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面向自主可控的微系统关键技术研究及展望
唐磊, 匡乃亮, 郭雁蓉, 王艳玲, 李逵, 李宝霞, 潘鹏辉
2023, 40(1): 1-10.   doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0832
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微系统技术是后摩尔时代延续摩尔定律重要的解决途径,能够满足电子装备对小型化、多功能电子系统的迫切需求. 由于国内外基础工业条件及布局存在较大差异,无法将国外微系统技术路线全盘复制,应立足国内集成电路产业及封测产业的现状,走适合中国国情的自主可控技术路线. 本文从微系统产品设计、制造及测试的研制流程出发,重点对微系统设计仿真、先进封装和集成测试等方面的关键技术展开研究,形成了自主创新的关键技术解决思路,并提出了微系统的未来发展预判.

硅基三维集成射频无源器件及电路研究进展
朱樟明, 尹湘坤, 刘晓贤, 杨银堂
2023, 40(1): 11-17.   doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0687
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摘要:

射频电路在移动通信终端和雷达前端等电子系统中占据了较大比例的面积和体积,且现有射频集成方式无法实现无源电路的微型化、多功能化、一体化系统集成,成为系统小型化集成、性能提升的瓶颈,更制约了各种电子设备和通信系统的发展. 基于硅通孔的三维集成技术可以实现硅基电路的多层堆叠,在实现高密度、高性能、微型化的射频系统方面具有巨大发展潜力和广阔应用前景. 本文介绍了基于硅基三维集成技术实现的射频无源器件及电路的研究进展,主要包括无源电容、电感、天线、滤波器、功分器、耦合器、巴伦. 最后,对各类射频无源器件及功能电路模块的发展现状和趋势进行了总结和展望.

惯性导航微系统三维集成研究进展
王楷, 孔延梅, 蒋鹏, 杜向斌, 叶雨欣, 鞠莉娜, 曹志勇, 刘瑞文, 焦斌斌
2023, 40(1): 18-30.   doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0594
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摘要:

随着“摩尔定律”日趋放缓,微系统封装集成技术成为“超越摩尔”最有前景的技术之一. 惯性微系统技术是在微机电系统(MEMS)基础上,将多种传感器通过异质异构集成技术,在硅基片上进行3D集成,开发出具有多种功能的芯片级的微小型电子系统,实现更高的集成度和更小的体积,并内置算法,实现芯片级导航、定位等功能. 该系统通过自身传感器采集到的数据信息进行自主导航,不受外界环境影响,具有很强的抗干扰能力,呈现出小型化、智能化趋势. 本文主要探讨了惯性微系统的组成部分以及MEMS惯性传感器的常见分类. 通过对国内外研究现状的梳理,重点分析了以第三代集成技术为主的惯性微系统集成的特点和研究进展.文章最后探讨了惯性微系统未来的研究方向和发展趋势.

基于人工表面等离激元的小型化微波器件研究进展
韩亚娟, 刘莹玉, 赵福立, 富新民, 邱天硕, 丁畅, 王甲富, 屈绍波
2023, 40(1): 31-40.   doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0670
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摘要:

人工表面等离激元(Spoof Surface Palsmon Polaritons, SSPP)是由入射电磁波与电磁媒质相互作用,导致媒质表面电子发生集体振荡,所产生的一种表面混合电磁模式,具有波动与粒子的双重性质. 在空气一侧,SSPP表现出波动的性质,以电磁波的形式沿媒质界面纵向传输,而在界面法向,场以指数函数衰减;在电磁媒质一侧,SSPP表现为群电子振荡的性质,在法向,场依然按照指数函数衰减;并且,群电子振荡的振幅略小于电磁波波动的振幅. 因此,SSPP具有诸多奇特的电磁性质,如场局域特性,深亚波长特性,以及非线性频率色散特性,等等,在微波电路设计、天线设计、隐身材料与隐身结构设计、电子对抗等领域都具有非常重要的应用价值. 文章主要综述了SSPP在小型化微波器件方面的研究进展,包括微波集成电路、滤波器、环形器、传感器、天线、涡旋波发生器等等,为小型化微波器件设计与应用提供借鉴.

MEMS激光雷达综述
乔大勇, 苑伟政, 任勇
2023, 40(1): 41-49.   doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0803
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摘要:

近年人工智能飞速发展,自动驾驶、智能驾驶已进入产业元年. 激光雷达技术作为最为重要的自动驾驶视觉感知设备,正在进行不断的发展与迭代. 本文旨在介绍激光雷达及其国内外研究现状. 文中着重介绍了MEMS固态激光雷达的核心部件MEMS微振镜的技术参数及指标,如视场角、光学孔径、扫描速度、扫描频率、MEMS微振镜尺寸以及品质因数. 最终汇总了车载激光雷达的应用现状,展望车载激光雷达的未来与发展.

基于碳化硅器件微系统封装研究进展
田文超, 钱莹莹, 赵静榕, 李昭, 李彬
2023, 40(1): 50-63.   doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0717
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摘要:

SiC由于其优越的材料性能,受到社会的广泛关注. 传统器件的封装形式制约SiC器件优势的充分发挥,为了解决电、热及绝缘方面的问题,近年来出现了许多对碳化硅功率模块的新型封装技术和方案. 从SiC器件的模块微系统封装技术出发,对SiC器件的封装材料、模块封装结构、封装工艺和应用进行分类和总结,涵盖了提高耐高温能力、降低高频寄生电感、增强散热能力等一系列相关技术. 在此基础上,对SiC器件微系统所面临的科学挑战进行了总结,对相关技术的未来发展进行了展望.

微电子封装热界面材料研究综述
杨宇军, 李逵, 石钰林, 焦斌斌, 张志祥, 匡乃亮
2023, 40(1): 64-74.   doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0684
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摘要:

随着半导体器件向着微型化、髙度集成化及高功率密度方向发展,其发热量急剧增大,热失效已经成为阻碍微电子封装器件性能和寿命的首要问题. 高性能的热管理材料能有效提高微电子封装内部元器件散热能力,其中封装结构散热路径上的热界面材料(Thermal Interface Material,TIM)便是热管理中至关重要的环节. 通过热界面材料填充器件热源和散热单元之间的空隙,可以大幅度降低接触热阻, 增加热量的传递效率. 对微电子封装而言,高性能的热界面材料不仅需要高的导热系数以降低封装热阻,还需具备一定的压缩性以弥补封装的装配偏差,然而通常很难兼顾上述两种特性. 本文重点关注微电子封装中热界面材料,系统地梳理了目前热界面材料的常见类型、应用存在问题、关注研究热点和国内外发展现状.

电子封装领域的仿真研究现状及挑战
张墅野, 何鹏, 邵建航, 梁凯洺, 孟俊豪, 李帅, 邢靖远, 程靖宇, 贾昕睿
2023, 40(1): 75-86.   doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0563
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摘要:

随着微电子芯片的不断发展,对其的性能需求也日益提高,而性能需求的提升也使得对芯片中晶体管尺寸和集成度的要求也不断上升. 在后摩尔时代,芯片小型化使芯片的制造的成本和工艺要求也逐渐上升,面对这种情况,电子封装技术也更多地在实现多元化、集成化以及规模化的芯片封装功能中发挥着作用. 在电子封装技术的研究中,如何更好地预测电子封装器件的性能以及其可靠性是受该领域研究者们关注的焦点,而不断发展的仿真模拟技术使研究者们看到了解决该问题的希望. 电子封装领域的仿真模拟技术已然成为了微电子芯片技术的重要发展方向之一. 文章从热学、力学及多物理场方面对电子封装领域仿真技术的研究现状进行了介绍,并且也对该领域仿真技术发展所面临的挑战进行了梳理和分析.

用于高密度集成微系统的微通道散热技术研究进展
杜鹏, 周庆忠, 郑涵文, 张遇好, 李建柱, 李宇杰
2023, 40(1): 87-96.   doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0810
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随着电子产品向小型化、多功能、大功率发展以及集成度的不断提高,必然会带来热量更为集中、热流密度不断升高的问题. 为保证可靠工作,实现电子产品,尤其是高密度集成微系统的高效散热就显得尤为重要. 与传统的散热技术相比,微通道散热器可直接集成在器件/系统基板内,制造工艺兼容性好,散热路径短、散热能力强,特别适用于高密度集成微系统的热管控. 本文综述了微通道散热器传热传质特性的表征、影响因素及强化方法。对微通道结构进行优化设计、采用以纳米流体为代表的高性能冷却介质是提高微通道散热器综合散热性能的主要手段. 目前在复杂三维微通道结构的制造及高稳定纳米流体性能调控等方面还存在诸多问题. 深入研究相关制造工艺技术和传热传质机理,将有利于进一步拓展微通道散热技术在高密度集成微系统热管控领域的实际应用.

3D IC中全铜互连热应力分析
王志敏, 黄秉欢, 叶贵根, 李逵, 巩亮
2023, 40(1): 97-104.   doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0639
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三维集成电路(Three-Dimensional Integrated Circuit,3D IC)技术相比于二维封装形式具有互连长度短、异构集成度高、功耗低以及封装尺寸小等特点. 因为铜基体具有优异的导电性、抗电迁移性和机械性能,全铜互联结构替代了焊球作为连接结构应用于3D IC中. 本文通过数值模拟研究了含有全铜互连和微流道结构的3D IC模型在循环温度载荷下的热可靠性,分析了全铜互联高度对模型内部热应力的影响. 结果表明,全铜互连部分的最大热应力与铜柱所处的空间位置相关,离模型中心越远,铜柱内的变形越大. 同时,最危险铜柱内部应力分布和变形情况表明,由于铜柱上下端面所受载荷性质不同,铜柱在热载荷作用下的Mises应力大致呈左右及上下对称分布. 这会导致铜柱的潜在失效模式是轴向压缩和剪切共同作用下的断裂或损伤. 另外,最大Mises应力随铜柱高度的增加而逐渐减小,当铜柱高度为300 μm时最大Mises应力趋于稳定,可以为全铜互连可靠性设计提供参考.

大面积处理芯片嵌入式微流体冷却技术
杨宇驰, 吕佩珏, 杜建宇, 李沫潼, 杨宇东, 潘鹏辉, 郑德印, 张驰, 吴道伟, 王玮
2023, 40(1): 105-123.   doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0765
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随着集成电路制程趋于极限,登纳德缩放定律逐步失效,芯片的功率密度逐渐提升,尤其是在5G、物联网以及高性能计算快速发展的驱动下,单芯片面积也在增大,热耗散问题日趋严重,传统的冷却方式已无法保证芯片的可靠工作. 将热沉制备在芯片内部可以避免封装材料的导热热阻和多层界面热阻,提升冷却性能和冷却效率. 学术界针对芯片的嵌入式微流体冷却开展了大量卓有成效的研究和探索,不断提出新型通道结构设计方案,包括平行长直通道、歧管通道、射流通道等. 旨在于优化泵功和热阻,在小压降下实现高效冷却. 然而,随着芯片面积的增大,在限域空间实现高效冷却将更加困难,工艺难度和制造成本限制了嵌入式液冷的大规模商业化使用,目前在实际IC芯片内演示的冷却方案验证了嵌入式冷却的性能,但复杂度高,兼容性差,冷却性能有待进一步提升. 尤其是在3D封装架构下,需要提出兼容小型化、高密度封装的通道结构,通过协同设计,在保证电学互连的前提下实现层间冷却. 在优化通道结构设计的同时,还需要简化工艺,降低成本,提升嵌入式微流体冷却的工艺可靠性和长期工作可靠性,才能推进嵌入式微流体冷却技术的实际应用.

包镍多壁碳纳米管增强SAC305焊料的I型断裂机理研究
张谋, 秦飞, 代岩伟
2023, 40(1): 124-129.   doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0675
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发展高可靠的互连封装新型焊料已经成为电子封装领域的前沿研究内容之一. 本文制备了包镍碳纳米管增强SAC305焊料,并开展了不同含量增强SAC305焊料的双悬臂梁试样I型断裂测试,得到了不同添加含量SAC305的载荷-位移曲线. 基于柔度的梁方法理论(CBBM)计算了增强焊料的I型断裂韧度. 研究结果表明,其I型断裂韧度随着包镍碳纳米管质量分数的增加,表现出先升高后降低的趋势. 没有添加包镍碳纳米管的SAC305焊料的I型断裂韧度约为0.53 N/mm,添加0.05wt%包镍碳纳米管的增强焊料的I型断裂韧度最高,约为1.14 N/mm,相较于没有添加包镍碳纳米管的SAC305焊料断裂韧度提高了1.15倍,表现出更好的抵抗裂纹扩展的特性.

基于层级多尺度方法的TSV晶圆翘曲预测模型研究
孙国立, 秦飞, 代岩伟, 李宝霞
2023, 40(1): 130-137.   doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0667
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摘要:

随着电子封装技术的发展,以晶圆级封装为代表的先进封装技术对集成密度、封装尺寸,及其制造和服役可靠性提出了更高的要求. TSV晶圆封装结构具有典型的结构多尺度特征,这对有限元模型的建立带来很大挑战. 为此,本文提出了一种层级多尺度方法,并验证了所提方法的有效性. 围绕上述研究内容,首先,阐明了层级多尺度方法的原理和计算流程;其次采用层级多尺度方法建立了不同TSV晶圆封装工艺下的有限元模型,模拟研究了TSV转接板工艺制程中晶圆的翘曲演化,并与实验结果相对比;最后,研究了分区数量对层级多尺度方法精度的影响. 研究结果表明,计算规模相当情况下,随着分区数量的增加,计算误差明显降低. 与实验结果的对比表明,该方法有相对较高的晶圆翘曲预测精度. 此外,本文发展的层级多尺度方法具有一定的可移植性,可以应用到其它同类具有多尺度特征的封装结构可靠性分析中,为解决大规模晶圆级封装翘曲预测问题提供了一种新的解决思路.

基于标准化模型库的微系统协同设计平台及其运行服务体系构建
李嵬, 阴蕊, 汪志强, 刘杰, 叶雨农
2023, 40(1): 138-146.   doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0723
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摘要:

多芯片异构集成微系统工艺已进入微纳米量级,多工艺、跨尺度的3D/2.5D高密度集成,对系统研制的成本、成品率和效率提出苛刻要求,由可复用模型支撑的多专业多层级协同设计是解决该问题的唯一有效途径. 为了更好应对微系统设计与开发过程中出现的问题和挑战,开展了微系统协同设计平台的架构和关键技术研究. 以中国电科智能科技研究院部署在普通商密网的基于标准化模型库的微系统协同设计平台为例,分析了该平台的应用场景和功能,构建了平台运行服务体系. 研究结果表明,该平台支撑了基于可复用标准化模型的微系统异地、多单位协同设计生态链形成,并建立了共享服务和安全保障机制,为微系统产品的高效、智能化研制提供了生态保障.

基于神经网络的MEMS陀螺仪温漂补偿方法研究
郭刚强, 柴波, 王云爽, 赵建涛
2023, 40(1): 147-155.   doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0579
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摘要:

针对MEMS惯性传感器对温度变化非常敏感问题,提出了一种MEMS 陀螺仪实时温度补偿方法,并比较了此方法与传统使用的分段线性拟合方法的补偿效果. 首先,使用一个标定过的MEMS-IMU进行温度试验,并在试验过程中采集MEMS陀螺仪的输出;其次,提出了一个基于MEMS陀螺仪前一时刻温漂输出的实时补偿模型,并引入虚假最近邻算法来确定神经网络隐藏层的神经元个数;然后,采用了一种普通循环神经网络的变体,门循环单元循环神经网络,来辨识所提出模型的输入与输出之间的关系,从而得到完整的MEMS陀螺仪温漂实时补偿模型;最后,比较了所提出的方法和分段线性拟合方法的补偿效果. 为了得到定量的比较结果,分别在相同试验条件下和不同升温速率条件下比较了以上两种方法补偿前后MEMS陀螺仪的艾伦方差和零偏稳定性. 根据比较结果可知,在以上两种试验条件下,采用所提出的方法补偿后,MEMS陀螺仪的艾伦方差系数和零偏稳定性均显著降低,并且补偿效果均优于分段线性拟合方法.

一种宇航微系统SiP计算机模块的分析及设计
华虹, 刘鸿瑾, 李宾, 吴宪祥, 孙印昂
2023, 40(1): 156-164.   doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0512
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摘要:

针对航天器用元器件高密度、高性能、小型化的特点,设计了一种应用于卫星及空间站平台的宇航微系统SiP(System-in-Package)计算机模块. SiP模块设计需解决信号干扰、供电系统不稳定以及散热性能差等问题,所以本文在SiP模块的封装、布局、层叠、布线设计方面,分别通过使用高热导率封装材料、加强散热性的封装形式以及对芯片采用上下腔布局的方式增强系统的散热能力,并采用低串扰设计、低阻抗设计提升系统中信号和电源的稳定性. 通过仿真校验,该模块在125 ℃的条件下,实际工作温度仅上升25.3 ℃;最复杂的信号线之间的串扰低至−37.57 dB;各电源域的直流压降、电流密度以及阻抗参数值均优于参考指标.