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。
中图分类号：TP273+.3；TN967.2 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245991
中文引用格式： 沈时俊，何一蕾，汪金华，等. 组合导航微系统陶瓷基三维集成技术[J]. 电子技术应用，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.
中文引用格式： 沈时俊，何一蕾，汪金华，等. 组合导航微系统陶瓷基三维集成技术[J]. 电子技术应用，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
主流的导航方式包括惯性导航、卫星导航、地磁导航、星光导航等，这几种导航方式单独工作时，在长期导航任务、电磁拒止环境下存在精度、可靠性等方面的不足。将MEMS惯性导航与卫星导航、地磁导航等多种导航方式相结合，并辅以气压高度计等传感器，形成集多种导航方式和传感器于一体的组合导航微系统，实现多源信息融合，实现单种导航方式难以实现的功能、精度和可靠性，拓展了系统使用范围[1-2]。
受限于电路规模及小型化工艺技术手段，目前组合导航系统的封装结构仍停留在基于PCB的板级组装，体积和重量较大，信号延迟较为严重。近些年核心功能电路陆续实现了芯片化，但由于芯片的材料、结构和接口不同，MEMS传感器、模拟/数字芯片、射频芯片、电源芯片等异质异构芯片在晶圆级实现SiP封装难度极大，采用基于LTCC基板的SiP工艺技术集成此类芯片，实现组合导航系统的微型化成为不二选择。
通过采用三维异构集成技术[3-5]，突破微型组合导航系统架构设计、多层陶瓷基板高密度布线及贴装、基板堆叠、高正交度三维立体组装、微小尺度多物理量综合仿真及优化等技术，将MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、卫星导航、地磁计、气压计、信号处理及接口、电源总线电路等功能单元合理地集成在四块LTCC基板上，再通过基板堆叠、垂直组装等多维组装技术，实现基板与基板、基板与外壳的结构和电连接，集成后的产品通过BGA焊球栅列与系统装配。研制出的产品体积为7.8 cm3，仅为PCB组件产品的3%。
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作者信息：
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，安徽 合肥 230088）
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