本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)集成制造與應(yīng)用領(lǐng)域，具體而言，涉及一種可用于微小平臺的高密度集成的導(dǎo)航定位授時(shí)微裝置及其集成方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，車輛、飛機(jī)、船舶、武器系統(tǒng)等對導(dǎo)航系統(tǒng)提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的單一導(dǎo)航方式如慣性導(dǎo)航、全球衛(wèi)星導(dǎo)航(gnss)、地磁導(dǎo)航、電子地圖等無法滿足應(yīng)用需求，因此，現(xiàn)代導(dǎo)航越來越多的采用了多種導(dǎo)航組合的方式，即復(fù)合導(dǎo)航。

復(fù)合導(dǎo)航提高了導(dǎo)航系統(tǒng)精度、抗干擾能力性和冗余度。但目前的復(fù)合導(dǎo)航系統(tǒng)大都僅僅是將獨(dú)立的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行疊加得到，其存在體積大、功耗高、成本高、精度較低、功能較少等問題，無法滿足現(xiàn)代化導(dǎo)航的需求。

現(xiàn)有的導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用平臺對系統(tǒng)的性能指標(biāo)提出非常嚴(yán)苛的要求，為實(shí)現(xiàn)高性能、小體積、輕重量、低功耗的復(fù)合導(dǎo)航微系統(tǒng)，需要對導(dǎo)航系統(tǒng)的總體架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化布局和設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)將各功能元器件在不影響導(dǎo)航性能的前提下以極高的密度集成在運(yùn)載平臺可接受的空間范圍內(nèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供了一種高密度集成的導(dǎo)航定位授時(shí)微裝置，包括：

四個(gè)水平層、兩個(gè)側(cè)面基板和一個(gè)底板，其中四個(gè)水平層按自上而下的順序依次為慣性測量單元實(shí)現(xiàn)層、多源導(dǎo)航信息融合解算與能源供給實(shí)現(xiàn)層、多導(dǎo)航源芯片單元實(shí)現(xiàn)層、守時(shí)/授時(shí)單元實(shí)現(xiàn)層。

此外，還提供了一種的導(dǎo)航定位授時(shí)微裝置的集成方法，包括：

1)守時(shí)/授時(shí)單元層的基板貼裝在底板上表面；

2)多導(dǎo)航源芯片單元實(shí)現(xiàn)層的基板貼裝在守時(shí)/授時(shí)單元層的基板之上；

3)多源導(dǎo)航信息融合解算與能源供給實(shí)現(xiàn)層的基板貼裝在多導(dǎo)航源芯片單元實(shí)現(xiàn)層的基板之上；

4)慣性測量單元實(shí)現(xiàn)層的基板貼裝在多源導(dǎo)航信息融合解算與能源供給實(shí)現(xiàn)層的基板之上；

5)將集成有慣性測量單元的兩個(gè)側(cè)面基板沿垂直方向立式貼裝于底板的底部，并側(cè)向貼裝于慣性測量單元實(shí)現(xiàn)層的基板上。

本發(fā)明采用的芯片級微系統(tǒng)架構(gòu)，利用多功能高密度互聯(lián)基板技術(shù)、柔性基板技術(shù)、系統(tǒng)級組裝封裝技術(shù)，將慣性導(dǎo)航單元、衛(wèi)星導(dǎo)航單元、ad抗干擾芯片、磁力芯片、高度芯片、解算芯片、芯片原子鐘和多路電源管理芯片，分層布局在水平或側(cè)面陶瓷基板上，采用多層ltcc技術(shù)提高電子元件的密度，實(shí)現(xiàn)了一種多元器件高密度集成的導(dǎo)航微系統(tǒng)復(fù)合架構(gòu)，通過三維集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維芯片堆疊和系統(tǒng)級封裝，縮小了物理空間，提升了系統(tǒng)架構(gòu)的利用率，有效減輕了系統(tǒng)的物理體積；另外，通過芯片級和系統(tǒng)級的散熱技術(shù)，提升從器件自身、到基板、再到系統(tǒng)層面的散熱效果，減弱了系統(tǒng)內(nèi)熱量的聚集效應(yīng)，有利于穩(wěn)定發(fā)揮系統(tǒng)性能。

附圖說明

為更清楚說明本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面對現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹。

圖1為本發(fā)明的導(dǎo)航定位授時(shí)微裝置的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的導(dǎo)航定位授時(shí)微裝置的爆炸結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

考慮導(dǎo)航定位授時(shí)微裝置所集成的單元含各種測量、導(dǎo)航、計(jì)時(shí)及其他功能芯片，器件門類多、物理形態(tài)不一，需合理安排層次布局和組裝方法。

下面將對所提出的實(shí)施例的構(gòu)成和使用進(jìn)行詳細(xì)討論。但是，應(yīng)該理解的是，所披露的實(shí)施例提供了多個(gè)可應(yīng)用的發(fā)明概念，其可體現(xiàn)在多種具體情況中。所談?wù)摰木唧w實(shí)施例只是為了說明本文所披露的系統(tǒng)及方法的構(gòu)成和使用的具體方式，并不對實(shí)施例的范圍進(jìn)行限制。

圖1示出了適于用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施方式的導(dǎo)航定位授時(shí)微裝置的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖，圖2示出了用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施方式的高密度集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)爆炸圖。圖1、圖2顯示的導(dǎo)航定位授時(shí)微裝置結(jié)構(gòu)圖僅僅是一個(gè)示例，不應(yīng)對本發(fā)明實(shí)施例的功能和使用范圍帶來任何限制。

如圖1所示，高密度集成的導(dǎo)航定位授時(shí)微裝置整體架構(gòu)由四個(gè)水平層、兩個(gè)側(cè)面基板和一個(gè)底板構(gòu)成，四個(gè)水平層按自上而下的順序依次為慣性測量單元實(shí)現(xiàn)層1、多源導(dǎo)航信息融合解算與能源供給實(shí)現(xiàn)層2、多導(dǎo)航源芯片單元實(shí)現(xiàn)層3、守時(shí)/授時(shí)單元實(shí)現(xiàn)層4。

第一層慣性測量單元實(shí)現(xiàn)層1，和兩個(gè)側(cè)面基板1-2、1-3一起實(shí)現(xiàn)慣性數(shù)據(jù)的測量，并通過時(shí)域積分獲取實(shí)時(shí)位置與姿態(tài)信息。考慮到導(dǎo)航定位授時(shí)微裝置在航向、俯仰、橫滾三個(gè)姿態(tài)的參數(shù)測量需求，側(cè)面基板1-2、1-3被設(shè)置為與第一組水平基板成互相垂直方向，從而實(shí)現(xiàn)x/y/z三個(gè)方向的角速度和加速度測量。另外，側(cè)面基板1-2、1-3通過柔性基板互聯(lián)技術(shù)與第一層水平基板和底板連接，實(shí)現(xiàn)電信號互聯(lián)。

第一層水平基板1-1及側(cè)面基板1-2、1-3上分別裝有一組慣性測量單元。

在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，慣性測量單元由mems陀螺芯片和加速度計(jì)芯片組成。

具體的，mems陀螺芯片和加速度計(jì)芯片采用基于球柵陣列的表面貼裝技術(shù)及fcp倒扣焊接技術(shù)焊接于水平基板1-1及側(cè)面基板1-2、1-3之上。mems陀螺芯片焊料凸點(diǎn)采用錫鉛/錫銀共晶焊料，利用焊球垂直互聯(lián)技術(shù)，通過熔化焊球完成焊料凸點(diǎn)與基板間的垂直互聯(lián)，形成垂直互聯(lián)的層疊結(jié)構(gòu)。

基板的材質(zhì)可以是陶瓷結(jié)構(gòu)，也可以是硅結(jié)構(gòu)。

多源導(dǎo)航信息融合解算與能源供給層2，用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)的多源信息融合解算，并向功能單元供給能量。

具體的，多源導(dǎo)航信息融合解算與能源供給層2可以包括水平基板、導(dǎo)航解算芯片組、多功能電源管理芯片組以及實(shí)現(xiàn)功能所必需的電阻、電容、電感所組成的外圍電路。

在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，第二層基板組裝采用內(nèi)埋置多層ltcc高密度集成基板技術(shù)，以提高集成電子元器件的密度，采用內(nèi)埋置多種芯片和器件的多層ltcc高密度集成基板，將實(shí)現(xiàn)功能的導(dǎo)航解算芯片組、多功能電源管理芯片以及外圍電路內(nèi)埋置于轉(zhuǎn)接基板中。

多導(dǎo)航源芯片單元層3，集成多種不同源的導(dǎo)航芯片與器件，以及外圍電路元件，用于實(shí)現(xiàn)基于多種資源的分布式導(dǎo)航功能。

具體的，多導(dǎo)航源芯片單元層3可以包括高度計(jì)芯片、磁力計(jì)芯片、衛(wèi)星導(dǎo)航芯片、ad抗干擾芯片，分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基于氣壓測量的垂直方向?qū)Ш?、基于地球磁場測量的水平方向?qū)Ш?、以及基于地球衛(wèi)星的全方位導(dǎo)航定位與授時(shí)功能、抗電磁干擾功能。

考慮到高度計(jì)芯片、磁力計(jì)芯片、衛(wèi)星導(dǎo)航芯片、ad抗干擾芯片等器件的外圍電路集成度不高，并不需要進(jìn)行內(nèi)埋置電阻、電容、電感和多層布線，因此第三層基板組裝可以采用陶瓷厚膜基板技術(shù)，將以上芯片組裝于基板3之上。

組裝方式可以參照上面第一層基板焊接時(shí)所采用的表面貼裝技術(shù)及倒扣焊接技術(shù)，在此不做贅述。

另外，如果多導(dǎo)航源芯片單元層3需要增加更多功能，或要集成更復(fù)雜的高度計(jì)芯片、磁力計(jì)芯片、衛(wèi)星導(dǎo)航芯片、ad抗干擾芯片等芯片，也可以采用第二層基板的集成方式，將上述芯片及外圍電路內(nèi)埋置于采用ltcc高密度集成基板的第三層水平基板中。

第四層守時(shí)/授時(shí)單元層4，用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)的授時(shí)功能。

具體的，守時(shí)/授時(shí)單元層4包括水平基板、芯片級原子鐘組。

考慮到芯片鐘的體積、重量均明顯高于其它元器件，故將其置于物理架構(gòu)的最底層。

第四層基板同樣可以采用多層ltcc高密度集成基板，將芯片級原子鐘組裝于基板4之上，組裝方式可以與之前描述的焊裝方式相同。

上述提到的基板，既可采用高性能陶瓷基板，實(shí)現(xiàn)融合解算芯片、電源芯片和外圍電路的多層ltcc集成，還可采用以硅作為載板的硅基板技術(shù)，有利于集成更高密度的無源和電路芯片的芯片級模塊。

在一個(gè)或多個(gè)發(fā)明實(shí)施例中，各層水平基板之間、第四層水平基板與底板之間采用焊球方式連接實(shí)現(xiàn)電信號連接、水平基板與側(cè)面基板之間、底板與側(cè)面基板之間采用柔性基板互聯(lián)技術(shù)連接實(shí)現(xiàn)電信號連接，基板整體貼裝固定于底板5上。柔性基帶具有可彎曲、可折疊、可變性的性能，方便實(shí)現(xiàn)板級的電信號互聯(lián)。

底板的材質(zhì)可以是鋁制結(jié)構(gòu)。

圖2示出了用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施方式的高密度集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)爆炸圖。

在一個(gè)或多個(gè)發(fā)明實(shí)施例中，導(dǎo)航定位授時(shí)微裝置的集成方法如下：

1)守時(shí)/授時(shí)單元層的基板貼裝在底板上表面；

2)多導(dǎo)航源芯片單元實(shí)現(xiàn)層的基板貼裝在守時(shí)/授時(shí)單元層的基板之上；

3)多源導(dǎo)航信息融合解算與能源供給實(shí)現(xiàn)層的基板貼裝在多導(dǎo)航源芯片單元實(shí)現(xiàn)層的基板之上；

4)慣性測量單元實(shí)現(xiàn)層的基板貼裝在多源導(dǎo)航信息融合解算與能源供給實(shí)現(xiàn)層的基板之上；

5)將集成有慣性測量單元的兩個(gè)側(cè)面基板沿垂直方向立式貼裝于底板的底部，并側(cè)向貼裝于慣性測量單元實(shí)現(xiàn)層的基板上。

具體的，將組裝有芯片原子鐘的多層ltcc陶瓷基板貼裝在立體鋁制底板的上表面。立體鋁制底板與多層ltcc陶瓷基板之間可以采用柔性基帶，也可以采用焊球連接實(shí)現(xiàn)電信號連接。

將集成高度計(jì)芯片、磁力計(jì)芯片、衛(wèi)星導(dǎo)航芯片、ad抗干擾芯片的陶瓷厚膜基板貼裝于ltcc陶瓷基板之上，多層ltcc陶瓷基板與陶瓷厚膜基板之間采用焊球連接實(shí)現(xiàn)電信號連接。

將集成有多源導(dǎo)航解算芯片組、多功能電源管理芯片組、外圍電路的內(nèi)埋置多層ltcc基板貼裝于陶瓷厚膜基板之上，陶瓷厚膜基板與內(nèi)埋置多層ltcc基板通過焊球連接實(shí)現(xiàn)電信號互聯(lián)。

將集成z方向慣性測量單元的基板1-1貼裝于內(nèi)埋置多層ltcc基板之上，將集成有x、y方向mems陀螺芯片的基板1-2、1-3沿互為垂直方向立式貼裝于鋁制底板的底部，并側(cè)向貼裝于基板1-1上。

各層水平基板之間、第四層水平基板與底板之間采用焊球方式連接實(shí)現(xiàn)電信號連接、水平基板與側(cè)面基板之間、底板與側(cè)面基板之間采用柔性基板互聯(lián)技術(shù)連接實(shí)現(xiàn)電信號連接，基板整體貼裝固定于底板上，從而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件在x、y、z三個(gè)方向上基板電路之間的電信號連接。

本發(fā)明所提出的導(dǎo)航定位授時(shí)微裝置，通過三維芯片堆疊和封裝高密度集成了導(dǎo)航功能所需的多種元器件。電路密度的提升致使功率密度的增加，而由于物理架構(gòu)的限制，芯片堆疊時(shí)的散熱面積又十分有限，這便導(dǎo)致發(fā)熱量成倍的增加，發(fā)熱密度大幅提升。本發(fā)明提出的封裝和系統(tǒng)架構(gòu)有利于系統(tǒng)封裝級散熱處理，例如在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，第二層水平基板與第二層水平基板采用倒裝焊的方法將元件焊裝于散熱效果較好的ltcc陶瓷基板上，支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)又有利于架體內(nèi)空氣的對流，起到提升系統(tǒng)散熱效果的作用。

本發(fā)明的不同芯片或器件的互連、電源管理芯片系統(tǒng)、外圍電路無源元件等均可以通過陶瓷基板的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)?？紤]系統(tǒng)散熱的需求，還可使用硅基載板來代替陶瓷基板。硅基載板在解決由芯片高密度堆疊產(chǎn)生的熱管理問題具有一定的優(yōu)越型。使用硅基板時(shí)，倒焊裝芯片與基板之間的熱膨脹系數(shù)的不匹配問題可以基本消除，利于省略在倒裝芯片組裝工藝中通常需要的底部填充工藝，簡化工藝流程，提高生產(chǎn)效率。

以上已經(jīng)描述了本發(fā)明的各實(shí)施例，上述說明是示例性的，并非窮盡性的，并且也不限于所披露的各實(shí)施例。在不偏離所說明的各實(shí)施例的范圍和精神的情況下，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。本文中所用術(shù)語的選擇，旨在最好地解釋各實(shí)施例的原理、實(shí)際應(yīng)用或?qū)κ袌鲋械募夹g(shù)改進(jìn)，或者使本技術(shù)領(lǐng)域的其它普通技術(shù)人員能理解本文披露的各實(shí)施例。