CN110054143A - 一种小型化抗高过载硅基微系统装置及其组装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化抗高过载硅基微系统装置及其组装方法，该装置区别与传统的硅基微系统封装方法，使得水平基板之间通过POP工艺堆叠，水平基板和垂直基板之间通过POP工艺封装，使得形成了立体封装结构；两个垂直基板一个设置在水平基板的后方，一个设置在水平基板的侧方，形成正交互联结构；基板之间通过树脂进行封装，同实现了基板上元件的有效的保护和灌封，该封装利用POP工艺堆叠和树脂封装，有效的解决了小型化技术及抗高过载的能力；该组装方法适用于小型化综合电子微系统控制模块，通用性高，易于操作，成本较低。

Description

一种小型化抗高过载硅基微系统装置及其组装方法
【技术领域】
本发明属于信息采集、数据处理和控制微系统集成领域，具体涉及一种小型化抗高过载硅基微系统装置及其组装方法。
【背景技术】
常用的微系统装置，目前还停留在单一功能集成的样品芯片上，工艺结构还基于板级和接插件的拼装，主要使用已封装器件，有大量空间闲置。采用常规拼装工艺集成的微系统装置不具备抗高过载冲击的能力，在高过载条件下容易造成基板断裂、板上芯片脱离，以及键和丝焊点分离，导致模块失效。以上问题限制了微系统装置小型化发展和抗高过载能力的提高。因此，需要在电路设计、工艺集成组装方式和整体灌封上采用新方法，来提高微系统装置小型化和抗高过载能力。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种小型化抗高过载硅基微系统装置及其组装方法；该装置通过采用新的电气连接方法和灌封方式，使得有效解决了小型化技术及抗高过载的能力，适用于小型化综合电子微系统控制模块，通用性高，易于操作，成本较低。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种小型化抗高过载硅基微系统装置，包括：相互垂直的水平基板和竖直基板，水平基板从下到上依次包括金属复合基板、第一MCM-L基板、第二MCM-L基板、硅转接基板、第三MCM-L基板和第四MCM-L基板；金属复合基板和第一MCM-L基板固定连接，其余水平基板之间通过POP工艺堆叠；竖直基板包括第五MCM-L基板和第六MCM-L基板，第五MCM-L基板设置在水平基板的后方，第六MCM-L基板设置在水平基板的一侧；基板之间通过树脂进行封装。
本发明的进一步改进在于：
优选的，树脂优选为环氧树脂基封胶。
优选的，各个水平基板之间通过超声波键合飞线实现电气连接，所述飞线为硅铝丝或铝丝；第五MCM-L基板和第六MCM-L基板均通过挠性线路板和第四MCM-L基板连接。
优选的，金属复合基板上设置有栈式堆叠器、第一电容、第一电阻和电源芯片。
优选的，第二MCM-L基板上设置有基带处理芯片。
优选的，硅转接基板上设置有第二电容和FPGA板；硅转接基板上通过TSV工艺连接有玻璃转接基板，玻璃转接基板的下表面焊接有存储器。
优选的，第三MCM-L基板上设置有第三电容、三轴地磁传感器和AD转换器。
优选的，第四MCM-L基板、第五MCM-L基板和第六MCM-L基板上各自设置有单轴MEMS加计和单轴MEMS陀螺仪。
一种上述的小型化抗高过载硅基微系统装置的组装方法，包括以下步骤：
步骤1，在金属复合机基板上固定设置第一MCM-L基板，通过POP工艺在第一MCM-L基板上依次堆叠第二MCM-L基板、硅转接基板、第三MCM-L基板和第四MCM-L基板，完成水平基板的POP工艺堆叠；
步骤2，在水平基板的后方通过挠性线路板将第五MCM-L基板和第四MCM-L基板连接，在水平基板的一侧通过挠性连接带将第六MCM-L基板和第四MCM-L基板连接；
步骤3，通过树脂对基板之间进行灌封。
优选的，硅转接基板上通过TSV工艺连接有玻璃转接基板，玻璃转接基板的下表面通过TSV工艺连接有存储器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种小型化抗高过载硅基微系统装置，该装置区别与传统的硅基微系统组装封装方法，使得水平基板之间通过POP工艺堆叠，垂直基板设置在水平基板的后方和侧方，形成了三维立体结构；两个垂直基板一个设置在水平基板的后方，一个设置在水平基板的侧方，形成正交互联结构；基板之间通过树脂进行封装，实现了基板上元件的有效的保护和灌封；该系统以混合集成工艺为基础，利用POP工艺堆叠和树脂封装，保证系统内部组件形成一个整体，系统在冲击环境下内部组件无相对位移，有效的解决了小型化技术及抗高过载的能力。
进一步的，树脂优选为环氧树脂基胶，具有优异的抗高过载能力。
进一步的，各个基板之间通过飞线实现电气连接，保证数据之间的相互通信。
进一步的，各个基板上设置有不同的元件，各个元件组成硅基微系统中的传感采集层和信息处理层，硅基微系统中还设置有应用层；传感采集层将采集到的外部测量信息发送给信息处理层，并接收信息处理层发来的信息采集命令，完成相应功能；信息处理层将传感采集层采集到的测量信息进行相应处理并发送给应用层，并接受应用层的处理反馈；应用层完成最终的信息处理及算法实现。通过各个元件之间组合和各层之间的交互作用，组合成为硅基微系统。
进一步的，硅转接基板上通过TSV工艺连接有玻璃转接基板，玻璃转接基板通过TSV工艺连接有处理器，使得硅转接基板能够满足高速高密度的互连需求。
进一步的，三个基板上均各自设置有单独的单轴MEMS加计和单轴MEMS陀螺仪，因单轴MEMS加计和单轴MEMS陀螺仪用于完成三轴角速度信息采集和三轴加速度计信息采集；使得该结构能够形成惯性传感器的三轴正交组装。
本申请还公开了一种小型化抗高过载硅基微系统装置组装方法，该方法首先通过POP工艺完成基板之间的堆叠，通过树脂进行基板之间的灌封封胶处理，保证所有裸芯硅片及键和丝均在系统装置内被环氧树脂基封胶灌封保护，通过该种组装方法，使得最终形成的硅基微系统能够具有抗高过载能力。该方法适用于小型化综合电子微系统控制模块，通用性高，易于操作，成本较低。
进一步的，硅转接基板上的元件堆叠采用TSV工艺，以满足高速高密度互连需求。
【附图说明】
图1为本发明硅基微系统装置的三维结构示意图；
图2为本发明硅基微系统装置的二维结构示意图；
图3为本发明硅基微系统的功能实现图；
其中：1-金属复合基板；2-第一MCM-L基板；3-第二MCM-L基板；4-硅转接基板；5-第三MCM-L基板；6-第四MCM-L基板；7-第五MCM-L基板；8-第六MCM-L基板；9-法兰孔；10-栈式堆叠器；11-电源芯片；12-第一电容；13-第一电阻；14-基带处理芯片；15-第二电容；16-存储器；17-玻璃转接基板；18-处理器；19-FPGA板；20-第三电容；21-三轴地磁传感器；22-AD转换器；23-单轴MEMS加计；24-单轴MEMS陀螺仪；25-树脂；26-飞线；27-SMA接口；28-微插头。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明公开了一种小型化抗高过载硅基微系统装置及其组装方法；该装置包括水平基板和竖直基板，水平基板从下到上依次包括金属复合基板1、第一MCM-L基板2、第二MCM-L基板3、硅转接基板4、第三MCM-L基板5和第四MCM-L基板6，竖直基板包括第五MCM-L基板7和第六MCM-L基板8，所有的基板均为功能层；硅基微系统装置通过预留接插件与外部电路进行电气连接。
水平基板中，金属复合基板1作为整个微系统装置的基底，其上依次设置有第一MCM-L基板2、第二MCM-L基板3、硅转接基板4、第三MCM-L基板5和第四MCM-L基板6，上述基板均为水平方向铺设基板；水平基板之间通过POP叠层封装工艺封装，具体来说，金属复合基板1上直接固定设置有第一MCM-L基板2，第一MCM-L基板2和第二MCM-L基板3之间、第二MCM-L基板3和硅转接基板4之间、硅转接基板4和第三MCM-L基板5之间，第三MCM-L基板5和第四MCM-L基板6之间均通过POP工艺堆叠；垂直基板和水平基板通过POP叠层封装工艺封装，具体来说，第五MCM-L基板7设置在所有水平基板的后侧，第六MCM-L基板8设置在所有水平基板的一个侧面，第五MCM-L基板7和所有水平基板的后侧之间不直接接触，第六MCM-L基板8和水平基板的侧面不直接接触；所有的基板之间通过树脂25进行封胶处理，所述树脂25优选为环氧树脂基封胶，基板和基板之间不会直接接触；水平基板之间通过侧边之间的飞线26连接实现基板的电气连接和数据传输；第五MCM-L基板7和第四MCM-L基板6通过挠性连接板连接，第六MCM-L基板8和第四MCM-L基板6也通过挠性连接板连接，实行电连接，进行数据的传输。
金属复合基板1作为整个微系统装置的基底，开设有法兰孔9，其侧边设置有SMA接口，用于与外界传输数据；金属复合基板1焊接设置有第一MCM-L基板2，第一MCM-L基板2焊接有栈式堆叠器10、第一电容12、第一电阻13和电源芯片11，最终形成异构系统；栈式堆叠器10上端穿过第二MCM-L基板3，实现第一MCM-L基板2和第二MCM-L基板3之间的信号传输；电源芯片11和第一MCM-L基板2之间通过飞线26实现电气连接；第一MCM-L基板2的侧面连接有微插头28。
第二MCM-L基板3上焊接有基带处理芯片14，形成异构系统，基带处理芯片14用于完成弹体多信息源算法融合处理、逻辑控制等功能。
硅转接基板4上焊接有第二电容15，FPGA板19，硅转接基板4上通过TSV工艺(硅通孔技术)连接有玻璃转接基板17，玻璃转接基板17的下表面焊接有两个存储器16，玻璃转接基板17的上表面焊接有处理器18；形成异构系统；处理器18和玻璃转接基板17之间通过键合丝实现电连接，FPGA板19和玻璃转接基板17通过TSV工艺在硅转接基板4上实现电连接。
第三MCM-L基板5上焊接有第三电容20、三轴地磁传感器21和AD转换器22，形成异构系统。
第四MCM-L基板6的下表面焊接有单轴MEMS加计23和单轴MEMS陀螺仪24，用于采集Z方向上的信息。
竖直方向的第五MCM-L基板7上，在靠近水平基板的一侧，通过焊接有单轴MEMS加计23和单轴MEMS陀螺仪24，用于采集Y方向上的信息。
第六MCM-L基板8上，在靠近水平基板的一侧，通过焊接有单轴MEMS加计23和单轴MEMS陀螺仪24，用于采集X方向上的信息。
在制备硅基微系统时，在每一个单独MCM-L基板上焊接或通过TSV工艺制备元件后，将包括各个元件的第一MCM-L基板2、第二MCM-L基板3、硅转接基板4、第三MCM-L基板5和第四MCM-L基板6通过POP工艺堆叠，通过挠性线路板将第五MCM-L基板7及第六MCM-L基板8分别和第四MCM-L基板6连接。
本发明的抗高过载硅基微系统，包括传感采集层、信息处理层和应用层，所述传感器采集层包括惯测元件、地磁元件、卫导元件和AD元件。
惯测元件用于测量载体角速度与加速度信息，实现载体的姿态解算，包括单轴MEMS加计23和单轴MEMS陀螺仪24；从上述描述可知，单轴MEMS加计23和单轴MEMS陀螺仪24在第四MCM-L基板6、第五MCM-L基板7和第六MCM-L基板8均设置，分别用于X方向、Y方向和Z方向上的信息；使得该系统能够同时采集三个方向上的数据信息，完成三轴角速度信息采集和三轴加速度计信息采集。
地磁元件包括第三MCM-L基板上的第三电容20和三轴地磁传感器21，用于采集地磁场信息。
卫导元件包括基带处理芯片14和SMA接口27，用于采集卫导信息。
AD元件为AD转换器22，用于采集伺服信息和AD信息。
所述信息处理层包括CPU单元和信号处理单元。CPU单元包括电源芯片11、第一电容12、第二电容15、存储器16、玻璃转接基板17、处理器18和FPGA板19，CPU单元用于完成弹体纯惯性解算(纯惯性捷联解算处理)、地磁导航算法处理、卫导信息处理和伺服控制处理等功能；信号处理单元包括微插头28，用于进行和外接数据的通信与转换。
所述应用层用于完成微系统的算法实现，包括逻辑控制、多信息融合处理、多源导航制导处理、任务重构处理、算法协同处理及其它应用处理等功能。
本发明的微系统由传感采集层、信息处理层及应用层组成，传感采集层将采集到的外部测量信息发送给信息处理层，并接收信息处理层发来的信息采集命令，完成相应功能；信息处理层将传感采集层采集到的测量信息进行相应处理并发送给应用层，并接受应用层的处理反馈；应用层完成最终的信息处理及算法实现。传感采集层主要由惯测采集电路(X向惯测采集电路、Y向惯测采集电路、Z向惯测采集电路)、地磁采集电路、基带处理电路等组成，主要完成三轴角速度信息采集、三轴加速度计信息采集、地磁场信息采集、卫星信号采集、AD信息采集及其它信息采集等功能；信息处理层主要由多核处理器、数据存储器、程序存储器、FPGA等电路组成，主要完成纯惯性捷联解算处理、地磁导航算法处理、卫星导航信息处理、伺服控制处理、数据交换处理及其它信息处理等功能；应用层主要完成微系统的算法实现，包括逻辑控制、多信息融合处理、多源导航制导处理、任务重构处理、算法协同处理及其它应用处理等功能。
上述的硅基微系统装置的组装过程为：
步骤1，将各个元件集成在各自对应的基板上，形成单独的异构系统；
在金属复合基板1上固定设置第一MCM-L基板2，通过POP工艺在第一MCM-L基板2上依次堆叠第二MCM-L基板3、硅转接基板4、第三MCM-L基板5和第四MCM-L基板6，完成水平基板的POP堆叠；
步骤2，在第四MCM-L基板6的后方通过挠性连接带连接第五MCM-L基板7，在第四MCM-L基板6的一侧通过挠性连接带连接第六MCM-L基板8；
步骤3，上述基板通过POP工艺组装完成后，经超声波键合飞线26实现水平基板之间的电气连接，所述飞线26优选为硅铝丝或铝丝。
步骤4，通过树脂25对基板之间进行灌封，实现小体积下多信息融合处理的微小型抗高过载微系统。
本发明提供了一种小型化并具有抗高过载能力的硅基微系统装置，该小型化硅基微系统装置通过多传感器系统架构设计技术、多信息融合处理技术和正交立体集成工艺，传感器高精度、高稳定性正交组装技术、基于硅TSV转接板的多芯片集成工艺应力控制和模块热管理技术等，实现以多核处理器作为核心，集成MEMS惯性传感器、地磁传感器、卫星导航模块等传感器，具备多种外设接口的正交立体集成结构的硅基微系统模块，通过MCM-L基板堆叠方式及PoP工艺进行各功能层组装，通过环氧树脂基封胶进行封胶灌封保护，有效解决了小型化技术及抗高过载的能力，适用于小型化综合电子微系统控制模块，通用性高，易于操作，成本较低。其中的硅转接基板上的元件通过TSV工艺进行连接，能够实现硅微处理系统互连，满足高速高密度互连需求。各个基板上的裸芯之间的电连接通过金属线实现。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小型化抗高过载硅基微系统装置，其特征在于，包括：相互垂直的水平基板和竖直基板，水平基板从下到上依次包括金属复合基板(1)、第一MCM-L基板(2)、第二MCM-L基板(3)、硅转接基板(4)、第三MCM-L基板(5)和第四MCM-L基板(6)；金属复合基板(1)和第一MCM-L基板(2)固定连接，其余水平基板之间通过POP工艺堆叠；竖直基板包括第五MCM-L基板(7)和第六MCM-L基板(8)，第五MCM-L基板(7)设置在水平基板的后方，第六MCM-L基板(8)设置在水平基板的一侧；基板之间通过树脂(25)进行封装。
2.根据权利要求1所述的一种小型化抗高过载硅基微系统装置，其特征在于，树脂(25)为环氧树脂基封胶。
3.根据权利要求1所述的一种小型化抗高过载硅基微系统装置，其特征在于，各个水平基板之间通过超声波键合飞线(26)实现电气连接，所述飞线(26)为硅铝丝或铝丝；第五MCM-L基板(7)和第六MCM-L基板(8)均通过挠性线路板和第四MCM-L基板(6)连接。
4.根据权利要求1所述的一种小型化抗高过载硅基微系统装置，其特征在于，金属复合基板(1)上设置有栈式堆叠器(10)、第一电容(12)、第一电阻(13)和电源芯片(11)。
5.根据权利要求4所述的一种小型化抗高过载硅基微系统装置，其特征在于，第二MCM-L基板(3)上设置有基带处理芯片(14)。
6.根据权利要求5所述的一种小型化抗高过载硅基微系统装置，其特征在于，硅转接基板(4)上设置有第二电容(15)和FPGA板(19)；硅转接基板(4)上通过TSV工艺连接有玻璃转接基板(17)，玻璃转接基板(17)的下表面焊接有存储器(16)。
7.根据权利要求6所述的一种小型化抗高过载硅基微系统装置，其特征在于，第三MCM-L基板(5)上设置有第三电容(20)、三轴地磁传感器(21)和AD转换器(22)。
8.根据权利要求7所述的一种小型化抗高过载硅基微系统装置，其特征在于，第四MCM-L基板(6)、第五MCM-L基板(7)和第六MCM-L基板(8)上各自设置有单轴MEMS加计(23)和单轴MEMS陀螺仪(24)。
9.一种权利要求1所述的小型化抗高过载硅基微系统装置的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在金属复合机基板(1)上固定设置第一MCM-L基板(2)，通过POP工艺在第一MCM-L基板(2)上依次堆叠第二MCM-L基板(3)、硅转接基板(4)、第三MCM-L基板(5)和第四MCM-L基板(6)，完成水平基板的POP工艺堆叠；
步骤2，在水平基板的后方通过挠性线路板将第五MCM-L基板(7)和第四MCM-L基板(6)连接，在水平基板的一侧通过挠性连接带将第六MCM-L基板(8)和第四MCM-L基板(6)连接；
步骤3，通过树脂(25)对基板之间进行灌封。
10.根据权利要求1所述的小型化抗高过载硅基微系统装置的组装方法，其特征在于，硅转接基板(4)上通过TSV工艺连接有玻璃转接基板(17)，玻璃转接基板(17)的下表面通过TSV工艺连接有存储器(16)。
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