一種小型化抗高過載硅基微系統裝置及其組裝方法與流程
本發明屬于信息采集、數據處理和控制微系統集成領域，具體涉及一種小型化抗高過載硅基微系統裝置及其組裝方法。
背景技術：
常用的微系統裝置，目前還停留在單一功能集成的樣品芯片上，工藝結構還基于板級和接插件的拼裝，主要使用已封裝器件，有大量空間閑置。采用常規拼裝工藝集成的微系統裝置不具備抗高過載沖擊的能力，在高過載條件下容易造成基板斷裂、板上芯片脫離，以及鍵和絲焊點分離，導致模塊失效。以上問題限制了微系統裝置小型化發展和抗高過載能力的提高。因此，需要在電路設計、工藝集成組裝方式和整體灌封上采用新方法，來提高微系統裝置小型化和抗高過載能力。
技術實現要素：
本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種小型化抗高過載硅基微系統裝置及其組裝方法；該裝置通過采用新的電氣連接方法和灌封方式，使得有效解決了小型化技術及抗高過載的能力，適用于小型化綜合電子微系統控制模塊，通用性高，易于操作，成本較低。
為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：
一種小型化抗高過載硅基微系統裝置，包括：相互垂直的水平基板和豎直基板，水平基板從下到上依次包括金屬復合基板、第一mcm-l基板、第二mcm-l基板、硅轉接基板、第三mcm-l基板和第四mcm-l基板；金屬復合基板和第一mcm-l基板固定連接，其余水平基板之間通過pop工藝堆疊；豎直基板包括第五mcm-l基板和第六mcm-l基板，第五mcm-l基板設置在水平基板的后方，第六mcm-l基板設置在水平基板的一側；基板之間通過樹脂進行封裝。
本發明的進一步改進在于：
優選的，樹脂優選為環氧樹脂基封膠。
優選的，各個水平基板之間通過超聲波鍵合飛線實現電氣連接，所述飛線為硅鋁絲或鋁絲；第五mcm-l基板和第六mcm-l基板均通過撓性線路板和第四mcm-l基板連接。
優選的，金屬復合基板上設置有棧式堆疊器、第一電容、第一電阻和電源芯片。
優選的，第二mcm-l基板上設置有基帶處理芯片。
優選的，硅轉接基板上設置有第二電容和fpga板；硅轉接基板上通過tsv工藝連接有玻璃轉接基板，玻璃轉接基板的下表面焊接有存儲器。
優選的，第三mcm-l基板上設置有第三電容、三軸地磁傳感器和ad轉換器。
優選的，第四mcm-l基板、第五mcm-l基板和第六mcm-l基板上各自設置有單軸mems加計和單軸mems陀螺儀。
一種上述的小型化抗高過載硅基微系統裝置的組裝方法，包括以下步驟：
步驟1，在金屬復合機基板上固定設置第一mcm-l基板，通過pop工藝在第一mcm-l基板上依次堆疊第二mcm-l基板、硅轉接基板、第三mcm-l基板和第四mcm-l基板，完成水平基板的pop工藝堆疊；
步驟2，在水平基板的后方通過撓性線路板將第五mcm-l基板和第四mcm-l基板連接，在水平基板的一側通過撓性連接帶將第六mcm-l基板和第四mcm-l基板連接；
步驟3，通過樹脂對基板之間進行灌封。
優選的，硅轉接基板上通過tsv工藝連接有玻璃轉接基板，玻璃轉接基板的下表面通過tsv工藝連接有存儲器。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
本發明公開了一種小型化抗高過載硅基微系統裝置，該裝置區別與傳統的硅基微系統組裝封裝方法，使得水平基板之間通過pop工藝堆疊，垂直基板設置在水平基板的后方和側方，形成了三維立體結構；兩個垂直基板一個設置在水平基板的后方，一個設置在水平基板的側方，形成正交互聯結構；基板之間通過樹脂進行封裝，實現了基板上元件的有效的保護和灌封；該系統以混合集成工藝為基礎，利用pop工藝堆疊和樹脂封裝，保證系統內部組件形成一個整體，系統在沖擊環境下內部組件無相對位移，有效的解決了小型化技術及抗高過載的能力。
進一步的，樹脂優選為環氧樹脂基膠，具有優異的抗高過載能力。
進一步的，各個基板之間通過飛線實現電氣連接，保證數據之間的相互通信。
進一步的，各個基板上設置有不同的元件，各個元件組成硅基微系統中的傳感采集層和信息處理層，硅基微系統中還設置有應用層；傳感采集層將采集到的外部測量信息發送給信息處理層，并接收信息處理層發來的信息采集命令，完成相應功能；信息處理層將傳感采集層采集到的測量信息進行相應處理并發送給應用層，并接受應用層的處理反饋；應用層完成最終的信息處理及算法實現。通過各個元件之間組合和各層之間的交互作用，組合成為硅基微系統。
進一步的，硅轉接基板上通過tsv工藝連接有玻璃轉接基板，玻璃轉接基板通過tsv工藝連接有處理器，使得硅轉接基板能夠滿足高速高密度的互連需求。
進一步的，三個基板上均各自設置有單獨的單軸mems加計和單軸mems陀螺儀，因單軸mems加計和單軸mems陀螺儀用于完成三軸角速度信息采集和三軸加速度計信息采集；使得該結構能夠形成慣性傳感器的三軸正交組裝。
本申請還公開了一種小型化抗高過載硅基微系統裝置組裝方法，該方法首先通過pop工藝完成基板之間的堆疊，通過樹脂進行基板之間的灌封封膠處理，保證所有裸芯硅片及鍵和絲均在系統裝置內被環氧樹脂基封膠灌封保護，通過該種組裝方法，使得最終形成的硅基微系統能夠具有抗高過載能力。該方法適用于小型化綜合電子微系統控制模塊，通用性高，易于操作，成本較低。
進一步的，硅轉接基板上的元件堆疊采用tsv工藝，以滿足高速高密度互連需求。
【附圖說明】
圖1為本發明硅基微系統裝置的三維結構示意圖；
圖2為本發明硅基微系統裝置的二維結構示意圖；
圖3為本發明硅基微系統的功能實現圖；
其中：1-金屬復合基板；2-第一mcm-l基板；3-第二mcm-l基板；4-硅轉接基板；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-法蘭孔；10-棧式堆疊器；11-電源芯片；12-第一電容；13-第一電阻；14-基帶處理芯片；15-第二電容；16-存儲器；17-玻璃轉接基板；18-處理器；19-fpga板；20-第三電容；21-三軸地磁傳感器；22-ad轉換器；23-單軸mems加計；24-單軸mems陀螺儀；25-樹脂；26-飛線；27-sma接口；28-微插頭。
【具體實施方式】
下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：
參見圖1，本發明公開了一種小型化抗高過載硅基微系統裝置及其組裝方法；該裝置包括水平基板和豎直基板，水平基板從下到上依次包括金屬復合基板1、第一mcm-l基板2、第二mcm-l基板3、硅轉接基板4、第三mcm-l基板5和第四mcm-l基板6，豎直基板包括第五mcm-l基板7和第六mcm-l基板8，所有的基板均為功能層；硅基微系統裝置通過預留接插件與外部電路進行電氣連接。
水平基板中，金屬復合基板1作為整個微系統裝置的基底，其上依次設置有第一mcm-l基板2、第二mcm-l基板3、硅轉接基板4、第三mcm-l基板5和第四mcm-l基板6，上述基板均為水平方向鋪設基板；水平基板之間通過pop疊層封裝工藝封裝，具體來說，金屬復合基板1上直接固定設置有第一mcm-l基板2，第一mcm-l基板2和第二mcm-l基板3之間、第二mcm-l基板3和硅轉接基板4之間、硅轉接基板4和第三mcm-l基板5之間，第三mcm-l基板5和第四mcm-l基板6之間均通過pop工藝堆疊；垂直基板和水平基板通過pop疊層封裝工藝封裝，具體來說，第五mcm-l基板7設置在所有水平基板的后側，第六mcm-l基板8設置在所有水平基板的一個側面，第五mcm-l基板7和所有水平基板的后側之間不直接接觸，第六mcm-l基板8和水平基板的側面不直接接觸；所有的基板之間通過樹脂25進行封膠處理，所述樹脂25優選為環氧樹脂基封膠，基板和基板之間不會直接接觸；水平基板之間通過側邊之間的飛線26連接實現基板的電氣連接和數據傳輸；第五mcm-l基板7和第四mcm-l基板6通過撓性連接板連接，第六mcm-l基板8和第四mcm-l基板6也通過撓性連接板連接，實行電連接，進行數據的傳輸。
金屬復合基板1作為整個微系統裝置的基底，開設有法蘭孔9，其側邊設置有sma接口，用于與外界傳輸數據；金屬復合基板1焊接設置有第一mcm-l基板2，第一mcm-l基板2焊接有棧式堆疊器10、第一電容12、第一電阻13和電源芯片11，最終形成異構系統；棧式堆疊器10上端穿過第二mcm-l基板3，實現第一mcm-l基板2和第二mcm-l基板3之間的信號傳輸；電源芯片11和第一mcm-l基板2之間通過飛線26實現電氣連接；第一mcm-l基板2的側面連接有微插頭28。
第二mcm-l基板3上焊接有基帶處理芯片14，形成異構系統，基帶處理芯片14用于完成彈體多信息源算法融合處理、邏輯控制等功能。
硅轉接基板4上焊接有第二電容15，fpga板19，硅轉接基板4上通過tsv工藝(硅通孔技術)連接有玻璃轉接基板17，玻璃轉接基板17的下表面焊接有兩個存儲器16，玻璃轉接基板17的上表面焊接有處理器18；形成異構系統；處理器18和玻璃轉接基板17之間通過鍵合絲實現電連接，fpga板19和玻璃轉接基板17通過tsv工藝在硅轉接基板4上實現電連接。
第三mcm-l基板5上焊接有第三電容20、三軸地磁傳感器21和ad轉換器22，形成異構系統。
第四mcm-l基板6的下表面焊接有單軸mems加計23和單軸mems陀螺儀24，用于采集z方向上的信息。
豎直方向的第五mcm-l基板7上，在靠近水平基板的一側，通過焊接有單軸mems加計23和單軸mems陀螺儀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側，通過焊接有單軸mems加計23和單軸mems陀螺儀24，用于采集x方向上的信息。
在制備硅基微系統時，在每一個單獨mcm-l基板上焊接或通過tsv工藝制備元件后，將包括各個元件的第一mcm-l基板2、第二mcm-l基板3、硅轉接基板4、第三mcm-l基板5和第四mcm-l基板6通過pop工藝堆疊，通過撓性線路板將第五mcm-l基板7及第六mcm-l基板8分別和第四mcm-l基板6連接。
本發明的抗高過載硅基微系統，包括傳感采集層、信息處理層和應用層，所述傳感器采集層包括慣測元件、地磁元件、衛導元件和ad元件。
慣測元件用于測量載體角速度與加速度信息，實現載體的姿態解算，包括單軸mems加計23和單軸mems陀螺儀24；從上述描述可知，單軸mems加計23和單軸mems陀螺儀24在第四mcm-l基板6、第五mcm-l基板7和第六mcm-l基板8均設置，分別用于x方向、y方向和z方向上的信息；使得該系統能夠同時采集三個方向上的數據信息，完成三軸角速度信息采集和三軸加速度計信息采集。
地磁元件包括第三mcm-l基板上的第三電容20和三軸地磁傳感器21，用于采集地磁場信息。
衛導元件包括基帶處理芯片14和sma接口27，用于采集衛導信息。
ad元件為ad轉換器22，用于采集伺服信息和ad信息。
所述信息處理層包括cpu單元和信號處理單元。cpu單元包括電源芯片11、第一電容12、第二電容15、存儲器16、玻璃轉接基板17、處理器18和fpga板19，cpu單元用于完成彈體純慣性解算(純慣性捷聯解算處理)、地磁導航算法處理、衛導信息處理和伺服控制處理等功能；信號處理單元包括微插頭28，用于進行和外接數據的通信與轉換。
所述應用層用于完成微系統的算法實現，包括邏輯控制、多信息融合處理、多源導航制導處理、任務重構處理、算法協同處理及其它應用處理等功能。
本發明的微系統由傳感采集層、信息處理層及應用層組成，傳感采集層將采集到的外部測量信息發送給信息處理層，并接收信息處理層發來的信息采集命令，完成相應功能；信息處理層將傳感采集層采集到的測量信息進行相應處理并發送給應用層，并接受應用層的處理反饋；應用層完成最終的信息處理及算法實現。傳感采集層主要由慣測采集電路(x向慣測采集電路、y向慣測采集電路、z向慣測采集電路)、地磁采集電路、基帶處理電路等組成，主要完成三軸角速度信息采集、三軸加速度計信息采集、地磁場信息采集、衛星信號采集、ad信息采集及其它信息采集等功能；信息處理層主要由多核處理器、數據存儲器、程序存儲器、fpga等電路組成，主要完成純慣性捷聯解算處理、地磁導航算法處理、衛星導航信息處理、伺服控制處理、數據交換處理及其它信息處理等功能；應用層主要完成微系統的算法實現，包括邏輯控制、多信息融合處理、多源導航制導處理、任務重構處理、算法協同處理及其它應用處理等功能。
上述的硅基微系統裝置的組裝過程為：
步驟1，將各個元件集成在各自對應的基板上，形成單獨的異構系統；
在金屬復合基板1上固定設置第一mcm-l基板2，通過pop工藝在第一mcm-l基板2上依次堆疊第二mcm-l基板3、硅轉接基板4、第三mcm-l基板5和第四mcm-l基板6，完成水平基板的pop堆疊；
步驟2，在第四mcm-l基板6的后方通過撓性連接帶連接第五mcm-l基板7，在第四mcm-l基板6的一側通過撓性連接帶連接第六mcm-l基板8；
步驟3，上述基板通過pop工藝組裝完成后，經超聲波鍵合飛線26實現水平基板之間的電氣連接，所述飛線26優選為硅鋁絲或鋁絲。
步驟4，通過樹脂25對基板之間進行灌封，實現小體積下多信息融合處理的微小型抗高過載微系統。
本發明提供了一種小型化并具有抗高過載能力的硅基微系統裝置，該小型化硅基微系統裝置通過多傳感器系統架構設計技術、多信息融合處理技術和正交立體集成工藝，傳感器高精度、高穩定性正交組裝技術、基于硅tsv轉接板的多芯片集成工藝應力控制和模塊熱管理技術等，實現以多核處理器作為核心，集成mems慣性傳感器、地磁傳感器、衛星導航模塊等傳感器，具備多種外設接口的正交立體集成結構的硅基微系統模塊，通過mcm-l基板堆疊方式及pop工藝進行各功能層組裝，通過環氧樹脂基封膠進行封膠灌封保護，有效解決了小型化技術及抗高過載的能力，適用于小型化綜合電子微系統控制模塊，通用性高，易于操作，成本較低。其中的硅轉接基板上的元件通過tsv工藝進行連接，能夠實現硅微處理系統互連，滿足高速高密度互連需求。各個基板上的裸芯之間的電連接通過金屬線實現。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
技術特征：
技術總結
本發明公開了一種小型化抗高過載硅基微系統裝置及其組裝方法，該裝置區別與傳統的硅基微系統封裝方法，使得水平基板之間通過POP工藝堆疊，水平基板和垂直基板之間通過POP工藝封裝，使得形成了立體封裝結構；兩個垂直基板一個設置在水平基板的后方，一個設置在水平基板的側方，形成正交互聯結構；基板之間通過樹脂進行封裝，同實現了基板上元件的有效的保護和灌封，該封裝利用POP工藝堆疊和樹脂封裝，有效的解決了小型化技術及抗高過載的能力；該組裝方法適用于小型化綜合電子微系統控制模塊，通用性高，易于操作，成本較低。
