实现小体积、低功耗的单芯片集成化的片上系统，将传感器、执行器、信号处理电路制造成一体化的微机械结构。实现途径有:(1)单个硅片上加工MEMS微机械结构和处理电路;(2)一个基板上对ASIC电路和MEMS结构分别加工。前者采用CMOS和MEMS集成制造工艺，后者采用薄膜、厚膜、低温共烧陶瓷(LTCC)等混合集成制造工艺［5］。MEMS的另一个趋势是尺度向小型化集中，即纳米机电系统(NEMS)。研究人员已开始采用纳米材料进行微系统制造，随着纳米加工技术的发展，NEMS传感器、NEMS超微型飞行器等将会问世。美国大学学者将二氧化钒(VO2)器件集成于硅晶圆上，研究出多功能自旋微型电子智能传感器。基于碳纳米管(CNT)或纳米线等纳米材料和纳米尺度结构的应用，可实现更高性能的器件集成［6］。

MEMS的下一步趋势是研发智能传感及新结构和新材料应用。新一代MEMS传感器，是具有感知和自知能力的智能传感器，是智能系统的关键元件［5］。智能传感器集成了多种半导体传感技术，MEMS的新材料和新结构、新工艺也同时得以发展;表面Si微机械加工技术和单片多功能集成CMOS－MEMS工艺等并存。由远程监控和自适应传感器网络接口的需求逐渐形成第五代多功能集成的新器件，集更低功耗、更高精度、更微型化的电子学设计创新于一身。若将S＆A单片或异构集成在CMOS平台上，可提高器件性能、减小器件尺寸，并降低成本。德州仪器的微镜制造过程就实现了超大规模S＆A与CMOS的结合。光谱传感技术研究方面，美国BANPIL公司已制成多谱图像传感器(单片器件)。另外，采用量子技术还能实现集成在手机芯片上的量子传感装置［6］。此外，现代军用MEMS惯性传感器技术、MEMS固体波动陀螺谐振子研发、RF_MEMS开关的研究都是MEMS技术的热门。国外在微型惯性测量装置方面的研制水平已具备战术级精度，制导武器上已有大量应用。1.4 微系统集成技术的发展趋势片上系统SOC(SystemonChip)，是微电子集成电路的未来，系统包括CPU、存储器及外围电路等。其以嵌入式系统为核心，集软、硬件于一体，SOC技术能最大限度地简化电路设计，将整个产品系统中软件和硬件设计的稳定性、可靠性、低功耗等都简化到IC设计中去解决［7］。SOC对信号的采集、转换、存储以及处理完成一整套服务，进而催生了更多技术的研究，像深亚微米技术、低噪音设计、多通道阵列信号处理可重构异构SOC设计等，SOC采用的是软硬件协同技术［8］。

微系统中的架构技术是多功能集成的核心，主要技术途径为:(1)包括SIP和SOP等类似于微纳米与介观尺度的组装技术;(2)空间叠层集成技术，同质2.5D集成已成熟、正向3D集成迈进;(3)异质集成技术，是实现芯片级系统平台目标的关键，即在同一衬底上实现不同材料、不同工艺的微纳器件的集成，技术路线有所不同，比如直接异质集成、晶圆级或芯片级三维异质集成等［9］。国外在异质集成方面的研究主要为单片异质集成:兼容Si基CMOS工艺制作出来的Si基CMOS微电子器件;III－V族微电子器件和光电子器件、单片MEMS器件等。2016年，瑞典的研究人员，兼容微测热辐射计阵列和CMOS工艺后，单片异质集成了读出电路［10］。集成微系统时代，在成像传感、光集成、惯性传感、射频、生物等微系统和逻辑微系统的三维集成技术均有新突破，包含MEMS和IC的3D异构集成、SIP3D集成和异质3D集成，都有不同程度的新进展。因此，异质集成是微系统集成技术发展的重点。1.5 微系统封装技术的发展趋势微系统封装主要基于集成电路工艺方法的进步，发展趋势即系统级封装(SIP)技术，它通过多次的薄膜淀积、光刻、扩散注入、刻蚀等基本工艺操作来实现。微系统制造技术也依赖于微机械加工技术的微型化、集成化、智能化发展，有微结构加工技术如湿法刻蚀、干法深刻蚀、表面加工技术等，以及特殊微加工技术如键合、光刻模铸电镀成型技术LIGA技术、纳米压印技术、高深宽比制造技术等［5］。

片上系统(SOC)发展到深次微米以下，将有极大的技术瓶颈，唯有将封装的内盒功能扩展到实现系统或子系统功能，才可能做到整体更加微型化，于是，系统级封装SIP的研究和发展，成为微系统技术发展的重要方向［11］。图5所示为电子封装结构发展路线图，展现了电子封装结构随着技术进步正向高集成度、低成本、高性能的3D微系统封装方向发展。

裸芯片技术随着产品高性能和小型化的要求而被大量使用，如COB(ChipsonBoard)技术和FCBGA/CSP即倒装芯片封装。到2020年，封装技术将更新到芯片埋入和堆叠封装形式:EmbeddedSiP(芯片埋入式系统级封装)、3DIC(三维集成电路)、FOPoP(扇出型封装叠封装)、FOSiP(扇出型系统级封装)。此外，TSV硅片通道、SiP射频、3D圆片级的再布线封装与50μm及以下超薄芯片的三维堆叠封装技术，如今也被广泛应用到电子封装的实践中。微系统的封装技术最终要满足微小型化、多功能集成和高密度MEMS传感的要求，WLCSP、SOC和SIP、低温键合等封装技术已逐渐得以应用和成熟，在传感器内核晶圆片上已创新实现了批量3D组装、3D折叠工艺、金属基低温键合、扇出晶圆级封装等技术。2 国内微系统技术的现状和发展趋势2.1 国内微电子技术的发展近年来，我国正从政策和各方条件保障逐步加大对微系统技术的扶持力度，微电子技术也有了新突破:超深亚微米集成技术，该方面研究已达到国际先进水平;芯片设计等集成电路的设计水平已有明显提高。在数字电视、高端IC卡、3G手机、多媒体信号处理及信息安全等多个领域，我国已有自主设计的芯片产品。我国自主知识产权的核心芯片的开发和产业化也取得了可观的突破(IC设计水平已达到0.13μm)。微电子技术方面，我国逐渐从“低端模仿”走向以技术创新为主的“高端替代”。在国内相关政策的有力支持下，硅基微电子技术水平也与国外在逐渐缩小差距［12］。2.2 国内微系统的发展我国的微系统技术已有一定进展，ASIC器件已经进行了在轨试验并开始进行空间应用，但在制造工艺水平上有待提高。现阶段我国将“制造属于自己的微器件”作为我国微系统的发展目标，将在利用现有资源和借鉴国外先进技术经验的同时进行自我创新，在研发和生产方面不懈努力，早日实现我国的微系统行业繁荣发展。

中国首批院级战略研究中心———中物院微系统与太赫兹研究中心(简称微太中心)把发展目标定为:大力推进微系统与太赫兹的科学技术研究，10～15年实现在微系统和太赫兹科学技术领域的重大跨越，掌握一系列核心关键技术，产生具有国际重大影响的研究成果，引领微系统和太赫兹科学技术的发展。目前主要研究方向包括集成微系统材料、物理模型与架构技术、固态高压微系统技术、SOC技术，MEMS/NEMS技术、微系统三维异构集成技术、微纳点真空技术、微电池技术，及一系列前沿的太赫兹科学技术。近年来，众多新型微纳米加工工艺、新封装技术、新材料在国内技术平台中得以深入研究，纵观第五届微系统与纳米工程国际研讨峰会，国内微系统的发展趋势为:(1)微系统的可靠性和稳定性大幅提升;(2)在物理和医疗结合方面的研究及应用前景广阔;(3)微纳米器件的集成及加工技术发展已提上日程［13］。2.3 国内异质集成技术研究进展异质集成技术方面，我国已有研究机构和公司开展了该技术的研究，但基于对Si基材料的研究深度不够和系统级封装方面兼容CMOS工艺没有掌握核心技术等制约，国内的开发尚在起步阶段。国内主要从异质外延方面着手，在Si衬底上外延生长Ⅲ－Ⅴ族化合物，但晶格失配和热失配问题尚未解决，因此做出的器件可靠性较低，外延层的质量不高。目前已有学者提出用“低温晶片键合”解决晶格失配，异质集成技术的关键点也在于研究如何突破异质材料之间的物理、化学特性的匹配和兼容性［10］。2015年，南京电子器件研究所专家，基于外延层剥离转移、异类器件互联等技术，实现了GaAsPHEMT与Si基CMOS器件异质集成的单片数字控制开关电路，芯片面积比传统的GaAsPHEMT单片电路减小了15%［10］。2.4 国内电子封装技术现状国内相关研制人员和企业进行了多年不懈的努力，在电子封装技术方面有了一定的技术沉淀，我国封装产业在半导体创新技术的研发和产品制造也有了快速发展，2012年我国已拥有电子封装技术研究团队，国内25家电子封装产业链相关单位组建了“集成电路封测产业链技术创新联盟”，建立高密度IC封装技术工程实验室，主要研究被国外发达国家垄断的封装技术，在封测应用工程的进展对电子封装产业链起到了有效的辐射作用［14］。近年来，我国电子封装技术的国际竞争力水平逐步提升，主要表现在以下几方面:CSP、MCP和BGA等新型封装技术已在部分电子封装产线中应用;TSV硅片通道、SiP射频、50μm及以下超薄芯片的三维堆叠封装技术等已被广泛应用;SPFN、MIS和FBP等电子封装技术也获得自主知识产权。此外，国内在MIS倒装封装技术的创新研发能够有效地降低封装成本，且技术上对现阶段的主流封装技术也实现了良好支持［15］。3 微系统技术的应用3.1 导弹武器系统上的应用在导弹武器系统中采用系统级封装或片上系统技术实现了功能整合，信息传输长度大大缩减，延迟显著降低，对付高速高机动目标具有重要的意义。这些采用了微系统技术的小型化武器都能实施机动、精确打击，并能缩小杀伤范围，降低战场附带损伤。美欧日等国家处在微系统技术发展的前沿，在导弹武器系统研制上已大量采用微系统技术，尤其在小型化导弹方面有大量应用。典型的有美国的“长钉”导弹，采用激光制导，是一种可装备无人机的新一代多兵种、多平台超小型导弹，具有“发射后不管”的特点，弹径56mm、发射质量仅2.4kg、最大射程为3.2km，见图6［16］。

英国泰勒斯公司的轻型多用途导弹(LMM)，以两级固体火箭发动机为推进系统、INS/GPS导航，发射质量13kg、最大射程8km，用以打击海陆空多种目标，见图7［16］。

美国洛马公司的激光制导子弹，弹径仅为12.7mm，弹长仅10.16cm，适合于普通点50口径的枪族武器，且飞行时能自动调整方向，像微型导弹一样集中瞄准1.6km以外的目标，见图8［16］。

QN－202微型导弹由中国高德红外有限公司研制，2018年珠海航空航天展展出，长度只有60cm，弹口直径有6～8cm，射程为2km，重约1.2kg，采用红外成像制导系统，能自动搜索和跟踪目标，实现“发射后不管”。这个单兵便携式导弹发射系统由一个7.5kg的背包和导弹发射器组成，背包一般可以装载6枚导弹，见图9。

3.2 雷达应用美国的F－15、F－16战斗机的相控阵雷达中都用到MMIC。MMIC还在精确制导等灵巧武器和军事通信中得到广泛应用，其优越性在海湾战争中得以体现。美国DARPA(美国国防高级研究计划局)的“用于雷达上可重构收发机的扩展型毫米波体系架构”和“三维微电磁射频系统”两个项目，主要研究了微系统器件的3D层叠架构和3D加工技术［15］。目前，雷达系统中的有源电路、天线、滤波器等部件已利用SOC和SOP技术来实现。对于体积较小的部件或雷达系统，通过3D微加工实现一体化成型已是未来趋势。美国军方已将GaN器件应用于新的雷达系统。军工企业如雷声公司、洛克希德·马丁公司等，都在将现有雷达系统中的GaAs器件更换成GaN器件。美国新一代“空间监视系统”采用了GaN器件。“阿利·伯克”级驱逐舰上的雷达系统主要T/R组件采用GaN替代GaAs，功率密度、耐压和耐电流特性及热传导效率都有极大提升［2］。

3.3 通信应用日本NEC公司在卫星微波通信系统中采用MCM－LTCC技术，大大缩小了卫星微波通信系统收发组件的尺寸，体积仅为传统SMT组件的1/10～1/20。日本几家通讯公司和日本国家信息与通信技术研究所联合研发出世界首个300GHz太赫兹无线通信紧凑型收发器。磷化铟(InP)基高电子迁移率晶体管(HEMT)的使用与单片集成技术，在这套微系统中发挥了至关重要的作用。3.4 医疗应用针对数字助听器等医疗器件中的几个关键部件，已有企业采用微系统技术中裸芯片三维堆叠封装工艺，使医疗器件主体部分体积大大缩小，见图10［17］。

3.5 电子战应用美国战略与国际研究中心发布《国防2045:为国防政策制定者评估未来的安全环境及影响》报告，提出先进计算技术/人工智能、3D打印、合成生物学与性能增强、机器人、纳米技术与材料科学五大颠覆性技术［18］。为了应对复杂多变的电磁环境干扰，美国海军已启动“下一代干扰机(NGJ)研发计划”，将采用GaN组件有源电扫阵列天线，大幅提高发射功率和抗干扰效果，可与EA－18G电子战飞机的机载电子设备实现无缝集成，提高美海军的全频谱抗干扰能力。多功能芯片和多功能基板等微系统集成，已应用于实际的电子战接收机架构中。3.6 其他应用在汽车领域，已使用微系统中的MEMS压力传感器对燃油压力、轮胎压力、气囊压力以及管道压力进行测量;在生物医学领域，微系统技术已用于诊断系统及检测系统;在工业领域，微系统作用于提升精度、功耗和可靠度这三个指标;在消费电子领域，微系统更是无处不在，小型无人机、运动手表、穿戴设备等皆是微系统，能实现系统的运动/坠落检测、导航数据补偿、游戏/人机界面交互等功能。4 微系统技术发展面临的挑战(1)集成技术因工艺和外围限制受影响。微系统集成的工艺还不完善，工艺步骤多且复杂，且工艺精度要求较高，集成器件的一致性难以得到保证。三维集成技术虽然完成了芯片的空间堆叠，但分配给每个电路模块的引脚数实际上有所减少，因而也增大外围控制难度。

(2)散热困难和可靠性降低。微系统通常体积小、输出功率高，多种器件集成于有限的芯片面积和空间后，往往不能实现很好的散热，或因工作温度过高影响器件性能和系统工作;在可靠性方面，往往不同的材料，可靠性难以找到平衡，技术攻关可能涉及的矛盾点较多，对材料的失效机理需要更到位的物理分析和测试，一个较复杂微系统的可靠性设计难以在短时间内完成。(3)检测和测试资源的支持不能及时到位。在器件级、系统级的设计、仿真、加工和检测、验证方面，需要更智能化、更高速、运行效率更高的软件系统;需要同时云集各类不同器件的通信协议和硬件协调才能得以实现，未来微系统的创新型架构对软件升级也不断提出新挑战。微系统新架构和新SOC的制造也会随时对测试设备、工艺指导性文件和操作人员的专业化不断提出新要求。5 结束语从全球各领域建设的现实需求来看，微系统技术正向多功能一体化、三维堆叠、混合异构集成、智能传感等方向发展;微系统产品也正从芯片级、部件级向复杂程度更高的系统级应用发展。MCM、MEMS、SOC及SIP等微系统技术的发展正聚集于前沿科技创新的重要领域，尤其在军事领域，未来也将有更多的武器系统基于微系统技术实现微小型化、高度集成化、智能化、轻量化，这些承载了众多高精尖技术的微系统武器将会对未来战场的作战模式产生颠覆性的变革!大力推进微系统技术在武器系统上的应用，对提升我国武器装备系统的研制能力和发展水平都具有重要的战略意义。期望在国家科研政策的大力支持下，我国的微系统技术研究在不久的将来迎头赶上国际先进水平。审核编辑 黄宇