本發明涉及芯片原子鐘，具體涉及一種用于芯片原子鐘的陶瓷襯底結構。

背景技術：

1、芯片原子鐘作為新一代精密計時器件，憑借高度集成化、低功耗等優勢，在深空探測、深海作業、地下資源勘查等極端場景中展現出重要應用價值。芯片原子鐘的主流技術聚焦于mems原子氣室、真空封裝及懸臂梁隔熱結構設計，旨在通過微型化封裝和熱管理提升可靠性。

2、現有的芯片原子鐘技術將元器件在懸臂梁隔熱結構設計方面，一般直接負載于聚酰亞胺薄膜以改善隔熱，但此設計會大幅增加裝配復雜度與結構失效風險，難以滿足高可靠性需求；另外，以美國microchip公司的sa、45s為代表的芯片原子鐘產品，雖然憑借先進封裝工藝占據市場主導地位，但其核心元器件布局存在以下顯著缺陷：第一，vcsel激光器、ntc溫度傳感器與tec加熱器直接集成于無引腳芯片載體（lcc）內，導致真空環境破壞時，因tec上下基板溫差過大（達70℃）而無法有效調控vcsel溫度，致使激光失能；第二，tec采用有磁加熱方式，干擾原子鐘內部磁場環境，降低計時精度。

3、因此，如何優化上述核心元器件襯底集成方案，通過尺寸與布局設計協同提升隔熱效率與結構穩定性，是本發明需要解決的技術問題，另一方面，現有芯片原子鐘方案中，vcsel、無磁加熱絲、ntc等核心元器件與襯底、薄膜的多層堆疊關系尚未實現熱-力性能的平衡，導致真空失效場景下的性能斷崖式下降，因此，如何替代傳統tec加熱器，消除磁性干擾并降低功耗，是另一需要解決的技術問題。

技術實現思路

1、為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種用于芯片原子鐘的陶瓷襯底結構，通過在陶瓷襯底頂部面和底部面覆蓋柔性電路板，并在柔性電路板上合理布局多個芯片焊盤、過孔焊盤以及加熱線圈，能夠解決溫差控制失效、磁性干擾及裝配可靠性不足等核心問題，為芯片原子鐘在復雜環境下的穩定運行提供技術保障。

2、本發明提供的技術方案如下：

3、一種用于芯片原子鐘的陶瓷襯底結構，包括有呈方形體結構的陶瓷襯底、覆蓋在陶瓷襯底上側外表面的上層柔性電路板及覆蓋在陶瓷襯底下側外表面的下層柔性電路板。其中，陶瓷襯底采用陶瓷材料，相對于傳統的硅基材料制成的襯底，硬度高導熱性好，易加工。陶瓷襯底既可以為vcsel芯片、ntc芯片和原子氣室提供支撐，還可以為vcsel芯片和原子氣室提供無磁加熱，這種物理結構一組加熱和測溫設計極大的降低了器件封裝的成本和提高成品率；另外，陶瓷襯底配合單層柔性電路板，既可以對陶瓷襯底上的vcsel芯片、ntc芯片等芯片和加熱器供電，還可以將陶瓷及整個原子氣室等結構懸掛起來從而實現空氣隔熱的效果，進而降低功耗。

4、上層柔性電路板中心位置設置有第一芯片負極焊盤，第一芯片負極焊盤的上下兩側對稱設置有第一過孔焊盤和第四過孔焊盤，第一過孔焊盤與第一芯片正極連接，其左右兩側對稱設置有第二過孔焊盤和第三過孔焊盤，第二過孔焊盤通過導線與第一芯片負極焊盤連接；

5、第一芯片負極焊盤左右兩側對稱設置有第一導熱焊盤和第二導熱焊盤，第一導熱焊盤和第二導熱焊盤貼合連接原子氣室導熱結構；第一芯片負極焊盤與第一過孔焊盤之間設置有與第一過孔焊盤通過導線連接的第一芯片正極焊盤；

6、第一芯片負極焊盤與第二導熱焊盤之間且靠近第一芯片負極焊盤的位置設置有通過導線與第三過孔焊盤連接的第二芯片正極焊盤，第二芯片正極焊盤的正下方設置有通過導線與第四過孔焊盤連接的第二芯片負極焊盤；

7、下層柔性電路板上靠近外周邊緣上設置有用于對原子氣室加熱的加熱線圈，陶瓷襯底底部面的下方靠近中間位置設置有與加熱線圈加熱電阻絲兩端連接的加熱正極焊盤和加熱負極焊盤，加熱正極焊盤和加熱負極焊盤之間設置有連接第四過孔焊盤的第五過孔焊盤。

8、進一步地，以第一芯片負極焊盤為原點的陶瓷襯底頂部面上，第一過孔焊盤和第四過孔焊盤位于y軸上；第一導熱焊盤穿過x軸并位于第二象限和和第三象限，第二導熱焊盤穿過x軸并位于第一象限和和第四象限；第二過孔焊盤位于第二象限，第三過孔焊盤位于第一象限；第二芯片負極焊盤位于第四象限，第二芯片正極焊盤位于x軸上。

9、進一步地，第一導熱焊盤左端和第二導熱焊盤右端之間的距離d1大于第二過孔焊盤左端和第三過孔焊盤右端之間的距離d2，第一過孔焊盤的下端和第四過孔焊盤上端之間的距離d3大于第二芯片負極焊盤上端和第二芯片正極焊盤下端之間的距離d4。

10、進一步地，陶瓷襯底底部面柔性電路板上方中間位置設置有第六過孔焊盤，第六過孔焊盤左右兩側對稱設置有第七過孔焊盤和第八過孔焊盤，第六過孔焊盤與第一過孔焊盤通信連接，第七過孔焊盤與第三過孔焊盤通信連接，第八過孔焊盤與第二過孔焊盤通信連接。

11、進一步地，加熱線圈為一根加熱電阻絲繞制而成的雙層框線結構，其包括有左側內層框線、右側內層框線以及與左側內層框線和右側內層框線平行繞制的外層框線，左側內層框線的下端為導線首端，導線首端與加熱正極焊盤連接，左側內層框線的上端與外層框線一端連接，外層框線另一端與右側內層框線的上端連接，右側內層框線的下端為導線尾端，導線尾端與加熱負極焊盤連接。

12、進一步地，陶瓷襯底的制作材料為氮化鋁半導體材料，其熱導率的范圍為100w/(m*k)至260w/(m*k)；其維氏硬度范圍為10gpa至12gpa，抗彎強度300mpa至350mpa。

13、進一步地，上層柔性電路板和下層柔性電路板上設置的多個焊盤，多個焊盤的斷面從上至下依次由ni層、cu層以及au層組成，ni層的厚度范圍為5nm至10nm，cu層的厚度范圍為1um至5um，au層的厚度范圍為50-100?nm；多個焊盤包括第一芯片負極焊盤、第一過孔焊盤、第二過孔焊盤、第三過孔焊盤、第一導熱焊盤、第二導熱焊盤、第二芯片負極焊盤、第四過孔焊盤、加熱正極焊盤、加熱負極焊盤、第五過孔焊盤、第二芯片正極焊盤、第七過孔焊盤、第六過孔焊盤、第八過孔焊盤、第一芯片正極焊盤和導線。

14、進一步地，加熱線圈的框線線寬范圍為0.1um至0.5um，內層框線和外層框線之間的間距范圍為0.1um至0.5um；

15、加熱線圈中的加熱電阻絲，其斷面從上至下依次由ni層以及au層組成，ni層的厚度范圍為5nm至10nm；au層的厚度范圍為100nm至200?nm。

16、本發明所述的用于芯片原子鐘的陶瓷襯底結構，通過材料創新與集成設計實現了多重技術效果提升，具體技術效果如下：

17、1.?本發明通過采用高硬度、高導熱性且易加工的氮化鋁半導體材料作為陶瓷襯底的制作材料，其熱導率可達到260w/(m·k)；其維氏硬度可達到12gpa，抗彎強度可達到350mpa，有效替代傳統的硅基襯底，具備優異的機械支撐性能與熱管理能力，不僅能夠為vcsel激光器、ntc溫度傳感器及原子氣室提供穩定承載，而且能夠集成無磁加熱功能，從而取代傳統tec加熱器，徹底消除磁性干擾對原子鐘精度的影響，解決了現有技術存在的tec加熱器不能消除磁性干擾并降低功耗的問題；同時，簡化加熱與測溫系統的物理結構，顯著降低封裝復雜度與制造成本，并提升成品率。

18、2.?本發明通過陶瓷襯底與單層柔性電路板（fpc）協同設計，創新性地通過fpc實現供電與懸掛式空氣隔熱一體化功能：單層柔性電路板（fpc）既為陶瓷襯底上的芯片及加熱元件供電，又通過懸掛結構將陶瓷襯底與原子氣室等核心組件與外部環境隔離，利用空氣層隔熱大幅降低熱損耗，在真空破壞等極端條件下仍能維持穩定的溫度控制，使整體功耗降低至傳統方案的10%以下，解決了現有技術存在的vcsel激光器、ntc溫度傳感器與tec加熱器直接集成于無引腳芯片載體（lcc）內，導致真空環境破壞時，因tec上下基板溫差過大（達70℃）而無法有效調控vcsel溫度，致使激光失能的技術問題。

19、3.本發明通過在陶瓷襯底上對承載電子元器件的焊盤進行尺寸優化與布局重構，解決了現有技術中因堆疊設計導致的熱-力耦合失衡問題，既保障了真空封裝失效時的性能魯棒性，又提升了元器件在深空、深海等復雜環境下的長期結構可靠性，為芯片原子鐘的高精度、低功耗、小型化發展提供了關鍵支撐。

20、4.本發明所述的一種用于芯片原子鐘的陶瓷襯底結構，不僅能夠承載vcsel芯片、ntc芯片、加熱線圈及原子氣室等多種組件，還兼具為電學元器件提供電氣連接的功能，并有效傳導熱量至原子氣室，實現對其加熱的目的。