CN108286967A - 多源传感器高密度集成装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多源传感器高密度集成装置，所述装置由六个水平层、两个垂直功能实现层构成，所述六个水平层自上而下的顺序依次为偏振导航实现层、X方向惯性导航层、多源导航融合处理层、能源供给层、信号处理层、图像导航与授时层，所述两个垂直功能实现层垂直设置于所述六个水平层两侧，所述两个垂直功能实现层分别为Y方向惯性导航层、Z方向惯性导航层。本发明的有益效果在于，采用基于硅基转接板的多功能基板混合集成架构，采用TSV硅通孔、RDL再布线和金属球焊工艺实现基板间的电信号互联，有利于高密度2.5维堆叠集成基于不同原理的导航传感系统芯片级模块，大幅降低了微系统的体积、重量，提升了系统空间的利用率，提高了集成化水平。

Description

多源传感器高密度集成装置和方法
技术领域
本发明涉及微系统异构集成制造领域，特别是一种多源传感器高密度集成装置和方法。
背景技术
导航系统是车辆、飞机、舰船等机动平台获取实时位置和方向、按时完成既定任务的必要手段。基于不同原理，出现了卫星、惯性、地磁、天文、图像等形态各异的导航方法。但单一源的导航往往受限于特定的环境或条件，难以满足长时、未知、复杂环境下的导航要求。
将两种或两种以上的导航方法有机联合起来的组合导航，逐步演变成为现代导航的主要方式。组合导航系统，可充分发挥各方法的优势，极大的提高了系统的稳定性和可靠性，在导航精度和抗干扰性能上有很大的改观。
然而，组合导航系统集成了多个导航子系统，现有的技术仅仅是出于分立系统的物理拼接和功能叠加，组装后系统存在体积过大、重量过高、功耗过多的显著问题，无法满足在微小型平台上的导航要求。
发明内容
本发明公开一种多源传感器高密度集成装置和方法，以解决现有微小型平台的高精度、低功耗、小体积、轻量化的导航需求的问题，本发明提出的一种基于硅基转接板的多功能基板混合集成架构，将偏振光传感器、图像传感器、惯性传感器、芯片原子钟等传感授时功能单元、以及电源电路、多源导航解算电路、无源器件等合理分层组装于硅基转接板上，同时通过TSV-RDL及金属球焊技术，实现不同功能板级间的电信号连接，通过2.5维高密度组装技术，实现多基板的立体高精度组装，最终实现多种传感单元的高密度系统异构集成。本发明的集成装置包括：
所述装置由六个水平层、两个垂直功能实现层构成，所述六个水平层自上而下的顺序依次为偏振导航实现层、X方向惯性导航层、多源导航融合处理层、能源供给层、信号处理层、图像导航与授时层，所述两个垂直功能实现层设置于所述六个水平层两侧，所述两个垂直功能实现层分别为Y方向惯性导航层、Z方向惯性导航层。
所述水平层由水平基板及与基板连接的芯片组成，所述垂直功能实现层由垂直基板及与基板连接的芯片组成。
所述水平基板与垂直基板以LTCC陶瓷基板作为底板，在所述LTCC陶瓷基板上集成硅基转接板，在所述硅基转接板进行所述芯片的异构集成。
各层LTCC陶瓷基板之间采用金属球焊方式实现电信号连接，各层硅基转接板之间采用TSV硅通孔方式实现电信号连接，各层硅基转接板与LTCC陶瓷基板之间采用RDL再布线方式实现电信号连接。
本发明还公开一种多源传感器高密度集成装置的集成方法，所述装置由六个水平层、两个垂直功能实现层构成，所述六个水平层自上而下的顺序依次为偏振导航实现层、X方向惯性导航层、多源导航融合处理层、能源供给层、信号处理层、图像导航与授时层，所述两个垂直功能实现层设置于所述六个水平层两侧，所述两个垂直功能实现层分别为Y方向惯性导航层、Z方向惯性导航层，其特征在于：所述装置各水平层包括水平基板和芯片，所述水平基板包括LLCC陶瓷基板和在所述LLCC陶瓷基板上集成的硅基转接板，所述硅基转接板上采用2.5维异构集成方式集成所述芯片。
所述多源传感器高密度集成装置的集成顺序依次是：
1)将导航图像与授时层安装在底层；
2)将信号处理层的基板贴装在所述导航图像与授时层基板之上；
3)将能源供给层的基板贴装在所述信号处理层基板之上；
4)将多源导航融合处理层的基板贴装在所述能源供给层基板之上；
5)将X方向惯性导航层的基板贴装在所述多源导航融合处理层基板之上；
6)将偏振导航实现层的基板贴装在所述X方向惯性导航层基板之上；
7)将两个垂直功能实现层的基板沿垂直方向分别立式贴装于导航图像与授时层的基板两侧，并侧向贴装于偏振导航实现层的基板上。
本发明的有益效果包括：本发明提供的多源传感器高密度集成装置和方法，采用基于硅基转接板的多功能基板混合集成架构，采用金属球焊工艺实现LTCC陶瓷基板间的电信号互联，有利于高密度2.5维堆叠集成基于不同原理的导航传感系统芯片级模块，大幅降低了微系统的体积、重量，提升了系统空间的利用率，提高了集成化水平，同时根据芯片的散热功率合理安排器件在各层级基板的分布，提升从器件自身、到基板、再到系统层面的散热效果，实现了更好的芯片高密度堆叠系统的散热性能，同时省略了在倒装芯片组装工艺中通常需要的底部填充工艺，以及基于LTCC陶瓷基板的多层布线技术，大大简化了工艺制作流程，提高了生产效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是多源传感器高密度集成装置爆炸图；
图2是多源传感器高密度集成装置结构图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例一
图1是多源传感器高密度集成装置爆炸图，所述装置由六个水平层、两个垂直功能实现层构成，所述六个水平层自上而下的顺序依次为偏振导航实现层1、X方向惯性导航层2-1、多源导航融合处理层3、能源供给层4、信号处理层5、图像导航与授时层6，所述两个垂直功能实现层垂直设置于所述六个水平层两侧，所述两个垂直功能实现层分别为Y方向惯性导航层2-2、Z方向惯性导航层2-3。
所述水平层由水平基板及与基板连接的芯片组成，所述垂直功能实现层由垂直基板及与基板连接的芯片组成。
所述水平基板与垂直基板以LTCC陶瓷基板作为底板，在所述LTCC陶瓷基板上集成硅基转接板，在所述硅基转接板进行所述芯片的2.5维异构集成。
所述各层LTCC陶瓷基板之间采用金属球焊方式实现电信号连接，所述硅基转接板与所述芯片之间采用TSV硅通孔和RDL再布线方式实现电信号连接，所述硅基转接板与所述LTCC陶瓷基板之间采用TSV硅通孔和RDL再布线方式实现电信号连接
基于导航信息对外部偏振光信息的获取需求，所述装置的最上层设置为偏振导航实现层1，实现基于大气偏振特性和昆虫复眼结构的天空偏振光信息的探测，感测天空偏振度和偏振角信息的变化，为惯性测量单元提供姿态校正信息，包括特定波段滤光片、纳米压印光栅、光电探测芯片、硅基转接板、LTCC陶瓷基板，所述纳米压印光栅、所述光电探测芯片采用2.5维异构集成方式组装于所述硅基转接板上。
为用于实现航向、俯仰、横滚三个方向的角速度和加速度分量的测量，设置X方向惯性导航层2-1、Y方向惯性导航层2-2、Z方向惯性导航层2-3，所述X方向惯性导航层2-1包括MEMS陀螺芯片、MEMS加速度计芯片、硅基转接板、LTCC陶瓷基板，所述MEMS陀螺芯片、所述MEMS加速度计芯片采用2.5维异构集成方式组装于所述硅基转接板上。
所述Y方向惯性导航层2-2包括MEMS陀螺芯片、MEMS加速度计芯片、硅基转接板、LTCC陶瓷基板，所述MEMS陀螺芯片、所述MEMS加速度计芯片采用2.5维异构集成方式组装于所述硅基转接板上。
所述Z方向惯性导航层2-3，用于实现基于多个导航系统的多源导航信息融合处理的功能，包括MEMS陀螺芯片、MEMS加速度计芯片、硅基转接板、LTCC陶瓷基板，所述MEMS陀螺芯片、所述MEMS加速度计芯片采用2.5维异构集成方式组装于所述硅基转接板上。
所述多源导航融合处理层3，用于实现基于多个导航系统的多源导航信息融合处理的功能，包括多源信息解算处理芯片、硅基转接板、LTCC陶瓷基板，所述多源信息解算处理芯片采用2.5维异构集成方式组装于所述硅基转接板上。
所述能源供给层4，用于实现导航系统的持续供能的功能，包括电源管理芯片组、配套电路、硅基转接板、LTCC陶瓷基板，所述电源管理芯片组、所述配套电路采用2.5维异构集成方式组装于所述硅基转接板上。
所述信号处理层5，用于将各单元采集的信号进行AD转换等信号预处理操作，包括可服务于多层信号处理的AD转换芯片、硅基转接板、LTCC陶瓷基板，所述AD转换芯片采用2.5维异构集成方式组装于所述硅基转接板上。
所述图像导航与授时层6，用于利用CMOS图像传感器实现对周围环境的图像信息的采集，同时利用芯片原子钟实现系统的守时授时功能，包括CMOS图像传感器、芯片原子钟、硅基转接板、LTCC陶瓷基板，所述CMOS图像传感器、所述芯片原子钟采用2.5维异构集成方式组装于所述硅基转接板上。考虑CMOS图像传感器需对外部环境直接感测的需要、以及芯片原子钟的重量和体积略高于其它层级元件的情况，故将二者皆置于外层，其中，CMOS图像传感器的镜头和玻片置于基板外侧。
组装完成的多源传感器高密度集成装置结构图如图2所示。
实施例二
一种多源传感器高密度集成装置的集成方法，所述装置由六个水平层、两个垂直功能实现层构成，所述六个水平层自上而下的顺序依次为偏振导航实现层、X方向惯性导航层、多源导航融合处理层、能源供给层、信号处理层、图像导航与授时层，所述两个垂直功能实现层设置于所述六个水平层两侧，所述两个垂直功能实现层分别为Y方向惯性导航层、Z方向惯性导航层，所述装置各水平层包括水平基板和芯片，所述水平基板包括LLCC陶瓷基板和在所述LLCC陶瓷基板上集成的硅基转接板，所述硅基转接板上采用2.5维异构集成方式异构集成所述芯片。
所述多源传感器高密度集成装置的集成顺序依次是：
1)将导航图像与授时层安装在底层；
2)将信号处理层的基板贴装在所述导航图像与授时层基板之上；
3)将能源供给层的基板贴装在所述信号处理层基板之上；
4)将多源导航融合处理层的基板贴装在所述能源供给层基板之上；
5)将X方向惯性导航层的基板贴装在所述多源导航融合处理层基板之上；
6)将偏振导航实现层的基板贴装在所述X方向惯性导航层基板之上；
7)将两个垂直功能实现层的基板沿垂直方向分别立式贴装于导航图像与授时层的基板两侧，并侧向贴装于偏振导航实现层的基板上。
所述装置各垂直功能实现层包括垂直基板和芯片，所述垂直基板以LTCC陶瓷基板作为底板，在所述LTCC陶瓷基板上集成硅基转接板，在所述硅基转接板进行所述芯片的2.5维异构集成。
在各LTCC陶瓷基板平面上制造金属凸点焊球，在所述各层LTCC陶瓷基板之间采用金属球焊方式实现电信号连接，所述硅基转接板与所述芯片之间采用TSV硅通孔和RDL再布线方式实现电信号连接，所述硅基转接板与所述LTCC陶瓷基板之间采用TSV硅通孔和RDL再布线方式实现电信号连接。
在各层水平基板和垂直基板表面的器件电路等组装好后，采用2.5维立体高密度组装技术实现六个水平层和两个垂直功能实现层的系统级封装。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种多源传感器高密度集成装置，所述装置由六个水平层、两个垂直功能实现层构成，其特征在于：
所述六个水平层自上而下的顺序依次为偏振导航实现层、X方向惯性导航层、多源导航融合处理层、能源供给层、信号处理层、图像导航与授时层，所述两个垂直功能实现层垂直设置于所述六个水平层两侧，所述两个垂直功能实现层分别为Y方向惯性导航层、Z方向惯性导航层。
2.根据权利要求1所述的多源传感器高密度集成装置，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，所述垂直功能实现层由垂直基板及与基板连接的芯片组成。
3.根据权利要求2所述的多源传感器高密度集成装置，其特征在于，所述水平基板与垂直基板以LTCC陶瓷基板作为底板，在所述LTCC陶瓷基板上集成硅基转接板，在所述硅基转接板进行所述芯片的异构集成。
4.根据权利要求3所述的多源传感器高密度集成装置，其特征在于，各层LTCC陶瓷基板之间采用金属球焊方式实现电信号连接。
5.根据权利要求3所述的多源传感器高密度集成装置，其特征在于，所述硅基转接板与所述芯片之间采用TSV硅通孔和RDL再布线方式实现电信号连接。
6.根据权利要求3所述的多源传感器高密度集成装置，其特征在于，所述硅基转接板与所述LTCC陶瓷基板之间采用TSV硅通孔和RDL再布线方式实现电信号连接。
7.根据权利要求1所述的多源传感器高密度集成装置，其特征在于，所述偏振导航实现层包括特定波段滤光片、纳米压印光栅、光电探测芯片、硅基转接板、LTCC陶瓷基板，所述特定波段滤光片、所述纳米压印光栅、所述光电探测芯片组装于所述硅基转接板上。
8.根据权利要求1所述的多源传感器高密度集成装置，其特征在于，所述X方向惯性导航层包括MEMS陀螺芯片、MEMS加速度计芯片、硅基转接板、LTCC陶瓷基板，所述MEMS陀螺芯片、所述MEMS加速度计芯片组装于所述硅基转接板上。
9.根据权利要求1所述的多源传感器高密度集成装置，其特征在于，所述多源导航融合处理层包括多源信息解算处理芯片、硅基转接板、LTCC陶瓷基板，所述多源信息解算处理芯片组装于所述硅基转接板上。
10.根据权利要求1所述的多源传感器高密度集成装置，其特征在于，所述能源供给层包括电源管理芯片组、配套电路、硅基转接板、LTCC陶瓷基板，所述电源管理芯片组、所述配套电路组装于所述硅基转接板上。
11.根据权利要求1所述的多源传感器高密度集成装置，其特征在于，所述信号处理层包括可服务于多层信号处理的AD转换芯片、ARM芯片、硅基转接板、LTCC陶瓷基板，所述AD转换芯片与所述ARM芯片组装于所述硅基转接板上。
12.根据权利要求1所述的多源传感器高密度集成装置，其特征在于，所述图像导航与授时层包括CMOS图像传感器、芯片原子钟、硅基转接板、LTCC陶瓷基板，所述CMOS图像传感器、所述芯片原子钟组装于所述硅基转接板上。
13.根据权利要求1所述的多源传感器高密度集成装置，其特征在于，所述Y方向惯性导航层包括MEMS陀螺芯片、MEMS加速度计芯片、硅基转接板、LTCC陶瓷基板，所述MEMS陀螺芯片、所述MEMS加速度计芯片组装于所述硅基转接板上。
14.根据权利要求1所述的多源传感器高密度集成装置，其特征在于，所述Z方向惯性导航层包括MEMS陀螺芯片、MEMS加速度计芯片、硅基转接板、LTCC陶瓷基板，所述MEMS陀螺芯片、所述MEMS加速度计芯片组装于所述硅基转接板上。
15.一种多源传感器高密度集成装置的集成方法，所述装置由六个水平层、两个垂直功能实现层构成，所述六个水平层自上而下的顺序依次为偏振导航实现层、X方向惯性导航层、多源导航融合处理层、能源供给层、信号处理层、图像导航与授时层，所述两个垂直功能实现层设置于所述六个水平层两侧，所述两个垂直功能实现层分别为Y方向惯性导航层、Z方向惯性导航层，其特征在于：所述装置各水平层包括水平基板和芯片，所述水平基板包括LLCC陶瓷基板和在所述LLCC陶瓷基板上集成的硅基转接板，所述硅基转接板上采用2.5维异构集成方式集成所述芯片。
16.根据权利要求15所述的多源传感器高密度集成装置的集成方法，其特征在于，所述多源传感器高密度集成装置的集成顺序依次是：
1)将导航图像与授时层安装在底层；
2)将信号处理层的基板贴装在所述导航图像与授时层基板之上；
3)将能源供给层的基板贴装在所述信号处理层基板之上；
4)将多源导航融合处理层的基板贴装在所述能源供给层基板之上；
5)将X方向惯性导航层的基板贴装在所述多源导航融合处理层基板之上；
6)将偏振导航实现层的基板贴装在所述X方向惯性导航层基板之上；
7)将两个垂直功能实现层的基板沿垂直方向分别立式贴装于导航图像与授时层的基板两侧，并侧向贴装于偏振导航实现层的基板上。
17.根据权利要求16所述的多源传感器高密度集成装置的集成方法，其特征在于，所述装置各垂直功能实现层包括垂直基板和芯片，所述垂直基板以LTCC陶瓷基板作为底板，在所述LTCC陶瓷基板上集成硅基转接板，在所述硅基转接板进行所述芯片的2.5维异构集成。
18.根据权利要求17所述的多源传感器高密度集成装置的集成方法，其特征在于，所述各层LTCC陶瓷基板之间采用金属球焊方式实现电信号连接，所述硅基转接板与所述芯片之间采用TSV硅通孔和RDL再布线方式实现电信号连接，所述硅基转接板与所述LTCC陶瓷基板之间采用TSV硅通孔和RDL再布线方式实现电信号连接。
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