一种多层裸芯片堆叠3D异质异构集成导航微系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。提高了系统精度和可靠性。提高了系统精度和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种多层裸芯片堆叠3D异质异构集成导航微系统


[0001]本专利技术属于导航
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术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。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]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
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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-fired Ceramic，LTCC)电路进行电信号连接；
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]进一步，所述电源芯片3包括：DC-DC电源芯片和LDO芯片。
[0017]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。
[0018]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
[0019][0020]卡尔曼滤波方程的观测向量为
[0021]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。
[0022]进一步，该导航微系统的制作方法，具体包括以下步骤：
[0023]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；
[0024]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；
[0025]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；
[0026]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；
[0027]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；
[0028]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；
[0029]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；
[0030]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；
[0031]步骤9、导航微系统程序烧写，将标定、补偿后的各种传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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-fired Ceramic，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李星海，徐全吉，蒋欣佑，王皓，
申请(专利权)人：中电科技集团重庆声光电有限公司，
类型：发明
国别省市：