| 单词 | 微波单片集成电路 |
| 释义 | 【微波单片集成电路】 拼译：miicrowave rnonolithic integrated circuit (MMIC)也称单片微波集成电路。虽然混合微波集成电路(HMIC)已能使微波系统小型化、轻量化，但手工操作繁复、生产重复性差、可靠性低。为克服这些缺点，进一步减小体积与重量，并提高电性能与取得良好的一致性，于是积极研制各种功能的MMIC。另一方面，由于HMIC和微型HMIC批量生产成本甚高，故需要大量同样微波电路的系统以及消耗量大或销售量大的装置，也需要使用MMIC。 1967年厄特尔(A．Ertel)研制出世界上第1个X波段SiMMIC收／发开关，但因Si难以制成半绝缘衬底使发展受阻。而早在1964年克罗宁(G．R．Cronin)等就首次用掺Cr的方法可重复制备出电阻率高达107～108Ω·cm的GaAs晶体。半绝缘GaAs衬底几乎是微带传输要求的理想介质，且GaAs电子迁移率是Si的6倍，更适合作微波器件。1966年米德(C．A．Mcad)研制出GaAs金属半导体栅场效应晶体管(MESFET)。GaAs FET的工艺过程与Si FET的相同，故可借助后者当时工艺技术和设备已有的成就。1967年胡珀(W．W．Hooper)等研制出第1个微波GaAs FET。但最大频率fmax只3GHz，不及Si双极晶体管。1970年德蓝盖德(K．E．Drangeid)等研制的1μm栅GaAs FET，fmax达30GHz，性能明显优于那时任何其他晶体管。1972年初，贝齐托尔德(W．Baechtold)研制成功第1个GaAs FET X和Ku波段低噪声放大器。1973年美国无线电公司和日本富士通公司都推出各自研制的GaAs功率FET。1974年富士通第1个X波段瓦级功率GaAs FET问世，从而莫定以MESFET为中心的GaAs MMIC基础。1976年英国普莱塞公司推出世界上第1个GaAs X波段全单片宽带放大器。1979年2月美国德克萨斯仪器公司推出第1个X波段GaAs单片两级推挽功率放大器。同年4月雷声公司推出的是X波段单级单端GaAs单片功率放大器。1981年初，德克萨斯仪器公司研制出X波段GaAs单片4级功率放大器。尽管功率放大器MMIC是应用的关键，但在开发它的这段期间，对GaAs MMIC低噪声放大器、压控振荡器、移相器及耦合器也取得研制成果。1980年HP公司还报导了第1个多功能GaAs MMIC(外差射频信号发生器)。在1980～1984年期间，制造GaAs MMIC的基本条件与工艺有了重大进展：(1)一些厂家已能大量提供用液封切赫劳斯基法生长的5cm和7．5cm半绝缘GaAs晶片；(2)已能用汽相外延和直接离子注入有效地制备有源层，特别是全离子注入工艺的成功应用；(3)电子束直写和光学投影对准的巧妙结合；(4)无源元件与互连要求的两级金属化工艺的实现；(5)建立有源器件和无源元件的研究模型，并开发出设计GaAsMMIC的CAD软件。1985年仅美国就有35家公司涉及GaAs定制线(Foundry)业务，有些能利用其MMIC工艺线开展对外服务，说明工艺水平初步成熟。1986年世界上已有15家公司销售26种型号的MMIC放大器，40种型号的其它MMICs，包括开关、衰减器和压控振荡器以及频率变换子系统等。但价格很贵，难以为用户接受。美国国防尖端研究规划署(DARPA)1986年制定微波和毫米波单片集成电路(MIMIC)发展的7年计划。分0、1、2及3共4阶段实施。0阶段于1987年1月开始，是确定计划的一年；1阶段始于1988年5月，是第1个为期3年的硬件开发期；2阶段始于1991年9月，是第2个为期3年的硬件确定期；3阶段于1989年4月起签订合同，测试和CAD是重点，其次是材料生长工艺(MBE，OMVPE)、刻蚀与封装等关键技术。总目标是实现军方在价格上可承受的高性能、高可靠和可大量重复生产的各种GaAs MIMIC(1～100GHz)产品。焦点是在成本上。1990年DARPA官员科恩(E．D．Cohen)披露，至1989年10月，MIMIC芯片成本已由一年半前每平方毫米20美元降到约3～8美元(最终目标是0．8美元)。芯片成本下降归因于：GaAs衬底的改善CAD、CAM、CAT的发展，特别是三者结合形成的计算机辅助工程(CAE)，如EEsof和HF公司开发的MMIC工作站；整套高产量生产设备的建成；生产方法的改进。而对成本影响最大的首先是测试费用，其次是封装。1989年研制成的注模金属基体复合封装，可使封装成本低于5美元。1991年科恩报导，火炮多选择引信(MOFA)所用MIMIC芯片封装成本为0．25～1．40美元。接受1阶段MIMIC合同的每个协作组都已广泛采用在晶片上的测试技术，剔除制造过程初期就不合格的产品，并且测试时间都已缩短不止一个数量级，这些都导致成本下降。科恩公布，1阶段已经制出80多种MIMIC芯片，用于16种示范样机。灵巧武器、电子战、雷达和通信等军用系统已经、正在或即将采用MIMICs。海湾战争投入战场的系统，如高速抗辐射导弹(HARM)和通用消耗性假目标(GEN－X)，就装有MIMIC生产线制造的芯片。紧接着的是海／空军先进中程空对空导弹(AMRAAM)和反导弹雷达(CC)BRA)。科恩估计，用MIMIC的武器最终将会有50多种。HARM的0．5～4．0GHz中放以MIMIC代替HMIC，费用节约50%。长弓(Longbow)导弹中的毫米波寻的器若以MIMIC取代HMIC，则可节省数千美元。海军远程先进空对空导弹(AAAM)的接收机部分用MIMIC芯片可将其4块电路板减至1块，预计成本节省达1万美元，且体积、重量及性能均可以显著改善。但由于GaAs的热导率不佳，散热较差，大功率集成仍是MMIC的主要难题。这已成为迄今各波段单芯片T／R组件难以有实用化产品的一个主要障碍。MMIC的商业应用也已成为现实。1990年Ku波段直播卫星(DBS)接收机单片GaAs下变频器就已大量进入民品市场。1991年9月下旬查理·黄(Charles Huang)来华讲学时称：Anadigics公司上述芯片年产量为200万块；1992年计划生产1000万块，单价仅为10美元。日本开发GaAs MMIC完全出于民用目的。研制内容侧重卫星通信子系统。NEC－1991年报导的一簇Si双极晶体管宽带MMIC放大器，纯是着眼于L－S波段消费类市场。西欧一些公司也是以民品为主，荷兰Philips尤为典型。国内有代表性的单位是电子部第55研究所，1978年开始研制GaAs MMIC，1981年研制出具有国际水平的X波段单片振荡器。迄今已经开发出20多个型号各种功能的GaAs MMICs。随着分子束外延(MBE)和有机金属汽相外延(OMVPE)工艺的成熟，1986～1991年期间赝晶高电子迁移率晶体管(PHEMT)和异质结双极晶体管(HBT)以及其MMICs都显示出各自的优良性能。美国空军为了生产供相控阵系统用的高性能单芯片T／R组件，已经资助发展一种使HBT和HEMT集成在同一GaAs衬底上的MMIC。研究选择性分子束外延技术，将是一件长期而艰巨的任务，很可能成为研究热点。GaAs HBT微波功率单片放大器、子系统和Ⅲ－V族能带工程器件，尤其是以GaAs衬底赝晶InGaAs HEMT为有源器件的毫米波低噪声／功率单片放大器、子系统，肯定会成为今后的研究热点。向更高一级发展，将是用MMIC技术设计和生产某些微波系统。许多军事成果将会逐渐转为民品。除DBS外，在光纤通信、全球定位系统、蜂窝电话、汽车防撞、甚小孔径终端以及个人通信网络等方面都存在着广阔的应用前景。【参考文献】：1 McQuiddy D N，et al．IEEE Trans．on Microwave Theory and Techniques，1984，32(9)：997～10072 Christon A．IEEE GaAs IC Symp．Tech．Dig．1984，149～1533 Browne J．Microwaves & RF，1986，25(13)：135～1404 Cohen E D．IEEE Microwave and Millimeter-wave Monolithic Circuits Symp．Dig．1988，1～45 Brehm G E．IEEE Trans．on MTT，1990，38(9)：1164～11706 Cahen E D．IEEE Trans．on MTT，1990，38(9)：1171～11747 Dambkes H，et al．Military Microwaves’90 Conference Proceedings，1990，40～458 Bayraktaroglu B．ibid．1990．27～329 COHEN．IEEE MMWMC Symp．Dig．1991，31～3410 Huang C．Microwaves & RF 1991，30(7)：126～129(电子部南京第55研究所陆懋权高级工程师撰) |
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