CN104482938A

CN104482938A - 基于ltcc工艺微惯性测量单元的三轴结构及制造工艺

Info

Publication number: CN104482938A
Application number: CN201410572140.6A
Authority: CN
Inventors: 何中伟; 俞瑛; 周冬莲; 贺彪; 杜松
Original assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Current assignee: Huadong Photoelectric Integrated Device Research Institute
Priority date: 2014-10-24
Filing date: 2014-10-24
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2034-10-24
Also published as: CN104482938B

Abstract

本发明公开了一种基于LTCC工艺微惯性测量单元的三轴结构及制造工艺，X轴、Y轴、Z轴和主控4个模块的电路器件采用SMT分别集成在一LTCC基板上；将X轴模块和Y轴模块正交侧立安装在Z轴模块LTCC基板的空腔底板上，形成三轴检测量模块；将主控模块、三轴检测模块装配BGA焊接成三轴MIMU组件。本发明采用模块设计，体积小，重量轻，减小尺寸效应带来的不良影响；器件之间互连线短，传输损耗和串扰减小；X轴模块、Y轴模块正交侧立安装在Z轴模块LTCC基板的空腔底板上，有效实现X-Y-Z三轴惯性的立体正交检测，结构简单、工艺可靠、安装准确；外壳散热凸台使MIMU散热性能好，抗外界电磁干扰性能强。

Description

基于LTCC工艺微惯性测量单元的三轴结构及制造工艺

技术领域

本发明涉及一种基于LTCC工艺微惯性测量单元的三轴结构及制造工艺。

背景技术

微惯性测量单元（MIMU）是一种不依赖任何外部信息，也不向外辐射能量的自主式导航系统，可以连续实时提供运动载体位置、速度和姿态信息，具有隐蔽性好、不易受外界干扰、数据更新率高、短期精度高和稳定性好等优点，主要由数据采集和导航解算两大部分组成。

数据采集部分由惯性测量元件、温度传感器、三轴电子罗盘、MEMS（微机电系统）压力传感器、信号调理电路、A/D（数字/模拟）转换电路和FPGA（现场可编程门阵列）控制器等构成。其中，惯性测量元件主要包括3个MEMS加速度计和3个MEMS陀螺仪，正交安装于坐标系的三个正交平面上（每个平面安装加速度计和陀螺仪各1只），用于提供载体在运动坐标系上的线加速度和角速度，采用模拟信号输出；温度传感器、三轴电子罗盘、MEMS压力传感器分别用于误差补偿和提高定位精度。

导航解算部分由DSP（数字信号处理器）及其电源、闪速存贮器等组成，是捷联惯性组合导航系统的核心，主要功能是承担姿态解算任务。

与基于LTCC（低温共烧陶瓷）工艺小型化集成的MIMU结构不同，现有常见惯性测量系统往往采用“正六面体”、“T型”或板式结构件安装惯性器件、其它控制与解算单元则用另外的电路板组装，这存在以下主要缺点：

1）惯性器件安装在立体结构的三个正交面上，电路分布在多块信号板上，易造成电路的连接不可靠性及噪声；

2）在立体结构中，三只加速度计的安装受立体结构尺寸大、不紧凑的影响，由于尺寸效应造成载体运动时加速度计会产生一个较大的额外误差输出，影响导航的精度。

3）立体结构体积庞大，工艺加工精度低、成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于LTCC工艺微惯性测量单元的三轴结构及制造工艺，体积小，重量轻，结构简单，工艺可靠。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于LTCC工艺微惯性测量单元的三轴结构，其特征是，将MIMU组件划分成X轴、Y轴、Z轴和主控4个模块，每个模块的电路器件采用SMT分别集成在一LTCC基板上，其中Z轴模块、主控模块的LTCC基板上开有空腔；

将X轴模块和Y轴模块由直角支架支撑正交侧立安装在Z轴模块LTCC基板的空腔底板上，形成X-Y-Z立体正交的MIMU三轴检测模块；

将主控模块、三轴检测模块的空腔相对装配BGA焊接成一体，形成立体正交的三轴MIMU组件；

所述三轴MIMU组件中的三轴检测模块朝向外壳底座粘接安装在外壳底座内的底板上，MIMU组件上的I/O端子与外壳底座上的连接器端子连通；

所述外壳底座上激光焊一盖板，形成MIMU系统整件。

所述盖板内表面相对DSP信号处理器和DSP电源电路的部位设有散热凸台，与DSP和DSP电源电路相接触形成散热通道。

X轴模块、Y轴模块的LTCC基板的主要尺寸相同，单位mm，包括：

长度L2、宽度H1、厚度h3；

引线焊区：两引线焊点的中心距e2，每个引线焊点的宽度a，每个引线焊点的高度b，

2.0≤e2≤4.5，0.5e2≤a≤0.67e2，0.67a≤b≤a；

Z轴模块、主控模块的LTCC基板的主要尺寸相同，单位mm，包括：

(1) 空腔内边长：L1≥L2＋5.0；

(2) 空腔侧墙厚度：W1≥3.0；

(3) BGA焊点节距：e1≥2.0；

(4) BGA焊点直径D1：0.5e1≤D1≤0.67e1；

(5) 空腔深度：h1≥0.5H1＋0.4；

(6) 空腔底板厚度：h2≥1.5。

直角支架为一呈直角梯形形状的板，单位mm，主要尺寸包括：

1）直角长边长度H2：H1－1.0≤H2≤H1－0.4；

2）直角短边长度W2：3≤W2≤5；

3）板厚度t1：1.5≤t1≤2.5；

4）两直角面夹角：θ1＝90°±0.5°。

Z轴模块LTCC基板的空腔底板上设有X轴模块、Y轴模块垂直安装定位线，定位线由LTCC丝网印刷图形形成；

在X轴模块、Y轴模块的LTCC基板的两端部表面上，设有与LTCC基板长边边缘垂直、相互平行的两条直角支架安装定位线，由LTCC丝网印刷图形形成。

基于LTCC工艺微惯性测量单元的三轴结构制造工艺，其特征是，包括以下步骤:

1）将MIMU组件划分成X轴、Y轴、Z轴和主控4个模块，每个模块的电路器件均集成在一LTCC基板上，其中Z轴模块、主控模块的LTCC基板上开有空腔；

2）4种模块采用SMT将微型封装的所有电路器件组装到对应LTCC基板上而形成；

3）将X轴模块和Y轴模块由直角支架支撑正交侧立安装在Z轴模块LTCC基板的空腔底板上，形成X-Y-Z立体正交的MIMU三轴检测模块；

4）采用焊球阵列BGA焊接工艺，将主控模块、三轴检测模块的空腔相对装配焊接成一体，形成立体正交的三轴MIMU组件；

5）采用粘接的方法，将MIMU组件中的三轴检测模块朝向外壳底座粘接安装在外壳底座内的底板上，将MIMU组件I/O端子及外壳底座上的连接器端子焊接，外壳底座上激光焊一盖板，形成MIMU系统整件。

主控模块上的电路包括：FPGA电路、FPGA配置电路、DSP信号处理器、DSP电源电路、FLASH存贮器、压力传感器、温度传感器、滤波电路及时钟信号产生电路；

三轴检测模块上的电路为：X轴与Y轴模块构成相同（合称为“X-Y轴模块”），各含1个MEMS加速计和1个MEMS陀螺仪；

Z轴模块含1个MEMS加速计、1个MEMS陀螺仪、AD转换电路、低通滤波电路、三态缓冲电路。

MIMU组件安装在外壳底座内, 采用激光封焊工艺，将外壳底座与盖板熔封在一起，盖板内表面相对DSP信号处理器和DSP电源电路的部位设有散热凸台，与DSP和DSP电源电路相接触形成散热通道。

本发明所达到的有益效果：

1）集成化模块设计，体积小，重量轻，最大限度地减小尺寸效应带来的不良影响；

2）采用SMT和BGA微组装工艺，器件之间互连线短，使模块电路的传输损耗和串扰减小，性能得到提高；

3）在设计和制作安装定位标识，并采用直角支架和环氧粘接工艺，将X-Y轴模块（X轴模块、Y轴模块）正交侧立安装在Z轴模块LTCC基板的空腔底板上，不但有效实现X-Y-Z三轴惯性的立体正交检测，而且结构简单、工艺可靠、安装准确；

4）增加金属外壳加散热凸台设计，使MIMU散热性能好，抗外界电磁干扰性能强。

附图说明

图1a　MIMU组件；

图1b　MIMU组件安装到外壳底座内示意图；

图1c　MIMU系统整件；

图2a　MIMU系统的封装结构俯剖视图；

图2b　MIMU系统的封装结构主剖视图；

图3a　Z轴模块、主控模块LTCC基板外形尺寸图；

图3b　图3a的剖视图；

图4a　X-Y轴模块布局及外形尺寸图（主视图）；

图4b　图4a的俯视图；

图4c　图4a的后视图；

图5a　直角支架外形尺寸图；

图5b　图5a的左视图；

图5c 图5a的俯视图；

图6a　三轴检测模块(下模块)布局图;

图6b　图6a的左视图；

图6c　图6a的后视图；

图7a　主控模块(上模块)基板布局图；

图7b　图7a的左视图；

图7c　图7a的后视图；

图8a　外壳底座外形尺寸图；

图8b　图8a的俯视图；

图8c　图8a的左视图；

图9a　盖板外形尺寸图；

图9b　图9a的左视图；

图10　MIMU装配工艺流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

技术方案与特点

1.1 技术方案

（1）简要技术方案

1）结合图2a、图2b，采用LTCC模块设计，将MIMU组件分割成X轴、Y轴、Z轴和主控等4个模块，每个模块的电路器件集成在LTCC基板上，其中Z轴模块和主控模块（主控模块也称“上模块2”）的LTCC基板上开有空腔；

2）采用SMT（表面组装技术），将微型封装的所有电路器件（包括MEMS陀螺和MEMS加速度计）组装到对应LTCC基板上，形成4种LTCC电路模块。

3）采用直角支架和粘接工艺，将X轴模块4和Y轴模块5正交侧立安装在Z轴模块LTCC基板的空腔底板上，形成X-Y-Z立体正交的MIMU三轴检测模块（以下称“下模块1”）。

4）采用BGA（焊球阵列）焊接工艺，将上、下模块2、1面对面装配成一体，形成立体正交的三轴MIMU组件，如图1a；

5）采用粘接的方法，将MIMU组件安装到具有散热功能的10号钢金属外壳底座6内，如图1b，用软排线焊连MIMU组件I/O（输入/输出）端子及外壳底座上的连接器7端子，激光封焊外壳盖板3与外壳底座6，形成MIMU系统整件，如图1c。

（2） MIMU组件分割

根据MIMU三轴结构设计要求，将MIMU组件的工作电原理图分割成主控模块（上模块2）和三轴检测模块（下模块1），其中三轴检测模块又分成X轴、Y轴和Z轴三个模块，每个模块的电路构成如下：

1）主控模块（上模块2）：含FPGA电路、FPGA配置电路、DSP信号处理器、DSP电源电路、闪速（FLASH）存贮器、压力传感器、温度传感器、滤波电路及时钟信号产生电路（晶振）。

2）三轴检测模块（下模块1）：由X轴、Y轴和Z轴三个模块构成，X轴与Y轴模块构成相同（合称为“X-Y轴模块”），各含1个MEMS加速计和1个MEMS陀螺仪，Z轴模块含1个MEMS加速计、1个MEMS陀螺仪、AD转换电路、低通滤波电路、三态缓冲电路。

方案特点

本方案采用LTCC模块设计，X、Y、Z轴惯性器件及其控制器件分别集成在三个LTCC基板上，所有器件选用微封装形式。通过SMT组装工艺，实现微封装器件与LTCC的机械安装和电学互连，形成LTCC电路模块；通过粘接和BGA焊接等微组装工艺，实现LTCC模块之间的机械安装和电学连接，形成具有X-Y-Z三轴立体正交惯性检测的的三轴结构MIMU系统。

结构与工艺设计

2.1 MIMU封装结构设计

MIMU系统封装的结构如图2a、图2b，主要包括以下几方面的设计：

1）模块基板设计采用LTCC基板：Z轴模块、主控模块基板的结构、尺寸均相同，为带空腔的多层LTCC基板，空腔深度和底板层度满足三轴结构和器件布局设计要求；

X-Y轴模块LTCC基板的主要尺寸（图4a、图4b、图4c，单位mm）要求包括：

(1) 长度（L2）、宽度（H1）、厚度（h3）：满足X-Y轴模块器件布线、MIMU抗机械冲击能力的设计要求；

(2) 引线焊区：两引线焊点的中心距e2，每个引线焊点的宽度a，每个引线焊点的高度b，

2.0≤e2≤4.5，0.5e2≤a≤0.67e2，0.67a≤b≤a。

Z轴模块基板、主控模块板LTCC基板的主要尺寸（图3a、图3b，单位mm）要求包括：

(1) 内腔边长：L1≥L2＋5.0；

(2) 空腔侧墙厚度：W1≥3.0；

(3) BGA焊区节距：e1≥2.0；

(4) BGA焊区直径：0.5e1≤D1≤0.67e1；

(5) 空腔深度：h1≥0.5H1＋0.4；

(6) 空腔底板厚度：h2≥1.5。

X-Y轴模块基板为平板多层LTCC基板，基板的长、宽、厚尺寸满足器件布局和机械强度要求；

2） X轴与Y轴正交设计：在Z轴模块LTCC基板的空腔底板上设计有X轴模块、Y轴模块垂直安装定位线，由LTCC印刷图形形成，两轴定位线间的相互垂直度依靠LTCC丝网印刷工艺一次成型来保证，X轴模块与Y轴模块的相互垂直度则由两轴定位线垂直度和安装偏差决定；

3） X-Y轴与Z轴正交设计：在X-Y轴模块（X轴模块、Y轴模块）LTCC基板的两端部表面上，设计有与LTCC基板长边边缘垂直、相互平行的两条直角支架（图9a、图9b）安装定位线，由LTCC印刷图形形成，X轴模块、Y轴模块、Z轴模块间的两两相互垂直度由支架安装定位线与基板边缘的垂直度、支架两直角边的垂直度和安装偏差决定；

4） MIMU组件结构设计：MIMU组件由三轴检测模块（下模块）与主控模块（上模块）叠层组装形成，采用BGA焊接工艺实现上、下两模块间的物理与电学互连，下、上模块的布局分别见图6a、图6b、图6c、图7a、图7b、图7c；

5） MIMU系统整件散热封装设计：MIMU组件安装在具有散热功能的金属外壳底座（图8a、8b、8c）内，针对DSP和DSP电源电路大功率特点，在金属外壳盖板（图9a、图9b）的相应部位设计有散热凸台与之接触以保证快速散热通道；

6）引出线设计：设计采用J30-9ZK型或相当性能的连接器作为MIMU组件对外引出线，用螺钉将连接器固定在外壳底座上。

MIMU装配工艺设计

MIMU系统整件的装配工艺流程如图10，结合图2a、图2b，可按以下程序完成：

1）第①③⑤步，MIMU中的电路元器件与LTCC基板装连：采用SMT技术，通过“焊膏印刷→元器件贴装→再流焊”等工艺过程将电路元器件组装在LTCC基板上；

2）第②步，直角支架与LTCC基板装连：用绝缘粘接剂NJJ1，沿支架安装定位线将直角支架的直角长边面粘接固定到LTCC基板上，形成X-Y轴模块；

3）第④步，X-Y轴模块（X轴模块、Y轴模块各一，完全相同）与Z轴模块装连：采用粘接剂，沿垂直安装定位线（图6a、图6b、图6c）将X轴模块、Y轴模块分别侧立安装到Z轴模块上，形成三轴检测模块（下模块）。X轴、Y轴模块各有7处与Z轴模块LTCC基板相连，其中，2个直角支架的直角短边面采用绝缘粘接剂NJJ2，5个引出线焊区采用导电粘接剂NJJ3，见图2a、图2b；

4）第⑥步，上、下模块装连：采用BGA互连技术，通过“BGA植球→焊膏印刷→定位固定→再流焊”等工艺过程将上、下两模块装配成一整体，形成图1a所示的MIMU组件；

5）第⑦步，连接器与金属外壳底座装配：用螺钉将连接器固定到图8a、图8b、图8c所示的金属外壳底座上，形成封装外壳底座；

6）第⑧步，MIMU组件与封装外壳底座装配：先用衬底粘接剂NJJ4将MIMU组件安装固定到外壳底座内，再用软导线手工铬铁焊连连接器引出端和上模块LTCC基板顶面上的引出线焊区（图7a、图7b、图7c），形成图1b所示的MIMU芯组；

7）第⑨步，封盖：采用激光封焊工艺，将封装外壳底座与图9a、9b所示金属外壳盖板熔封在一起，形成图1c所示的MIMU系统整件。

主要构件要求

3.1 LTCC基板

（1）材料

杜邦LTCC生瓷带及其电子浆料。

直角支架

（1）材料

4J29型可伐合金或热胀系数（CTE）相当的金属材料。

（2）尺寸要求（图5a、图5b、图5c，单位mm）

1）直角长边长度：H1－1.0≤H2≤H1－0.4；

2）直角短边长度：3≤W2≤5；

3）厚度：1.5≤t1≤2.5；

4）支架顶面长度W3＝（0.2～0.5）W2；

5）直角短边高度h4＝（0.2～0.4）H2；

6）两直角面夹角：θ1＝90°±0.5°。

金属外壳

（1）材料

10号钢或热胀系数（CTE）、导热系数相当的金属材料。

（2）尺寸要求

金属外壳底座的主要尺寸（图8a、图8b、图8c，单位mm）要求包括：

1）壁厚t2＝1.0～2.5，壁口台阶宽度t3＝0.5t2；

2）底面长度L3＝L1＋2W1＋2t2＋1；

3）底面宽度W4＝L1＋2W1＋2t2＋(4～10)；

4）底座高度H3＝2（h1＋h2）＋t6＋t4＋0.8×BGA焊球直径＋(0.05～0.1)；

5） D2＝1.5～2.5；

6）底座同侧固定孔间距e4＝（0.5～0.8）W4；

7）底座异侧固定孔间距e5＝L3＋D2＋(2～2.5)；

8）底座总长度L4＝e5＋D2＋(2～2.5)(包含固定耳)；

9）侧壁连接器螺纹孔距壁口高度H4＝5～10；

10）壁口台阶高度H5＝0.5；

11）连接器安装孔长度L5、连接器安装孔宽度W5、两个连接器螺纹孔间距e3、连接器螺纹孔直径Mx的尺寸与连接器相应尺寸匹配。

金属外壳盖板的主要尺寸（图9a、图9b，单位mm）要求包括：

1）盖板长度L7＝L3-2（t2-t3）；

2）盖板内圈长度L6＝L3-2t2-（0.5～0.8）；

3）盖板宽度W7＝W4-2（t2-t3）；

4）盖板内圈宽度 W6＝W4-2t2-（0.5～0.8）；

5）盖板厚度：t6＝1.0；

6）盖板边缘厚度：t7＝0.5；

7）凸台尺寸（凸台长L8、凸台宽W8、凸台高度t4，凸台长L9、凸台宽W9、凸台高度t5）与装配后需传导散热的功率器件匹配设计，即，凸台长宽（L8、W8，L9、W9）比封装功率器件每边小0.5mm～1.0mm，凸台高度（t4，t5）与功率器件顶面间隙0.05mm～0.1mm。

X-Y-Z三轴装配精度要求

三轴平面两两夹角：90°±0.5°。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于LTCC工艺微惯性测量单元的三轴结构，其特征是，将MIMU组件划分成X轴、Y轴、Z轴和主控4个模块，每个模块的电路器件采用SMT分别集成在一LTCC基板上，其中Z轴模块、主控模块的LTCC基板上开有空腔；

所述外壳底座上激光焊一盖板，形成MIMU系统整件。

2.根据权利要求1所述的基于LTCC工艺微惯性测量单元的三轴结构，其特征是，所述盖板内表面相对DSP信号处理器和DSP电源电路的部位设有散热凸台，与DSP和DSP电源电路相接触形成散热通道。

3.根据权利要求1所述的基于LTCC工艺微惯性测量单元的三轴结构，其特征是，X轴模块、Y轴模块的LTCC基板的主要尺寸相同，单位mm，包括：

长度L2、宽度H1、厚度h3；

2.0≤e2≤4.5，0.5e2≤a≤0.67e2，0.67a≤b≤a；

(1) 空腔内边长：L1≥L2＋5.0；

(2) 空腔侧墙厚度：W1≥3.0；

(3) BGA焊点节距：e1≥2.0；

(4) BGA焊点直径D1：0.5e1≤D1≤0.67e1；

(5) 空腔深度：h1≥0.5H1＋0.4；

(6) 空腔底板厚度：h2≥1.5。

4.根据权利要求3所述的基于LTCC工艺微惯性测量单元的三轴结构，其特征是，直角支架为一呈直角梯形形状的板，单位mm，主要尺寸包括：

1）直角长边长度H2：H1－1.0≤H2≤H1－0.4；

2）直角短边长度W2：3≤W2≤5；

3）板厚度t1：1.5≤t1≤2.5；

4）两直角面夹角：θ1＝90°±0.5°。

5.根据权利要求1所述的基于LTCC工艺微惯性测量单元的三轴结构，其特征是，Z轴模块LTCC基板的空腔底板上设有X轴模块、Y轴模块垂直安装定位线，定位线由LTCC丝网印刷图形形成。

6.根据权利要求1所述的基于LTCC工艺微惯性测量单元的三轴结构，其特征是，在X轴模块、Y轴模块的LTCC基板的两端部表面上，设有与LTCC基板长边边缘垂直、相互平行的两条直角支架安装定位线，由LTCC丝网印刷图形形成。

7.一种基于LTCC工艺微惯性测量单元的三轴结构制造工艺，其特征是，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的基于LTCC工艺微惯性测量单元的三轴结构制造工艺，其特征是，主控模块上的电路包括：FPGA电路、FPGA配置电路、DSP信号处理器、DSP电源电路、FLASH存贮器、压力传感器、温度传感器、滤波电路及时钟信号产生电路。

9.根据权利要求7所述的基于LTCC工艺微惯性测量单元的三轴结构制造工艺，其特征是，三轴检测模块上的电路为：X轴与Y轴模块构成相同，各含1个MEMS加速计和1个MEMS陀螺仪；

10.根据权利要求9所述的基于LTCC工艺微惯性测量单元的三轴结构制造工艺，其特征是，MIMU组件安装在外壳底座内, 采用激光封焊工艺，将外壳底座与盖板熔封在一起，盖板内表面相对DSP信号处理器和DSP电源电路的部位设有散热凸台，与DSP和DSP电源电路相接触形成散热通道。