《電子技術(shù)應(yīng)用》
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组合导航微系统陶瓷基三维集成技术
电子技术应用
沈时俊，何一蕾，汪金华，庄永河
中国电子科技集团公司第四十三研究所 微系统安徽省重点实验室
摘要： 为了解决高精度组合导航系统的体积和重量较大的问题，基于多层陶瓷基板高密度布线和三维立体组装等系统级封装（System In Package，SiP）工艺技术，提出了一种全新的三维立体微系统封装结构。采用低温共烧陶瓷（Low Temperature Cofired Ceramic，LTCC）基板高密度布线及贴装、基板堆叠、高正交度立体组装等SiP工艺，将三轴加速度计、三轴陀螺仪、卫星导航、地磁计和气压高度计等集成在一个封装单元中，研制出外形尺寸仅3.1 cm×2.9 cm×0.96 cm、重量仅18 g的组合导航微系统产品，拓展了应用领域。通过数据融合算法，可以有效提升导航精度和可靠性，具有广阔的应用前景。
中圖分類(lèi)號(hào)：TP273+.3；TN967.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245991
中文引用格式： 沈時(shí)俊，何一蕾，汪金華，等. 組合導(dǎo)航微系統(tǒng)陶瓷基三維集成技術(shù)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(4)：101-105.
英文引用格式： Shen Shijun，He Yilei，Wang Jinhua，et al. Ceramic based 3D integration technology of integrated navigation microsystem[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(4)：101-105.
Ceramic based 3D integration technology of integrated navigation microsystem
Shen Shijun，He Yilei，Wang Jinhua，Zhuang Yonghe
Anhui Province Key Laboratory of Microsystem， The 43rd Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation
Abstract： In order to solve the problem of large volume and weight of high-precision integrated navigation system, a new 3D micro system packaging structure is proposed based on System in Package(SiP) technology such as multi-layer ceramic substrate, high-density wiring and 3D assembly. Using SIP processes such as Low Temperature Cofired Ceramic(LTCC) substrate high-density wiring and mounting, substrate stacking and high orthogonal assembly, the triaxial accelerometer, triaxial gyroscope, satellite navigation, geomagnetic meter and barometric altimeter are integrated into one packaging unit. The overall size of the integrated navigation microsystem product is only 3.1 cm×2.9 cm×0.96 cm, and the weighing is only 18 grams, and greatly expanded the application field. Through data fusion algorithms, navigation accuracy and reliability can be effectively improved, presenting broad application prospects.
Key words : integrated navigation microsystem；System in Package（SiP）；3D assembly；Low Temperature Cofired Ceramic（LTCC）

引言

主流的導(dǎo)航方式包括慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航、星光導(dǎo)航等，這幾種導(dǎo)航方式單獨(dú)工作時(shí)，在長(zhǎng)期導(dǎo)航任務(wù)、電磁拒止環(huán)境下存在精度、可靠性等方面的不足。將MEMS慣性導(dǎo)航與衛(wèi)星導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航等多種導(dǎo)航方式相結(jié)合，并輔以氣壓高度計(jì)等傳感器，形成集多種導(dǎo)航方式和傳感器于一體的組合導(dǎo)航微系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多源信息融合，實(shí)現(xiàn)單種導(dǎo)航方式難以實(shí)現(xiàn)的功能、精度和可靠性，拓展了系統(tǒng)使用范圍[1-2]。

受限于電路規(guī)模及小型化工藝技術(shù)手段，目前組合導(dǎo)航系統(tǒng)的封裝結(jié)構(gòu)仍停留在基于PCB的板級(jí)組裝，體積和重量較大，信號(hào)延遲較為嚴(yán)重。近些年核心功能電路陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了芯片化，但由于芯片的材料、結(jié)構(gòu)和接口不同，MEMS傳感器、模擬/數(shù)字芯片、射頻芯片、電源芯片等異質(zhì)異構(gòu)芯片在晶圓級(jí)實(shí)現(xiàn)SiP封裝難度極大，采用基于LTCC基板的SiP工藝技術(shù)集成此類(lèi)芯片，實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的微型化成為不二選擇。

通過(guò)采用三維異構(gòu)集成技術(shù)[3-5]，突破微型組合導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、多層陶瓷基板高密度布線(xiàn)及貼裝、基板堆疊、高正交度三維立體組裝、微小尺度多物理量綜合仿真及優(yōu)化等技術(shù)，將MEMS加速度計(jì)、MEMS陀螺儀、衛(wèi)星導(dǎo)航、地磁計(jì)、氣壓計(jì)、信號(hào)處理及接口、電源總線(xiàn)電路等功能單元合理地集成在四塊LTCC基板上，再通過(guò)基板堆疊、垂直組裝等多維組裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基板與基板、基板與外殼的結(jié)構(gòu)和電連接，集成后的產(chǎn)品通過(guò)BGA焊球柵列與系統(tǒng)裝配。研制出的產(chǎn)品體積為7.8 cm3，僅為PCB組件產(chǎn)品的3%。


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作者信息：

沈時(shí)俊，何一蕾，汪金華，莊永河

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所 微系統(tǒng)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088）


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