摘要：德州儀器公司的TMS320C6000（以下簡(jiǎn)稱(chēng)TI C6000）系列DSP是目前國(guó)際上性能最高的DSP芯片。本文從該系列芯片的封裝設(shè)計(jì)開(kāi)始，分析討論了整個(gè)PCB的制作過(guò)程中需要注意的一系列問(wèn)題，內(nèi)容主要包括C6000系列DSP的BGA封裝焊盤(pán)定義選擇的分析、多層板布線分析和SMT焊裝時(shí)關(guān)于元件貼片、 回流焊接技術(shù)的分析。本文對(duì)廣大的TI C6000系列DSP系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員具有一定的借鑒意義。

引言

近年來(lái)，以高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)飛速發(fā)展，并獲得了廣泛的應(yīng)用。TMS320C6000系列DSP是德州儀器公司（TI）推出的定點(diǎn)、浮點(diǎn)系列DSP，其中定點(diǎn)產(chǎn)品峰值處理能力達(dá)到4800MIPS，浮點(diǎn)產(chǎn)品峰值處理能力達(dá)到1350MFLOPS，是目前國(guó)際上性能最高的DSP之一，其卓越的性能使得它在傳統(tǒng)的DSP領(lǐng)域、雷達(dá)、無(wú)線電基站等高端領(lǐng)域，以及寬帶媒體、身份識(shí)別等新興領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。隨著DSP性能和功能的不斷增強(qiáng)，應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，要將DSP的性能充分釋放出來(lái)，合理的板級(jí)設(shè)計(jì)是DSP系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員面臨的一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題。

BGA封裝的設(shè)計(jì)分析

C6000系列DSP采用的是一種高密度BGA（Ball Grid Array）封裝，采用這種封裝的好處包括可以獲得更好的高頻電氣性能、比引腳封裝具有更長(zhǎng)的使用周期、尺寸更小以及制造成本更低等。BGA封裝給芯片制造商以及芯片本身的性能都帶來(lái)了好處，但是對(duì)于板級(jí)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，卻造成了很多不便之處，布線、焊裝、檢測(cè)與調(diào)試都比以前更加困難。
在設(shè)計(jì)密腳距（Fine-Pitch）的BGA封裝時(shí)，不同技術(shù)的應(yīng)用會(huì)帶來(lái)不同的生產(chǎn)質(zhì)量，PCB上焊盤(pán)的合理設(shè)計(jì)能提高生產(chǎn)的可靠性。有兩種焊盤(pán)的設(shè)計(jì)方法可以選擇：阻焊定義（SMD，solder mask defined）的焊盤(pán)和無(wú)阻焊定義的焊盤(pán)（NSMD，non-solder mask defined）。圖1是這兩種焊盤(pán)的不同的焊裝效果。

圖1 SMD焊盤(pán)（a)和NSML焊盤(pán)（b）不同的焊裝效果（略）

這兩種焊盤(pán)定義都有其優(yōu)缺點(diǎn)。使用SMD焊盤(pán)時(shí)，焊盤(pán)需要的尺寸比期望的尺寸大，而且如圖1所示，焊料與焊盤(pán)的接觸面尺寸由阻焊層的空隙大小決定，過(guò)大的焊盤(pán)使得走線非常困難。這種焊盤(pán)定義的優(yōu)點(diǎn)是它能夠精密的控制尺寸，焊盤(pán)也能夠更好的附著在PCB板的基底層上。與它相比，NSMD焊盤(pán)蝕刻在阻焊層內(nèi)（如圖1），焊盤(pán)的尺寸決定于銅層的蝕刻，沒(méi)有SMD焊盤(pán)尺寸精密，但是NSMD是TI公司推薦使用的焊盤(pán)定義，它可以在板上留下較多的布線空間以適應(yīng)密腳距的BGA封裝，可以使器件與PCB板的結(jié)合更加的緊密。圖2是TI公司提供的焊盤(pán)的最佳配置。另外，BGA封裝的器件需要采用回流焊設(shè)備進(jìn)行焊裝，為了保證器件封裝與PCB板有良好的連接，板子上的焊盤(pán)一般應(yīng)比器件上的管腳焊點(diǎn)（低溫金屬球）的直徑略大。

在密腳距的BGA封裝設(shè)計(jì)時(shí)，布線也是需要注意的問(wèn)題。電路板設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用0.1mm的最小線寬，0.2mm的間距。以腳間距為0.8mm的TMS320C6415（GLZ-532）為例，由于焊盤(pán)間的距離大概只有0.38mm（該距離是假定焊盤(pán)直徑為0.41mm時(shí)的最壞情況），在兩腳間最多只能布一條線。另外，焊盤(pán)通常通過(guò)較寬的銅導(dǎo)線與其他設(shè)備或者金屬化孔（PTH，Plated Through Hole）相連。作為一個(gè)規(guī)則，焊盤(pán)必須和PTH分離，將PTH放在焊盤(pán)的間隙處，并通過(guò)導(dǎo)線與焊盤(pán)連接是通用的辦法。

印制電路板的設(shè)計(jì)與分析

C6000系列DSP的板級(jí)設(shè)計(jì)不可避免地涉及到了多層印制電路板的設(shè)計(jì)問(wèn)題，多層板有很多優(yōu)點(diǎn)，但是因其密度和層數(shù)的關(guān)系，在加工制作過(guò)程中難度大，測(cè)試?yán)щy，可靠性保障程度相對(duì)于雙面板而言較低，一旦出現(xiàn)故障，幾乎沒(méi)有維修的可能。多層板的質(zhì)量和可靠性以及是否能取得合理的價(jià)格，很大程度上與多層板的設(shè)計(jì)有關(guān)，作為設(shè)計(jì)者必須熟悉印制板有關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

通過(guò)使用高密度布線技術(shù)，可以解決在設(shè)計(jì)中遇到的可供信號(hào)線通過(guò)的空間過(guò)小的難題。在高密度板設(shè)計(jì)中，孔密度（Via Density）是一個(gè)需要注意的因素。孔密度即特定面積的PCB板上的過(guò)孔個(gè)數(shù)。使用較小的過(guò)孔，可以增加PCB板的布通率，進(jìn)而使用更少的板面積，并能增加孔密度，微孔的使用解決了很多與孔密度相關(guān)的問(wèn)題。下面想要分析的是兩種高密度的六層板的設(shè)計(jì)方法。

圖2 NSMD焊盤(pán)最佳配置（略）


通常在C600系列DSP的板級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)，BGA封裝外圍的孔密度相對(duì)較大，這是因?yàn)楣苣_焊點(diǎn)間布線路徑的有限選擇導(dǎo)致的。為了減少封裝外圍孔密度的問(wèn)題，設(shè)計(jì)者可以如圖3所示的垂直設(shè)計(jì)方法，在焊盤(pán)之間垂直的轉(zhuǎn)一個(gè)0.25mm的孔，穿過(guò)內(nèi)層，設(shè)計(jì)者可以選擇適當(dāng)?shù)膶雍筒季�的路徑，并使用一種被稱(chēng)為狗骨形(dog bone)的導(dǎo)線來(lái)連接通孔和焊盤(pán)。這種方法最多需要為每一個(gè)管腳焊點(diǎn)轉(zhuǎn)一個(gè)通孔。除了這種方法以外，還有一種方法需要使用先進(jìn)的微孔技術(shù)，通過(guò)使用盲孔和埋孔來(lái)連接各層。如圖4所示，盲孔將頂層和底層與中間層連接，埋孔連接中間層。這種方法需要使用激光在焊盤(pán)上轉(zhuǎn)0.1mm的微孔并在第二層埋上狗骨形的連接導(dǎo)線。因?yàn)槁窨讻](méi)有暴露出來(lái)，可以使用較大的孔徑如0.25mm。如果需要可以在底層放上旁路電容和其他的分立元件。

SMT生產(chǎn)工藝流程中需要注意的問(wèn)題 元器件貼片

元器件的貼片是SMT生產(chǎn)工藝流程中焊膏印刷后的第二道工序。BGA封裝具有"自對(duì)準(zhǔn)"的特性，在元器件貼片這道工序中由于熔化的焊料的表面張力可以使BGA封裝元件自動(dòng)的對(duì)準(zhǔn)，在一定的偏差范圍內(nèi)使焊點(diǎn)和焊盤(pán)更好的結(jié)合。作為慣例，放置BGA封裝元件時(shí)焊盤(pán)尺寸50％以?xún)?nèi)的偏差都是允許的。

圖3 通用的PCB板設(shè)計(jì)框圖（略）
圖4 微孔化的PCB板設(shè)計(jì)方法（略）

元器件的貼片通常都是使用能夠根據(jù)BGA金屬球版本來(lái)放置BGA封裝器件的設(shè)備完成的。如果金屬球的版本號(hào)對(duì)設(shè)備而言無(wú)效的話，可以根據(jù)元器件的邊緣來(lái)對(duì)齊器件，在這種情況下，由于器件的差異性，放置元器件時(shí)可能會(huì)有很大的偏差，推薦使用金屬球的對(duì)準(zhǔn)的方式。放置元器件時(shí)注意不要將焊膏濺出，一般200到300克力就可以使得元器件很好地與焊膏接觸了。

回流焊接

回流焊接是BGA裝配過(guò)程中最難控制的工序，在回流過(guò)程中需要注意檢查PCB板上所有器件回流時(shí)的形態(tài)并確保它們?cè)诤附舆^(guò)程中有充分的回流。當(dāng)使用的回流爐不能使PCB板均勻受熱的情況下，需要在板上不同的位置安裝多重的熱電偶。如果需要的話，還應(yīng)該重新調(diào)節(jié)溫度使元器件有更好的焊接。回流一般經(jīng)過(guò)預(yù)熱、浸潤(rùn)、回流、冷卻幾個(gè)階段。預(yù)熱時(shí)緩慢加熱，較理想的升溫速度為每秒1.5℃到2℃，升溫至120℃到140℃；浸潤(rùn)階段里，額外的揮發(fā)性物質(zhì)被蒸發(fā)掉，助焊劑也開(kāi)始揮發(fā)。這個(gè)階段的設(shè)置很大程度上依賴(lài)與焊膏的選擇，一般保持120℃到170℃，持續(xù)時(shí)間約120到180秒較好，以確保雜質(zhì)盡可能的揮發(fā)。回流階段應(yīng)該使溫度很快的上升到使焊料熔化成液體的溫度，一般最高的溫度為220℃到235℃，超過(guò)180℃的持續(xù)時(shí)間為60到75秒，一旦焊接完畢，進(jìn)入到冷卻的階段，一般降溫的速度控制在2到3℃/秒。

小結(jié)

本文對(duì)TI C6000 DSP板級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問(wèn)題進(jìn)行了分析，除了以上提到的這些問(wèn)題，要想很快設(shè)計(jì)出PCB板，并使BGA封裝可靠的連接，還需要更好的和制板商以及貼片廠家溝通，以了解他們能夠達(dá)到的制造工藝水平，并告知在制作過(guò)程中需要他們特別注意問(wèn)題。