芯片级原子钟物理系统

本技术涉及原子钟，特别是涉及芯片级原子钟物理系统。

背景技术：

1、原子钟是用于计时的精密系统，主要有高精度、小型化和低功耗三个技术发展方向。随着mems（micro electro mechanical system，微机电系统）工艺的发展，原子钟的核心部分腔室可以做到芯片级，使得原子钟整体可以微型化。芯片级原子钟即通过mems工艺对原子钟集成得到，其物理部分主要包括vcsel（vertical cavity surface emittinglaser，垂直腔面发射激光器）激光器、衰减片与1/4波片等组成的光学镜组、mems腔室以及pd（photoelectric detector，光电探测器）探测器。芯片级原子钟在尺寸、重量和功耗等方面都优于传统原子钟，广泛应用于航空航天。其中，系统整体的体积、功耗和稳定度是评价芯片级原子钟性能的重要指标。

2、相关技术中，芯片级原子钟物理部分的微型化主要体现在mems腔室，对于其他物理组件封装的集成度则较低，没有发挥mems腔室的集成优势，芯片级原子钟物理部分整体的集成度有限。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对芯片级原子钟物理部分整体集成度有限的问题，提供一种芯片级原子钟物理系统。

2、一种芯片级原子钟物理系统，包括：

3、沿第一方向顺序堆叠设置的激光模块、光学镜片模块、微型气室模块和光电探测模块，所述激光模块包括第一基板和贴装于所述第一基板上的激光源，所述光学镜片模块包括第二基板和嵌设于所述第二基板上的光学镜片组，所述光电探测模块包括第三基板和贴装于所述第三基板上的光电探测器，所述光电探测器、所述光学镜片组与所述激光源的光轴同轴设置，所述第一基板与所述第二基板之间、所述第二基板与所述微型气室模块之间及所述微型气室模块与所述第三基板之间均通过焊球阵列固定连接；以及

4、转接板，所述激光模块、所述光学镜片模块、所述微型气室模块和所述光电探测模块均固定连接于所述转接板上，所述激光模块、所述微型气室模块及所述光电探测模块均与所述转接板电性连接，所述转接板用于作为封装基板及连接外接电路。

5、在其中一个实施例中，所述第一基板、所述第二基板、所述第三基板、所述微型气室模块和所述转接板均在各自的相背对两侧表面上均设有重布线层，且所述重布线层中均包括导电焊盘；其中，所述第一基板、所述第二基板、所述第三基板和所述转接板的内部设有硅通孔，所述第一基板、所述第二基板、所述第三基板和所述转接板的相背对两侧表面上的导电焊盘中相对应设置的导电焊盘之间通过硅通孔电性连接；所述第一基板、所述第二基板、所述微型气室模块和所述第三基板中任意相邻两者的相对设置的表面上的导电焊盘中相对设置的导电焊盘之间通过焊球电性连接；所述第二基板、所述微型气室模块和所述第三基板上的导电焊盘中位于表面边缘位置的导电焊盘与所述转接板上相对应设置的导电焊盘之间通过焊球电性连接；所述转接板的背离所述第一基板、所述第二基板、所述微型气室模块及所述第三基板的表面上的导电焊盘用于连接外接电路。

6、在其中一个实施例中，所述第一基板、所述第二基板、所述微型气室模块及所述第三基板上的重布线层中还包括独立焊盘阵列，所述第一基板、所述第二基板、所述微型气室模块和所述第三基板中任意相邻两者的相对设置的表面上的相对设置的所述独立焊盘阵列之间通过所述焊球阵列固定连接。

7、在其中一个实施例中，所述相背对两侧表面上的相对应设置的任意两个所述导电焊盘之间均通过至少四个所述硅通孔电性连接。

8、在其中一个实施例中，所述激光源通过导电焊盘贴装于所述第一基板的背离所述第二基板的表面上，贴装所述激光源的所述导电焊盘依次通过所述第一基板的背离所述第二基板的表面上的重布线层、所述第一基板上的硅通孔、所述第一基板的朝向所述第二基板的表面上的重布线层、焊球以及所述第二基板上的重布线层电性连接至所述第二基板上的位于表面边缘位置的导电焊盘，所述第二基板上的位于表面边缘位置的导电焊盘通过焊球与所述转接板上相对应设置的导电焊盘电性连接；和/或，所述光电探测器通过导电焊盘贴装于所述第三基板的背离所述微型气室模块的表面上，贴装所述光电探测器的所述导电焊盘依次通过所述第三基板上的硅通孔和重布线层电性连接至所述第三基板上的位于表面边缘位置的导电焊盘，所述第三基板上的位于表面边缘位置的导电焊盘通过焊球与所述转接板上相对应设置的导电焊盘电性连接。

9、在其中一个实施例中，所述激光模块还包括测温元件和第一加热电极，所述测温元件通过导电焊盘贴装于所述第一基板的背离所述第二基板的表面上，并与所述激光源相邻设置；贴装所述测温元件的所述导电焊盘依次通过所述第一基板的背离所述第二基板的表面上的重布线层、所述第一基板上的硅通孔、所述第一基板的朝向所述第二基板的表面上的重布线层以及焊球电性连接至所述第二基板的朝向所述第一基板的表面上的导电焊盘；所述第一加热电极以重布线层方式设置于所述第一基板上，并环绕于所述激光源和所述测温元件设置；所述第一加热电极依次通过所述第一基板的朝向所述第二基板的表面上的重布线层以及焊球电性连接至所述第二基板的朝向所述第一基板的表面上的导电焊盘。

10、在其中一个实施例中，所述微型气室模块包括硅片以及层叠设置于所述硅片的相背对两侧面上的两玻璃片，所述硅片上开设有第一容置通孔和第二容置通孔，所述第一容置通孔与所述光学镜片组及所述光电探测器同轴设置，所述第二容置通孔与所述第一容置通孔之间通过沟道互相连通，两所述玻璃片封闭所述第一容置通孔以形成第一密封腔室、封闭所述第二容置通孔以形成第二密封腔室，所述第一密封腔室与所述第二密封腔室内封装缓冲气体，所述第二密封腔室内暂存释放剂；所述微型气室模块的重布线层设置于两所述玻璃片的背离所述硅片的表面上，两所述玻璃片上的重布线层中均包括第二加热电极、测温电极以及分别与所述第二加热电极和所述测温电极电性连接的位于表面边缘位置的导电焊盘，两所述玻璃片上的位于表面边缘位置的导电焊盘分别通过焊球与所述转接板上相对应设置的导电焊盘电性连接。

11、在其中一个实施例中，所述转接板上的电性连接于两所述玻璃片上的所述第二加热电极的导电焊盘并联连接至所述转接板的背离所述微型气室模块的表面上的两个导电焊盘，所述转接板上的电性连接于两所述玻璃片上的所述测温电极的导电焊盘并联连接至所述转接板的背离所述微型气室模块的表面上的另两个导电焊盘；和/或，所述第二加热电极和所述测温电极均为双线结构布线。

12、在其中一个实施例中，所述第二基板、两所述玻璃片及所述第三基板上的重布线层中均还包括位于表面边缘位置的独立焊盘；其中，靠近所述第二基板的所述玻璃片上的位于表面边缘位置的独立焊盘与所述第二基板上的位于表面边缘位置的导电焊盘对准设置，并通过焊球固定连接；靠近所述第二基板的所述玻璃片上的位于表面边缘位置的导电焊盘与所述第二基板上的位于表面边缘位置的独立焊盘对准设置，并通过焊球固定连接；靠近所述第三基板的所述玻璃片上的位于表面边缘位置的独立焊盘与所述第三基板上的位于表面边缘位置的导电焊盘对准设置，并通过焊球固定连接；靠近所述第三基板的所述玻璃片上的位于表面边缘位置的导电焊盘与所述第三基板上的位于表面边缘位置的独立焊盘对准设置，并通过焊球固定连接；连接于所述第二基板、两所述玻璃片及所述第三基板上的位于表面边缘位置的导电焊盘的焊球均与所述转接板上相对应设置的导电焊盘固定连接。

13、在其中一个实施例中，所述第一基板上设有第一通孔，所述激光源的出光口正对所述第一通孔设置；所述第二基板上设有第二通孔，所述光学镜片组同轴嵌设于所述第二通孔内；所述第三基板背离所述微型气室模块的一侧上设有盲孔，所述盲孔内设有第三通孔，所述光电探测器贴装在所述盲孔内，并正对所述第三通孔设置；其中，所述第一通孔、所述第二通孔和所述第三通孔同轴；所述第二基板的厚度大于所述第一基板的厚度以及所述第三基板的厚度。

14、上述芯片级原子钟物理系统，采用模块化设计与集成，通过设置第一基板、第二基板和第三基板，实现激光模块、光学镜片模块和光电探测模块的单模块集成和固定支撑，可以省去额外的安装板或壳体等安装结构，节省占用空间和成本，缩小芯片级原子钟物理系统的体积；通过设置焊球阵列作为机械连接结构，实现激光模块、光学镜片模块、微型气室模块和光电探测模块之间的堆叠互连，使得芯片级原子钟物理系统能够进一步提升集成度；设置转接板与各物理模块互连，起到替代引线的作用，提升集成度，提高信号传输稳定性和结构稳定性，同时转接板还起到封装基板作用，芯片级原子钟物理系统可以通过转接板与外接电路相连，以实现芯片级原子钟功能，从而实现更高集成度和稳定性的芯片级原子钟物理系统，有效缩小芯片级原子钟物理系统的体积，解决现有芯片级原子钟物理部分整体的集成度有限的问题。