CN107063232A - 高密度集成的导航定位授时微装置及其集成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高密度集成的导航定位授时微装置及其集成方法，利用四层组装基板、两个侧面基板和一个底板的系统架构，采用多层LTCC技术及陶瓷厚膜基板技术将各类功能芯片组装到基板上，采用柔性基带互联技术以及焊球技术实现基板间、基板与底板、基板与侧板间的电信号连接，采用三维高密度组装技术实现多基板的立体高精度组装，并采用高密度集成散热技术实现三维芯片堆叠系统的芯片级和封装级散热处理，有效的减轻了系统的物理体积，增强了系统的散热性能。

Description

高密度集成的导航定位授时微装置及其集成方法

技术领域

本发明属于微机电系统集成制造与应用领域，具体而言，涉及一种可用于微小平台的高密度集成的导航定位授时微装置及其集成方法。

背景技术

随着现代科学技术的发展，车辆、飞机、船舶、武器系统等对导航系统提出了越来越高的要求，传统的单一导航方式如惯性导航、全球卫星导航(GNSS)、地磁导航、电子地图等无法满足应用需求，因此，现代导航越来越多的采用了多种导航组合的方式，即复合导航。

复合导航提高了导航系统精度、抗干扰能力性和冗余度。但目前的复合导航系统大都仅仅是将独立的导航系统进行叠加得到，其存在体积大、功耗高、成本高、精度较低、功能较少等问题，无法满足现代化导航的需求。

现有的导航系统应用平台对系统的性能指标提出非常严苛的要求，为实现高性能、小体积、轻重量、低功耗的复合导航微系统，需要对导航系统的总体架构进行优化布局和设计，以实现将各功能元器件在不影响导航性能的前提下以极高的密度集成在运载平台可接受的空间范围内。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种高密度集成的导航定位授时微装置，包括：

四个水平层、两个侧面基板和一个底板，其中四个水平层按自上而下的顺序依次为惯性测量单元实现层、多源导航信息融合解算与能源供给实现层、多导航源芯片单元实现层、守时/授时单元实现层。

此外，还提供了一种的导航定位授时微装置的集成方法，包括：

1)守时/授时单元层的基板贴装在底板上表面；

2)多导航源芯片单元实现层的基板贴装在守时/授时单元层的基板之上；

3)多源导航信息融合解算与能源供给实现层的基板贴装在多导航源芯片单元实现层的基板之上；

4)惯性测量单元实现层的基板贴装在多源导航信息融合解算与能源供给实现层的基板之上；

5)将集成有惯性测量单元的两个侧面基板沿垂直方向立式贴装于底板的底部，并侧向贴装于惯性测量单元实现层的基板上。

本发明采用的芯片级微系统架构，利用多功能高密度互联基板技术、柔性基板技术、系统级组装封装技术，将惯性导航单元、卫星导航单元、AD抗干扰芯片、磁力芯片、高度芯片、解算芯片、芯片原子钟和多路电源管理芯片，分层布局在水平或侧面陶瓷基板上，采用多层LTCC技术提高电子元件的密度，实现了一种多元器件高密度集成的导航微系统复合架构，通过三维集成技术实现三维芯片堆叠和系统级封装，缩小了物理空间，提升了系统架构的利用率，有效减轻了系统的物理体积；另外，通过芯片级和系统级的散热技术，提升从器件自身、到基板、再到系统层面的散热效果，减弱了系统内热量的聚集效应，有利于稳定发挥系统性能。

附图说明

为更清楚说明本发明中的技术方案，下面对现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。

图1为本发明的导航定位授时微装置的侧视结构示意图。

图2为本发明的导航定位授时微装置的爆炸结构示意图。

具体实施方式

考虑导航定位授时微装置所集成的单元含各种测量、导航、计时及其他功能芯片，器件门类多、物理形态不一，需合理安排层次布局和组装方法。

下面将对所提出的实施例的构成和使用进行详细讨论。但是，应该理解的是，所披露的实施例提供了多个可应用的发明概念，其可体现在多种具体情况中。所谈论的具体实施例只是为了说明本文所披露的系统及方法的构成和使用的具体方式，并不对实施例的范围进行限制。

图1示出了适于用来实现本发明实施方式的导航定位授时微装置的侧视结构示意图，图2示出了用来实现本发明实施方式的高密度集成系统结构爆炸图。图1、图2显示的导航定位授时微装置结构图仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图1所示，高密度集成的导航定位授时微装置整体架构由四个水平层、两个侧面基板和一个底板构成，四个水平层按自上而下的顺序依次为惯性测量单元实现层1、多源导航信息融合解算与能源供给实现层2、多导航源芯片单元实现层3、守时/授时单元实现层4。

第一层惯性测量单元实现层1，和两个侧面基板1-2、1-3一起实现惯性数据的测量，并通过时域积分获取实时位置与姿态信息。考虑到导航定位授时微装置在航向、俯仰、横滚三个姿态的参数测量需求，侧面基板1-2、1-3被设置为与第一组水平基板成互相垂直方向，从而实现X/Y/Z三个方向的角速度和加速度测量。另外，侧面基板1-2、1-3通过柔性基板互联技术与第一层水平基板和底板连接，实现电信号互联。

第一层水平基板1-1及侧面基板1-2、1-3上分别装有一组惯性测量单元。

在一个或多个实施例中，惯性测量单元由MEMS陀螺芯片和加速度计芯片组成。

具体的，MEMS陀螺芯片和加速度计芯片采用基于球栅阵列的表面贴装技术及FCP倒扣焊接技术焊接于水平基板1-1及侧面基板1-2、1-3之上。MEMS陀螺芯片焊料凸点采用锡铅/锡银共晶焊料，利用焊球垂直互联技术，通过熔化焊球完成焊料凸点与基板间的垂直互联，形成垂直互联的层叠结构。

基板的材质可以是陶瓷结构，也可以是硅结构。

多源导航信息融合解算与能源供给层2，用于实现导航系统的多源信息融合解算，并向功能单元供给能量。

具体的，多源导航信息融合解算与能源供给层2可以包括水平基板、导航解算芯片组、多功能电源管理芯片组以及实现功能所必需的电阻、电容、电感所组成的外围电路。

在一个或多个实施例中，第二层基板组装采用内埋置多层LTCC高密度集成基板技术，以提高集成电子元器件的密度，采用内埋置多种芯片和器件的多层LTCC高密度集成基板，将实现功能的导航解算芯片组、多功能电源管理芯片以及外围电路内埋置于转接基板中。

多导航源芯片单元层3，集成多种不同源的导航芯片与器件，以及外围电路元件，用于实现基于多种资源的分布式导航功能。

具体的，多导航源芯片单元层3可以包括高度计芯片、磁力计芯片、卫星导航芯片、AD抗干扰芯片，分别实现系统基于气压测量的垂直方向导航、基于地球磁场测量的水平方向导航、以及基于地球卫星的全方位导航定位与授时功能、抗电磁干扰功能。

考虑到高度计芯片、磁力计芯片、卫星导航芯片、AD抗干扰芯片等器件的外围电路集成度不高，并不需要进行内埋置电阻、电容、电感和多层布线，因此第三层基板组装可以采用陶瓷厚膜基板技术，将以上芯片组装于基板3之上。

组装方式可以参照上面第一层基板焊接时所采用的表面贴装技术及倒扣焊接技术，在此不做赘述。

另外，如果多导航源芯片单元层3需要增加更多功能，或要集成更复杂的高度计芯片、磁力计芯片、卫星导航芯片、AD抗干扰芯片等芯片，也可以采用第二层基板的集成方式，将上述芯片及外围电路内埋置于采用LTCC高密度集成基板的第三层水平基板中。

第四层守时/授时单元层4，用于实现导航系统的授时功能。

具体的，守时/授时单元层4包括水平基板、芯片级原子钟组。

考虑到芯片钟的体积、重量均明显高于其它元器件，故将其置于物理架构的最底层。

第四层基板同样可以采用多层LTCC高密度集成基板，将芯片级原子钟组装于基板4之上，组装方式可以与之前描述的焊装方式相同。

上述提到的基板，既可采用高性能陶瓷基板，实现融合解算芯片、电源芯片和外围电路的多层LTCC集成，还可采用以硅作为载板的硅基板技术，有利于集成更高密度的无源和电路芯片的芯片级模块。

在一个或多个发明实施例中，各层水平基板之间、第四层水平基板与底板之间采用焊球方式连接实现电信号连接、水平基板与侧面基板之间、底板与侧面基板之间采用柔性基板互联技术连接实现电信号连接，基板整体贴装固定于底板5上。柔性基带具有可弯曲、可折叠、可变性的性能，方便实现板级的电信号互联。

底板的材质可以是铝制结构。

图2示出了用来实现本发明实施方式的高密度集成系统结构爆炸图。

在一个或多个发明实施例中，导航定位授时微装置的集成方法如下：

1)守时/授时单元层的基板贴装在底板上表面；

2)多导航源芯片单元实现层的基板贴装在守时/授时单元层的基板之上；

3)多源导航信息融合解算与能源供给实现层的基板贴装在多导航源芯片单元实现层的基板之上；

4)惯性测量单元实现层的基板贴装在多源导航信息融合解算与能源供给实现层的基板之上；

5)将集成有惯性测量单元的两个侧面基板沿垂直方向立式贴装于底板的底部，并侧向贴装于惯性测量单元实现层的基板上。

具体的，将组装有芯片原子钟的多层LTCC陶瓷基板贴装在立体铝制底板的上表面。立体铝制底板与多层LTCC陶瓷基板之间可以采用柔性基带，也可以采用焊球连接实现电信号连接。

将集成高度计芯片、磁力计芯片、卫星导航芯片、AD抗干扰芯片的陶瓷厚膜基板贴装于LTCC陶瓷基板之上，多层LTCC陶瓷基板与陶瓷厚膜基板之间采用焊球连接实现电信号连接。

将集成有多源导航解算芯片组、多功能电源管理芯片组、外围电路的内埋置多层LTCC基板贴装于陶瓷厚膜基板之上，陶瓷厚膜基板与内埋置多层LTCC基板通过焊球连接实现电信号互联。

将集成z方向惯性测量单元的基板1-1贴装于内埋置多层LTCC基板之上，将集成有x、y方向MEMS陀螺芯片的基板1-2、1-3沿互为垂直方向立式贴装于铝制底板的底部，并侧向贴装于基板1-1上。

各层水平基板之间、第四层水平基板与底板之间采用焊球方式连接实现电信号连接、水平基板与侧面基板之间、底板与侧面基板之间采用柔性基板互联技术连接实现电信号连接，基板整体贴装固定于底板上，从而实现构件在x、y、z三个方向上基板电路之间的电信号连接。

本发明所提出的导航定位授时微装置，通过三维芯片堆叠和封装高密度集成了导航功能所需的多种元器件。电路密度的提升致使功率密度的增加，而由于物理架构的限制，芯片堆叠时的散热面积又十分有限，这便导致发热量成倍的增加，发热密度大幅提升。本发明提出的封装和系统架构有利于系统封装级散热处理，例如在一个或多个实施例中，第二层水平基板与第二层水平基板采用倒装焊的方法将元件焊装于散热效果较好的LTCC陶瓷基板上，支架结构的设计又有利于架体内空气的对流，起到提升系统散热效果的作用。

本发明的不同芯片或器件的互连、电源管理芯片系统、外围电路无源元件等均可以通过陶瓷基板的技术来实现。考虑系统散热的需求，还可使用硅基载板来代替陶瓷基板。硅基载板在解决由芯片高密度堆叠产生的热管理问题具有一定的优越型。使用硅基板时，倒焊装芯片与基板之间的热膨胀系数的不匹配问题可以基本消除，利于省略在倒装芯片组装工艺中通常需要的底部填充工艺，简化工艺流程，提高生产效率。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (20)

1.一种高密度集成的导航定位授时微装置，所述装置由四个水平层、两个侧面基板和一个底板构成，其特征在于：所述四个水平层按自上而下的顺序依次为惯性测量单元实现层、多源导航信息融合解算与能源供给实现层、多导航源芯片单元实现层、守时/授时单元实现层。

2.根据权利要求1所述的导航定位授时微装置，其特征在于：所述水平层由水平基板及与基板连接的芯片组成。

3.根据权利要求2所述的导航定位授时微装置，其特征在于：所述水平基板和侧面基板为陶瓷结构或硅结构，所述底板为铝制结构。

4.根据权利要求3所述的导航定位授时微装置，其特征在于：各层水平基板之间、第四层水平基板与底板之间采用焊球方式连接实现电信号连接、水平基板与侧面基板之间、底板与侧面基板之间采用柔性基板互联技术连接实现电信号连接，基板整体贴装固定于底板上。

5.根据权利要求4所述的导航定位授时微装置，其特征在于：所述惯性测量单元实现层由惯性测量单元与水平基板焊接而成。

6.根据权利要求5所述的导航定位授时微装置，其特征在于：所述两个侧面基板上分别装有惯性测量单元，所述两个侧面基板与惯性测量单元实现层成互相垂直方向，通过柔性基板互联技术与水平基板和底板连接。

7.根据权利要求6所述的导航定位授时微装置，其特征在于：所述惯性测量单元由MEMS陀螺芯片和加速度计芯片组成。

8.根据权利要求4所述的导航定位授时微装置，其特征在于：所述多源导航信息融合解算与能源供给层包括水平基板、导航解算芯片组、多功能电源管理芯片组以及实现功能所必需的电阻、电容、电感所组成的外围电路。

9.根据权利要求8所述的导航定位授时微装置，其特征在于：所述多源导航信息融合解算与能源供给层采用内埋置多层LTCC高密度集成基板技术，所述导航解算芯片组、多功能电源管理芯片组、外围电路均内埋置于组装于所述多层LTCC高密度集成基板中。

10.根据权利要求4所述的导航定位授时微装置，其特征在于：所述多导航源芯片单元层包括水平基板、高度计芯片、磁力计芯片、卫星导航芯片、AD抗干扰芯片。

11.根据权利要求10所述的导航定位授时微装置，其特征在于：所述多导航源芯片单元层中的水平基板采用陶瓷厚膜基板，所述高度计芯片、磁力计芯片、卫星导航芯片、AD抗干扰芯片组装于所述陶瓷厚膜基板上。

12.根据权利要求4所述的导航定位授时微装置，其特征在于：所述守时/授时单元层包括水平基板、芯片级原子钟组。

13.根据权利要求12所述的导航定位授时微装置，其特征在于：所述守时/授时单元层中的水平基板采用多层LTCC陶瓷基板，所述芯片级原子钟组组装于所述多层LTCC陶瓷基板。

14.根据权利要求2所述的导航定位授时微装置，其特征在于：所述惯性测量单元实现层、多导航源芯片单元实现层、守时/授时单元实现层的芯片均采用基于球栅阵列的表面贴装技术和FCP倒扣焊装技术组装于水平基板或侧面基板上，焊料凸点采用锡铅/锡银共晶焊料，利用焊球垂直互联技术实现焊料凸点与基板间的垂直互联。

15.一种导航定位授时微装置的集成方法，所述装置由四个水平层、两个侧面基板和一个底板构成，所述四个水平层按自上而下的顺序依次为惯性测量单元实现层、多源导航信息融合解算与能源供给实现层、多导航源芯片单元实现层、守时/授时单元实现层，其特征在于：所述装置采用三维集成技术堆叠封装集成，各水平层包括水平基板和功能芯片组。

16.根据权利要求15所述的导航定位授时微装置的集成方法，其特征在于：所述导航定位授时微装置的集成顺序依次是：

1)守时/授时单元层的基板贴装在底板上表面；

2)多导航源芯片单元实现层的基板贴装在守时/授时单元层的基板之上；

3)多源导航信息融合解算与能源供给实现层的基板贴装在多导航源芯片单元实现层的基板之上；

4)惯性测量单元实现层的基板贴装在多源导航信息融合解算与能源供给实现层的基板之上；

5)将集成有惯性测量单元的两个侧面基板沿垂直方向立式贴装于底板的底部，并侧向贴装于惯性测量单元实现层的基板上。

17.根据权利要求16所述的导航定位授时微装置的集成方法，其特征在于：各层水平基板之间、第四层水平基板与底板之间采用焊球方式连接实现电信号连接、水平基板与侧面基板之间、底板与侧面基板之间采用柔性基板互联技术连接实现电信号连接，基板整体贴装固定于底板上。

18.根据权利要求17所述的导航定位授时微装置的集成方法，其特征在于：所述惯性测量单元实现层由MEMS陀螺芯片、加速度计芯片所组成的惯性测量单元焊接在水平基板上形成；所述多源导航信息融合解算与能源供给实现层由多源导航信息解算芯片组、电源管理芯片组以及由电阻、电容、电感组成的外围电路内埋置于水平基板上形成；所述多导航源芯片单元实现层由高度计芯片、磁力计芯片、卫星导航芯片、AD抗干扰芯片焊接于水平基板上形成；所述守时/授时单元层由芯片级原子钟焊接于水平基板上形成。

19.根据权利要求15所述的导航定位授时微装置的集成方法，其特征在于：所述水平基板和侧面基板为陶瓷结构或硅结构，所述底板为铝制结构。

20.根据权利要求15所述的导航定位授时微装置的集成方法，其特征在于：所述惯性测量单元实现层、多导航源芯片单元实现层、守时/授时单元层的水平基板以及侧面基板采用多层LTCC陶瓷结构、所述多源导航信息融合解算与能源供给实现层的水平基板采用陶瓷厚膜结构。