01 微波集成電路(MMIC)是什么意思

單片微波集成電路（MMIC），有時(shí)也稱射頻集成電路(RFIC)，它是隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展，特別是離子摻入控制水平的提高和晶體管自我排列工藝的成熟而出現(xiàn)的一類高頻放大器件。在這類器件中，作為反饋和直流偏置元件的各個(gè)電阻器都采用具有高頻特性的薄膜電阻，并且與各有源器件一起封裝在一個(gè)芯片上，這使得各零件之間幾乎無連線，從而使電路的感抗降至最低，且分布電容也極小，因而可用在工作頻率和頻寬都很高的MMIC放大器中。目前，MMIC的工作頻率已可做到40GHz，頻寬也已達(dá)到15GHz，因而可廣泛應(yīng)用于通信和GPS,等各類設(shè)備的射頻、中頻和本振電路中。

根據(jù)制作材料和內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)的不同，MMIC可以分成兩大類：一類是基于硅晶體管的MMIC，另一類是基于砷化鎵場效應(yīng)管（GaAs FET）的MMIC。GaAs FET類MMIC具有工作頻率高、頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、噪聲低的特點(diǎn)，但價(jià)格昂貴，因此應(yīng)用場合較少；而硅晶體管的MMIC性能優(yōu)越、使用方便，而且價(jià)格低廉，因而應(yīng)用非常廣泛。

微波集成電路是工作在微波波段和毫米波波段，由微波無源元件、有源器件、傳輸線和互連線集成在一個(gè)基片上，具有某種功能的電路?？煞譃榛旌衔⒉呻娐泛蛦纹⒉呻娐?。

微波集成電路起始于20世紀(jì)50年代。微波電路技術(shù)由同軸線、波導(dǎo)元件及其組成的系統(tǒng)轉(zhuǎn)向平面型電路的一個(gè)重要原因，是微波固態(tài)器件的發(fā)展。60～70年代采用氧化鋁基片和厚膜薄膜工藝；80年代開始有單片集成電路。

02 微波集成電路的分類

混合微波集成電路是采用薄膜或厚膜技術(shù)，將無源微波電路制作在適合傳輸微波信號(hào)的基片上的功能塊。電路是根據(jù)系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)制造的。常用的混合微波集成電路有：微帶混頻器、微波低噪聲放大器、功率放大器、倍頻器、相控陣單元等各種寬帶微波電路。

單片微波集成電路是采用平面技術(shù)，將元器件、傳輸線、互連線直接制做在半導(dǎo)體基片上的功能塊。砷化鎵是最常用的基片材料。單片微波集成電路包括多種功能電路，如低噪聲放大器（LNA）、功率放大器、混頻器、上變頻器、檢波器、調(diào)制器、壓控振蕩器（VCO）、移相器、開關(guān)、MMIC收發(fā)前端，甚至整個(gè)發(fā)射/接收（T/R）組件（收發(fā)系統(tǒng)）。由于MMIC的襯底材料（如GaAs、InP）的電子遷移率較高、禁帶寬度寬、工作溫度范圍大、微波傳輸性能好，所以MMIC具有電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、功率大、附加效率高、抗電磁輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

03 MMIC（單片微波集成電路）封裝

隨著工作頻率的增加，封裝的寄生現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)性能的影響越來越大。為了把這些影響減到最小，封裝的型式和典型阻抗特性的設(shè)計(jì)都要很謹(jǐn)慎，保證必須的機(jī)械性能和電氣性能。

一般使用典型的Ag/Cu釬焊，但是Ag/Cu/In和Au釬焊比如Au/Ge和Au/Sn，也可以用到那些需要低溫釬焊的地方。這種方式可以減小釬焊應(yīng)力，因?yàn)榉庋b里的其他材料需要較低的溫度。法蘭材料可以是ASTM F-15，W/Cu， Mo/Cu，或均勻的AlSiC。

MMIC封裝的主要應(yīng)用包括：高可靠性（hi-reliability）領(lǐng)域。其他應(yīng)用包括：信息處理（info processing）和電訊（telecommunications）領(lǐng)域。

04 微波集成電路的國外概況

自1974年，美國的Plessey公司用GaAs FET作為有源器件，GaAs半絕緣襯底作為載體，研制成功世界上第一塊MMIC放大器以來，在軍事應(yīng)用（包括智能武器、雷達(dá)、通信和電子戰(zhàn)等方面）的推動(dòng)下，MMIC的發(fā)展十分迅速。

80年代，隨著分子束外延、金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積技術(shù)（MOCVD）和深亞微米加工技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，MMIC發(fā)展迅速。1980年由Thomson-CSF和Fujitsu兩公司實(shí)驗(yàn)室研制出高電子遷移率晶體管（HEMT），在材料結(jié)構(gòu)上得到了不斷的突破和創(chuàng)新。1985年Maselink用性能更好的InGaAs溝道制成的贗配HEMT（PHEMT），使HEMT向更調(diào)頻率更低噪聲方向發(fā)展。繼HEMT之后，1984年用GaAlAs/GaAs異質(zhì)結(jié)取代硅雙極晶體管中的P-N結(jié)，研制成功了頻率特性和速度特性更優(yōu)異的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）和HBT MMIC。由于InP材料具有高飽和電子遷移率、高擊穿電場、良好的熱導(dǎo)率、InP基的晶格匹配HEMT，其性能比GaAs基更為優(yōu)越，近年來隨著InP單晶的制備取得進(jìn)展，InP基的HEMT、PHEMT、MMIC性能也得到很大的提高。

微波單片集成電路具有電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、功率大、附加效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，并可縮小的電子設(shè)備體積、重量減輕、價(jià)格也降低不少，這對(duì)軍用電子裝備和民用電子產(chǎn)品都十分重要。美國、日本、西歐都把MMIC作為國家發(fā)展戰(zhàn)略的核心，競相投入大量的人力、物力，展開激烈的競爭。

80年代中期以前的MMIC，頻率一般在40GHz以下，器件是采用柵長為0.5mm左右的GaAs 金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFET）。后來在低噪聲MMIC領(lǐng)域的先進(jìn)水平都被HEMT、PHEMT和近年來飛速發(fā)展的InP HEMT所取代，InP基HEMT的最佳性能是fT為340GHz，fmax為600GHz。目前，低噪聲MMIC放大器的典型水平為29～34GHz下，2級(jí)LNA噪聲為1.7dB，增益為17dB；92～96GHz，3級(jí)LNA噪聲為3.3dB，增益為20dB；153～155GHz，3級(jí)低LNA增益為12dB。

美國TRW公司已研制成功MMIC功率放大器芯片，Ka波段輸出功率為3.5W，相關(guān)功率增益11.5dB，功率附加效率為20％，60GHz的MMIC輸出功率為300mW，效率22％，94GHz采用0.1mm AlGaAs/InGaAs/GaAs T型柵功率二級(jí)MMIC，最大輸出功率300mW，最高功率附加效率為10.5％。

HP公司研制了6～20GHz單片行波功率放大器，帶內(nèi)最小增益為11dB，帶內(nèi)不平坦度為±0.5dB，20GHz處1dB壓縮點(diǎn)輸出功率達(dá)24dB。Raythem. Samvng及Motorola聯(lián)合開發(fā)的X-Ku波段，MMIC單片輸出功率達(dá)3.5W，最大功率附加效率為49.5％。

西屋公司研制成功直流-16GHz，6位數(shù)字衰減器MMIC，16GHz插損小于5dB。

日本三菱電器公司研制的大功率多柵條AlGaAs/GaAs HBT，在12GHz下功率附加效率為72％；NEC公司開發(fā)的26GHz AlGaAs/GaAs大功率HBT器件達(dá)到了目前最高輸出功率（740mW）和功率附加效率（42％）。

05 微波集成電路的影響

微波單片集成電路已成為當(dāng)前發(fā)展各種高科技武器的重要支柱，已廣泛用于各種先進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、電子戰(zhàn)、通信系統(tǒng)、陸?？栈母鞣N先進(jìn)的相控陣?yán)走_(dá)（特別是機(jī)載和星載雷達(dá)），在民用商業(yè)的移動(dòng)電話、無線通信、個(gè)人衛(wèi)星通信網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)、直播衛(wèi)星接收和毫米波自動(dòng)防撞系統(tǒng)等方面已形成正在飛速發(fā)展的巨大市場。

美國國防部在1986到1994年實(shí)施了發(fā)展軍事微電子總計(jì)劃之一的《MIMIC》計(jì)劃，該計(jì)劃在美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARDA）的領(lǐng)導(dǎo)下，采用以聯(lián)邦政府巨額支助的方針，動(dòng)員全國高校和工業(yè)部門各大公司的力量，分工合作，對(duì)MMIC領(lǐng)域開展廣泛而深入的研究。美聯(lián)邦政府投入資金共計(jì)5.3億元，加上美工業(yè)部門投入，實(shí)際已超過10億美元。在此計(jì)劃的激勵(lì)下，MMIC芯片制造和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展十分迅速。

據(jù)1994年七月出版的《Aviation Week Space Technology》報(bào)導(dǎo)雷聲公司和TI公司為美國沙姆導(dǎo)彈實(shí)驗(yàn)場研制GBR陸基雷達(dá)，該雷達(dá)使用25000個(gè)T/R組件，每個(gè)組件使用9塊GaAs MMIC。由于這種相控陣?yán)走_(dá)工作在X波段，它比"愛國者"導(dǎo)彈系統(tǒng)使用的C波段雷達(dá)有更好的分辨力。美F-15，F(xiàn)-16戰(zhàn)斗機(jī)都使用MMIC相控陣?yán)走_(dá)。每部雷達(dá)使用9000個(gè)T/R組件，而每個(gè)組件使用10塊MMIC。F-15，F(xiàn)-16等戰(zhàn)斗機(jī)還使用寬帶、超寬帶MMIC組成二維電子戰(zhàn)陣列和信道化干擾設(shè)備。MMIC還在精確制導(dǎo)等靈巧武器和軍事通信得到廣泛應(yīng)用，其優(yōu)越性在海灣戰(zhàn)爭中得以體現(xiàn)。

進(jìn)入90年代，隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束，MMIC在民用方面應(yīng)用發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，每年正以15～20％的速度增長，預(yù)計(jì)現(xiàn)在的電信、電視、廣播業(yè)到21世紀(jì)初將發(fā)生劃時(shí)代的變革，衛(wèi)星電信、衛(wèi)星電視、衛(wèi)星廣播、衛(wèi)星電纜接收網(wǎng)絡(luò)成為多種傳播的主體，預(yù)計(jì)在2000年前后，MMIC電路將達(dá)到數(shù)千個(gè)品種，批生產(chǎn)形成的軍用和民用市場在100億美元左右。因此MMIC的發(fā)展前景極為廣闊。

審核編輯：湯梓紅