CN112344929A - 一种多层裸芯片堆叠3d异质异构集成导航微系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多层裸芯片堆叠3D异质异构集成导航微系统，属于导航技术领域。该导航微系统包括：顶层安装的三轴加速度计芯片、Z轴陀螺芯片、三轴磁场计芯片、气压高度计芯片、电源芯片、通信芯片和与北斗导航天线连接的IPX座；侧壁安装的X轴陀螺芯片和Y轴陀螺芯片；底部腔体内部安装的导航计算机硅电路和北斗导航硅电路。本发明采用多层裸芯片垂直方向堆叠、高密度布线硅基电路、硅与LTCC电路异质异构高密度集成等先进的微系统技术，大幅度提高了导航系统的集成度，减小了体积、重量、功耗，提高了系统精度和可靠性。

Description

一种多层裸芯片堆叠3D异质异构集成导航微系统

技术领域

本发明属于导航技术领域，涉及导航微系统，具体涉及一种多层裸芯片堆叠3D异质异构集成导航微系统。

背景技术

现有的导航系统、组合导航系统采用分离元器件、组件、模块、普通PCB电路板以及产品结构件组装而成，体积大、功耗高、重量重、成本高，近年来，随着科学技术的迅猛发展，现代单兵装备、机器人、自动驾驶汽车、微小型无人机等系统对定位、导航系统提出了功能更多、精度更高、体积更小、功耗更低、重量更轻等需求，以传统的导航系统技术无法满足这些严苛的要求。

因此，当下亟需一种大幅减小导航系统的体积、重量、功耗的导航微系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多层裸芯片堆叠3D异质异构集成导航微系统，采用微系统架构设计和制作，解决单兵、机器人、自动驾驶汽车、微小型无人机提出的多功能、小型化、高精度、低功耗等需求，该系统可提高导航系统的精度、大幅减小导航系统的体积、重量、功耗，满足载体的定位、导航要求。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多层裸芯片堆叠3D异质异构集成导航微系统，包括：LTCC电路，以及

1)LTCC电路顶层安装的三轴加速度计芯片1、Z轴陀螺芯片9、三轴磁场计芯片6、气压高度计芯片5、电源芯片3、通信芯片2和与北斗导航天线连接的IPX座4；

2)LTCC电路侧壁安装的X轴陀螺芯片8和Y轴陀螺芯片7，与Z轴陀螺芯片9一起利用LTCC电路的X、Y、Z三个平面互相垂直，实现三轴陀螺之间相互正交；

3)LTCC电路底部为腔体结构，腔体内部安装的导航计算机硅电路11和北斗导航硅电路13，采用金丝键合方式将硅电路与低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-firedCeramic，LTCC)电路进行电信号连接；

所述导航计算机硅电路11通过SPI接口分别与X/Y/Z轴陀螺芯片、三轴加速度计芯片1、气压高度计芯片5连接，采集三轴角速率、三轴加速度和大气压力等数据；所述导航计算机硅电路11通过IIC接口与三轴磁场计芯片6连接，采集三轴磁场数据；所述导航计算机硅电路11通过UART1接口与北斗导航硅电路13连接，控制北斗导航参数，接收北斗卫星导航数据；所述导航计算机硅电路11通过UART2、UART3、CAN接口与RS232、RS422、CAN通信芯片连接，实现与外部载体通信，输出全导航参数，接收外部控制命令。

进一步，所述导航计算机硅电路11主要包括CPU裸芯片12高精度晶振、接口电路、电源管理芯片以及硅电路等。

进一步，所述CPU裸芯片12采用ARM架构芯片，采用金丝键合方式与导航计算机硅电路11相连接。

进一步，所述北斗导航硅电路13主要包括三层堆叠裸芯片14、温补晶振、接口电路、电源管理芯片以及硅电路等。

进一步，三层堆叠裸芯片14包括依次堆叠在北斗硅基板上的北斗基带裸芯片141、北斗Flash裸芯片142和北斗射频裸芯片143。

进一步，该导航微系统顶层还安装有电源芯片3，为各芯片、导航计算机硅电路11和北斗导航硅电路13供电。

进一步，所述电源芯片3包括：DC-DC电源芯片和LDO芯片。

进一步，该导航微系统的计算方法为：计算机将X/Y/Z轴陀螺芯片、三轴加速度计芯片1、三轴磁场计芯片6、气压高度计芯片5、导航计算机硅电路11和北斗导航硅电路13采集的数据，经过一次误差补偿、滤波处理，进行捷联惯性导航、地磁导航、大气数据、北斗导航解算，进行自适应卡尔曼滤波多源信息融合，输出载体的最优导航参数，包括航向、姿态、速度、位置、高度、角速度和加速度等。

CPU运行的自适应卡尔曼滤波算法中的误差向量为18阶状态变量，分别是东北天速度误差变量、纬度、经度、高度误差变量、俯仰、滚动、航向误差变量、x、y、z轴陀螺漂移变量、x、y、z轴加速度计零偏变量和x、y、z轴陀螺比例系数误差变量，即

卡尔曼滤波方程的观测向量为

其中，L_G、λ_G、h_G分别为北斗输出的纬度、经度及高度值；L_I、λ_I、h_I分别为捷联惯导系统输出的纬度、经度和高度值；h_Q为气压高度计计算的高度；V_GE、V_GN分别为北斗输出的东向和北向的速度；V_IE、V_IN分别为捷联惯导系统输出的东向、北向速度；ψ_G为北斗输出的航向角；ψ_C为地磁导航计算的磁航向角；ψ_I为捷联惯导系统输出的航向角。

进一步，该导航微系统的制作方法，具体包括以下步骤：

步骤1、按照导航微系统LTCC电路版图制作LTCC电路，电路制作完成后，选取检验合格的LTCC电路；

步骤2、设计导航计算机、北斗导航硅电路版图，版图采用正面三层高密度布线，背面单层布线，并做好北斗射频信号50欧姆的阻抗匹配，使用MPW方式，将两种硅电路在同一个晶圆版图上设计，版图是12英寸硅晶圆版图；然后在12英寸的集成电路工艺线上流片；

步骤3、晶圆划片，集成电路制作完成后，将晶圆划片成导航计算机电路和北斗电路；

步骤4、制作导航计算机硅电路板和北斗导航硅电路板，将CPU裸芯片、晶振、接口芯片、大容值电容和磁珠等贴装到导航计算机硅电路上，将北斗基带裸芯片、FLASH裸芯片、射频裸芯片按叠层顺序安装到北斗导航硅电路上，将高精度晶振、电源芯片、大容值电容和电感等贴装到北斗硅电路上；采用金丝键合将裸芯片的信号与硅电路的信号进行连接，采用芯片保护胶对裸芯片和键合金丝点胶；

步骤5、LTCC电路底层芯片贴装，使用高温焊膏将导航计算机硅电路、北斗导航硅电路、电阻、电容和电感贴装到LTCC电路板底部腔体内，使用金丝键合连接硅电路与LTCC电路对应信号，并点胶保护；

步骤6、LTCC电路顶层芯片贴装，采用低温焊膏将Z轴陀螺芯片、三轴加速度计芯片、气压高度计芯片、三轴磁场计芯片、通信芯片、IPX座、DC-DC芯片、电阻、电容和电感贴装到LTCC电路顶层；

步骤7、LTCC侧面芯片焊接，采用手工方式将X、Y轴陀螺焊接到LTCC电路侧面；

步骤8、导航微系统标定，将导航微系统装在夹具上，并安装到转台上，对陀螺、加速度计的零位、比例系数、交叉耦合、温度系数进行标定，对磁场计误差系数进行标定；

步骤9、导航微系统程序烧写，将标定、补偿后的各种传感器参数写入到导航微系统的程序中，将该程序烧入到导航计算机CPU中；

步骤10、对导航微系统进行通电测试，按照规范进行检验，合格后即完成制作，进行产品入库。

本发明的有益效果在于：本发明导航微系统以LTCC电路为骨架，高精度三维集成多导航源传感器，采用多层裸芯片垂直方向堆叠、高密度布线硅基电路、硅与LTCC电路异质异构高密度集成等先进的微系统技术，大幅度提高了导航系统的集成度，减小了体积、重量、功耗，提高了系统精度和可靠性。具体包括以下有益效果：

1)体积小：本发明导航微系统主体由单片LTCC陶瓷电路组成，体积仅有24mm﹡16mm﹡5.5mm，比现有导航系统小了160倍。

2)重量轻，新型异质异构集成导航微系统的重量可以达到8g，是现有导航系统的1/30。

3)功耗低，本发明采用的微系统架构，功耗可以低到0.4W，是现有导航系统功耗的1/10。

4)本发明导航微系统可灵活重构，通过烧写不同的微系统软件，可实现单兵、机器人、微小型无人机、微小型制导系统等载体的定位、导航和授时。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明导航微系统顶部结构视图；

图2为本发明导航微系统底部结构视图；

图3为本发明导航微系统分解立体图；

图4为本发明导航微系统连接关系图；

图5为本发明导航微系统制作流程图；

附图标记：1-三轴加速度计芯片，2-通信芯片，3-电源芯片，4-IPX座，5-气压高度计芯片，6-三轴磁场计芯片，7-Y轴陀螺芯片，8-X轴陀螺芯片，9-Z轴陀螺芯片，10-LTCC电路顶层，11-导航计算机硅电路，12-CPU裸芯片，13-北斗导航硅电路，14-三层堆叠裸芯片，141-北斗基带裸芯片，142-北斗Flash裸芯片，143-北斗射频裸芯片，15-导航微系统焊盘，16-LTC电路底层腔体。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图5，本发明设计了一种多层裸芯片堆叠3D异质异构集成导航微系统，物理架构如图1和图2所示。该系统主体由一块单片的LTCC(低温共烧陶瓷)电路组成，该电路既是各种芯片的物理载体，也是各个芯片之间信号连接的多层线路板，底部的焊盘既用作导航微系统与用户载体的电信号连接，也作为微系统的结构固定。其顶层平面与底层平面平行，顶面与侧面严格垂直，为导航微系统中的X、Y、Z三轴传感器安装提供正交保障。LTCC电路顶部为平面，底部为一个腔体。

导航微系统主要的构件包括，X、Y、Z三个单轴陀螺芯片、三轴加速度计芯片1、气压高度计芯片5、三轴磁场计芯片6、DC-DC电源芯片、LDO芯片、通信芯片2等芯片，以及导航计算机硅基电路11、北斗导航硅电路13、导航微系统LTCC电路。

DC-DC电源芯片分别输出3.3V、1.8V给陀螺、加速度计、磁场计、高度计、导航计算机硅电路、北斗导航硅电路等提供电源。

X、Y轴陀螺芯片分别安装在LTCC的两边侧壁，Z轴陀螺芯片安装在正面，形成正交，通过SPI总线与CPU裸芯片的SPI1接口相连接，输出三轴角速度数据。

三轴加速度计芯1片安装在LTCC顶面，通过SPI总线与CPU裸芯片的SPI1接口相连接，输出三轴加速度数据。

三轴磁场计芯片6使用IIC总线与CPU裸芯片的SPI2接口相连接，输出三轴磁场信号。

气压高度计芯片5使用SPI总线与CPU裸芯片的SPI3接口相连接，输出大气压力数据。

北斗导航硅电路13的UART1串口与CPU裸芯片的UART2接口相连接，输出北斗卫星导航数据。

IPX座4安装在LTCC电路顶面，与北斗卫星天线相连接，接收卫星导航信号。

该导航微系统的制作步骤见图5所示，具体如下：

步骤1、按照导航微系统LTCC电路版图制作LTCC电路，电路制作完成后，选取检验合格的LTCC电路。

步骤2、设计导航计算机、北斗导航硅电路版图，版图采用正面三层高密度布线，背面单层布线，并做好北斗射频信号50欧姆的阻抗匹配，使用MPW方式，将两种硅电路在同一个晶圆版图上设计，版图是12英寸硅晶圆版图；然后在12英寸的集成电路工艺线上流片。

步骤3、晶圆划片，集成电路制作完成后，将晶圆划片成导航计算机电路和北斗电路。

步骤4、制作导航计算机硅电路板和北斗导航硅电路板，将CPU裸芯片、晶振、接口芯片、大容值电容、磁珠等贴装到导航计算机硅电路上，将北斗基带裸芯片、FLASH裸芯片、射频裸芯片按叠层顺序安装到北斗导航硅电路上，将高精度晶振、电源芯片、大容值电容、电感等贴装到北斗硅电路上。采用金丝键合将裸芯片的信号与硅电路的信号进行连接，采用芯片保护胶对裸芯片和键合金丝点胶。

步骤5、LTCC电路底层芯片贴装，使用高温焊膏将导航计算机硅电路、北斗导航硅电路、电阻、电容、电感贴装到LTCC电路板底部腔体内，使用金丝键合连接硅电路与LTCC电路对应信号，并点胶保护。

步骤6、LTCC电路顶层芯片贴装，采用低温焊膏将Z轴陀螺、加速度计、高度计、磁场计、通信芯片、IPX座、DC-DC芯片、电阻、电容、电感贴装到LTCC电路顶层。

步骤7、LTCC侧面芯片焊接，采用手工方式将X、Y轴陀螺焊接到LTCC电路侧面。

步骤8、导航微系统标定，将导航微系统装在夹具上，并安装到转台上，对陀螺、加速度计的零位、比例系数、交叉耦合、温度系数进行标定，对磁场计误差系数进行标定。

步骤9、导航微系统程序烧写，将标定、补偿后的各种传感器参数写入到导航微系统的程序中，将该程序烧入到导航计算机CPU中。

步骤10、对导航微系统进行通电测试，按照规范进行检验，合格后即完成制作，进行产品入库。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种多层裸芯片堆叠3D异质异构集成导航微系统，其特征在于，该导航微系统包括：LTCC电路，以及

1)LTCC电路顶层(10)安装的三轴加速度计芯片(1)、Z轴陀螺芯片(9)、三轴磁场计芯片(6)、气压高度计芯片(5)、通信芯片(2)和与北斗导航天线连接的IPX座(4)；

2)LTCC电路侧壁安装的X轴陀螺芯片(8)和Y轴陀螺芯片(7)，与Z轴陀螺芯片(9)一起利用LTCC电路的X、Y、Z三个平面互相垂直；

3)LTCC电路底部为腔体结构，腔体内部安装的导航计算机硅电路(11)和北斗导航硅电路(13)，采用金丝键合方式将硅电路与低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-firedCeramic，LTCC)电路进行电信号连接；

所述导航计算机硅电路(11)通过SPI接口分别与X/Y/Z轴陀螺芯片、三轴加速度计芯片(1)、气压高度计芯片(5)连接，采集三轴角速率、三轴加速度和大气压力；所述导航计算机硅电路(11)通过IIC接口与三轴磁场计芯片(6)连接，采集三轴磁场数据；所述导航计算机硅电路(11)通过UART1接口与北斗导航硅电路(13)连接，控制北斗导航参数，接收北斗卫星导航数据；所述导航计算机硅电路(11)通过UART2、UART3、CAN接口与通信芯片(2)连接，实现与外部载体通信，输出全导航参数，接收外部控制命令。

2.根据权利要求1所述的多层裸芯片堆叠3D异质异构集成导航微系统，其特征在于，所述导航计算机硅电路(11)包括CPU裸芯片(12)、高精度晶振、接口电路、电源管理芯片以及硅电路。

3.根据权利要求2所述的多层裸芯片堆叠3D异质异构集成导航微系统，其特征在于，所述CPU裸芯片(12)采用ARM架构芯片，采用金丝键合方式与导航计算机硅电路(11)相连接。

4.根据权利要求1所述的多层裸芯片堆叠3D异质异构集成导航微系统，其特征在于，所述北斗导航硅电路(13)包括三层堆叠裸芯片(14)、温补晶振、接口电路、电源管理芯片以及硅电路。

5.根据权利要求4所述的多层裸芯片堆叠3D异质异构集成导航微系统，其特征在于，三层堆叠裸芯片(14)包括依次堆叠在北斗硅基板上的北斗基带裸芯片(141)、北斗Flash裸芯片(142)和北斗射频裸芯片(143)。

6.根据权利要求1所述的多层裸芯片堆叠3D异质异构集成导航微系统，其特征在于，该导航微系统顶层还安装有电源芯片(3)，为各芯片、导航计算机硅电路(11)和北斗导航硅电路(13)供电。

7.根据权利要求1或6所述的多层裸芯片堆叠3D异质异构集成导航微系统，其特征在于，所述电源芯片(3)包括：DC-DC电源芯片和LDO芯片。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的多层裸芯片堆叠3D异质异构集成导航微系统，其特征在于，该导航微系统的计算方法为：计算机将X/Y/Z轴陀螺芯片、三轴加速度计芯片(1)、三轴磁场计芯片(6)、气压高度计芯片(5)、导航计算机硅电路(11)和北斗导航硅电路(13)采集的数据，经过一次误差补偿、滤波处理，进行惯性导航、地磁导航、大气数据、北斗导航解算，进行自适应卡尔曼滤波多源信息融合，输出载体的最优导航参数，包括航向、姿态、速度、位置、高度、角速度和加速度。

9.根据权利要求1～7中任意一项所述的多层裸芯片堆叠3D异质异构集成导航微系统，其特征在于，该导航微系统的制作方法，具体包括以下步骤：

步骤1、按照导航微系统LTCC电路版图制作LTCC电路，电路制作完成后，选取检验合格的LTCC电路；

步骤2、设计导航计算机、北斗导航硅电路版图，版图采用正面三层高密度布线，背面单层布线，并做好北斗射频信号50欧姆的阻抗匹配，使用MPW方式，将两种硅电路在同一个晶圆版图上设计；然后在集成电路工艺线上流片；

步骤3、晶圆划片，集成电路制作完成后，将晶圆划片成导航计算机电路和北斗电路；

步骤4、制作导航计算机硅电路板和北斗导航硅电路板，将CPU裸芯片、晶振、接口芯片、大容值电容和磁珠贴装到导航计算机硅电路上，将北斗基带裸芯片、FLASH裸芯片、射频裸芯片按叠层顺序安装到北斗导航硅电路上，将高精度晶振、电源芯片、大容值电容和电感贴装到北斗硅电路上；采用金丝键合将裸芯片的信号与硅电路的信号进行连接，采用芯片保护胶对裸芯片和键合金丝点胶；

步骤5、LTCC电路底层芯片贴装，使用高温焊膏将导航计算机硅电路、北斗导航硅电路、电阻、电容和电感贴装到LTCC电路板底部腔体内，使用金丝键合连接硅电路与LTCC电路对应信号，并点胶保护；

步骤6、LTCC电路顶层芯片贴装，采用低温焊膏将Z轴陀螺芯片、三轴加速度计芯片、气压高度计芯片、三轴磁场计芯片、通信芯片、IPX座、DC-DC芯片、电阻、电容和电感贴装到LTCC电路顶层；

步骤7、LTCC侧面芯片焊接，采用手工方式将X、Y轴陀螺焊接到LTCC电路侧面；

步骤8、导航微系统标定，将导航微系统装在夹具上，并安装到转台上，对陀螺、加速度计的零位、比例系数、交叉耦合、温度系数进行标定，对磁场计误差系数进行标定；

步骤9、导航微系统程序烧写，将标定、补偿后的各种传感器参数写入到导航微系统的程序中，将该程序烧入到导航计算机CPU中；

步骤10、对导航微系统进行通电测试，按照规范进行检验，合格后即完成制作，进行产品入库。

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