中文引用格式：张　伟, 祝　名, 李培蕾, 等. 微系统发展趋势及宇航应用面临的技术挑战[J]. 电子与封装, 2021,21(10):100101.

编者按：

微系统由于将各种功能高度集成，具有微型化、成本低、性能高等优点，广泛应用于无线通信、军事国防、能源环境等领域。编辑部特邀航天五院宇航微系统电子产品保证技术核心专业实验室撰写《微系统发展趋势及宇航应用面临的技术挑战》综述论文，介绍微系统技术前沿发展趋势、宇航应用的技术挑战，以及宇航微系统的发展建议。

1 背景介绍

微系统是以处理器为核心，包括微电子技术、射频与无线电技术、光电子技术、微机电系统等技术，从系统工程的角度出发，通过单片集成、封装、互联等微细加工等技术，在框架、基板等载体上制造、装配、集成为可提供系统或子系统功能的微小型化器件。随着我国航天器任务向体系化、网络化、智能化发展，微系统作为高度集成的电子产品系统，对于未来宇航装备实现高性能发展将起到越来越强的支撑作用。本文在研究当前国内外微系统技术的最新发展趋势的基础之上，结合宇航装备应用需求，分析了微系统电子产品宇航应用面临的技术挑战，并给出了未来微系统宇航应用的发展建议。

2 微系统的发展趋势

（1）微系统功能密度、智能化程度不断提升

随着新型架构、新兴材料和先进封装技术的发展，军用微系统正在朝向小型微型化、多功能集成化、灵活智能化等方向发展。从实现方式上来看，一方面重视多种功能的异质、异构集成，在此基础上实现小型微型化；另一方面通过将多个电子元器件进行系统化整合，实现多功能集成化，打造微型系统平台。采用模块化、开放式发展模式，实现先进技术的更快融入和集成，降低系统研发调试的难度和成本。加入自主学习和自主决策能力，提高自适应能力，扩大微系统的作用范围。

（2）2.5D/3D先进封装技术助力微系统异质/异构集成

近年来片上系统、系统级封装等微系统电子产品不断从注重多芯片的多芯片组件封装朝着2.5D/3D、异质/异构集成封装的方向发展，由此带来的新技术包括 ：倒装、微凸点、晶圆级封装、硅转接板、再布线层、硅穿孔等。近年来，微系统先进封装技术呈爆炸式发展，如台积电的InFO（Integrated Fan-Out）、CoWoS(Chip on Wafer on Substrate)、SoIC(System on Integrated Chips)技术，Intel的Foveros技术，Amkor公司的SWIFT（Silicon Wafer Integration Fan-Out Technology）、HDFO（High Density Fan Out）等技术。

（3）微系统开发生态向快速复用、开放融合方面发展

基于芯粒的设计思路是通过制造多个更小的芯片，组合起来实现逻辑上的单个微处理器。通过在不同接口上分层公共协议，可以利用一种基于“构建块”的通用方法，通过简单地改变多芯片模块的物料清单，在基板上创建新的系统。基板上的集成系统还大大节省了电路板空间和走线延迟，节省了大量系统成本，通常可以抵消设计和集成MCM所增加的成本。基于软硬IP核复用的设计方法，是指采用已经通过了设计验证、可重用的，具有某种特定功能的IP模块，设计人员以IP核为基础进行IP复用设计，快速形成微系统产品，可以缩短设计所需的周期。

（4）微系统宇航应用可靠性保证技术逐步实现规范化、体系化

在国外相关标准方面，NASA、ESA等提出了生产过程能力认可的通用要求、流程和方法，包括生产厂评估、能力域定义、能力域评估和能力域验证及批准等4个方面，但尚未形成专门针对SiP器件的可靠性保证标准。在国内相关标准中，GJB 2438混合集成电路通用规范和GJB 597半导体集成电路通用规范等标准对集成电路的质量保证做出了规定和要求。

3 微系统宇航应用面临的技术挑战

(1)   先进架构和智能化算法带来功耗增加和评测难度增大

先进架构和先进算法带来功能密度的不断提升，造成了微系统功耗不断增加。由于在宇航应用条件下，受到在轨散热措施的限制，微系统的功耗也受到严格限制。需要在算法复杂度提升的同时，充分考虑低功耗设计问题，降低微系统器件的功耗。

(2)   复杂封装结构带来热学、力学可靠性以及电学可靠性的全方位挑战

先进封装器件往往结构更加复杂，一般可能会包括微凸点、陶瓷基板、硅转接板等多种结构，由不同的材料通过封装工艺组合而成，因此，散热、力学可靠性及三维设计电磁兼容等问题成为微系统设计的技术挑战。

(3)   宇航用IP评测的标准、工具和方法尚不完善

针对宇航用高可靠IP核方面的相关标准尚处于空白状态，IP核评测的方法和工具尚不健全，需要开发专用工具对IP核的安全性、抗辐射能力、功能和性能完备性进行评价，以满足宇航领域高可靠集成应用需求。

(4) 芯粒宇航应用的软硬件生态环境亟待建立

芯粒的构建需要一个高效的产业生态系统的支撑，其中包括IP、已知好芯片、联合仿真平台、封装平台等。而在这个全产业链的各个环节都存在知识产权侵犯、设计思路窃取等安全问题，以及大规模多芯片混合封装器件的高可靠应用保证技术尚不成熟，因此芯粒产品生产和保证存在安全可靠风险。

（5）提质增效是微系统宇航应用可靠性保证的重点目标

由于微系统器件样本量小、价格昂贵，传统的质量保证试验与评价技术周期较长、成本较高，形成高效率、低成本的微系统器件保证方法是当前面临的重要挑战之一，尤其是针对宇航应用环境，需要在深入研究失效机理、失效激发方法、可靠性评价方法等基础上，研究适用于宇航用微系统器件质量保证方法，并形成保证标准及体系。

4 宇航微系统未来发展建议

（1）需针对航天领域在环境适应性、安全性、降额、高可靠性等方面的应用需求，研究制定相关航天器用可靠性IP核交付项标准和评测标准。

（2）芯粒技术的发展和成熟更需要一个新生态的培育，用户方、生产方、质量保证方共策合力，提早谋划，尽早实现芯粒技术的宇航高可靠产品化。

（3）人工智能微系统将逐步应用于航天器深空探测、智能遥感等领域。有必要结合航天器的实际应用特点，研究人工智能等新型算法在空间复杂环境、无人值守、系统高可靠等条件下的应用可靠性，促进人工智能技术宇航应用。

（4）先进封装产品结构复杂，应尽快建立相应的可靠性评价手段及标准，以实现更好更可靠的应用先进封装电子产品。

（5）针对新型互连封装结构开展失效机理研究，明确失效模式和失效激发应力，形成相关试验方法，尤其是针对宇航应用环境的真空、辐射、极端温度等特殊环境应力，制定满足宇航应用要求的质量保证试验与评价方法。

关于我们

航天五院宇航物资保障事业部是中国航天科技集团有限公司型号物资管理部门的核心技术支持机构和质量保证的主导力量。

2015年，航天五院成立了“宇航微系统电子产品保证技术核心专业实验室”，挂靠在航天五院宇航物资保障事业部，为院属核心专业实验室。目前宇航微系统电子产品保证技术实验室共有技术人员30名，其中享受国务院政府特殊津贴的专家3名、国家级专家1名、集团级专家3名，副高级及以上职称人员27名、专业技术人员均具有博士学历。实验室聚焦宇航微系统电子产品可靠性技术研究领域，作为型号用户和研制单位的桥梁，稳步推动新技术成果转化，牵引新产品设计制造，引导型号需求,为航天乃至其他领域的微系统研制、保证及应用提供高端的技术与服务。