摘要：德州仪器公司的TMS320C6000（以下简称TI C6000）系列DSP是目前国际上性能最高的DSP芯片。本文从该系列芯片的封装设计开始，分析讨论了整个PCB的制作过程中需要注意的一系列问题，内容主要包括C6000系列DSP的BGA封装焊盘定义选择的分析、多层板布线分析和SMT焊装时关于元件贴片、 回流焊接技术的分析。本文对广大的TI C6000系列DSP系统开发人员具有一定的借鉴意义。

引言

近年来，以高速数字信号处理器（DSP）为基础的实时数字信号处理技术飞速发展，并获得了广泛的应用。TMS320C6000系列DSP是德州仪器公司（TI）推出的定点、浮点系列DSP，其中定点产品峰值处理能力达到4800MIPS，浮点产品峰值处理能力达到1350MFLOPS，是目前国际上性能最高的DSP之一，其卓越的性能使得它在传统的DSP领域、雷达、无线电基站等高端领域，以及宽带媒体、身份识别等新兴领域都有很好的应用前景。随着DSP性能和功能的不断增强，应用系统的设计越来越复杂，要将DSP的性能充分释放出来，合理的板级设计是DSP系统开发人员面临的一个关键性的问题。

BGA封装的设计分析

C6000系列DSP采用的是一种高密度BGA（Ball Grid Array）封装，采用这种封装的好处包括可以获得更好的高频电气性能、比引脚封装具有更长的使用周期、尺寸更小以及制造成本更低等。BGA封装给芯片制造商以及芯片本身的性能都带来了好处，但是对于板级开发人员来说，却造成了很多不便之处，布线、焊装、检测与调试都比以前更加困难。
在设计密脚距（Fine-Pitch）的BGA封装时，不同技术的应用会带来不同的生产质量，PCB上焊盘的合理设计能提高生产的可靠性。有两种焊盘的设计方法可以选择：阻焊定义（SMD，solder mask defined）的焊盘和无阻焊定义的焊盘（NSMD，non-solder mask defined）。图1是这两种焊盘的不同的焊装效果。

图1 SMD焊盘（a)和NSML焊盘（b）不同的焊装效果（略）

这两种焊盘定义都有其优缺点。使用SMD焊盘时，焊盘需要的尺寸比期望的尺寸大，而且如图1所示，焊料与焊盘的接触面尺寸由阻焊层的空隙大小决定，过大的焊盘使得走线非常困难。这种焊盘定义的优点是它能够精密的控制尺寸，焊盘也能够更好的附着在PCB板的基底层上。与它相比，NSMD焊盘蚀刻在阻焊层内（如图1），焊盘的尺寸决定于铜层的蚀刻，没有SMD焊盘尺寸精密，但是NSMD是TI公司推荐使用的焊盘定义，它可以在板上留下较多的布线空间以适应密脚距的BGA封装，可以使器件与PCB板的结合更加的紧密。图2是TI公司提供的焊盘的最佳配置。另外，BGA封装的器件需要采用回流焊设备进行焊装，为了保证器件封装与PCB板有良好的连接，板子上的焊盘一般应比器件上的管脚焊点（低温金属球）的直径略大。

在密脚距的BGA封装设计时，布线也是需要注意的问题。电路板设计时，通常采用0.1mm的最小线宽，0.2mm的间距。以脚间距为0.8mm的TMS320C6415（GLZ-532）为例，由于焊盘间的距离大概只有0.38mm（该距离是假定焊盘直径为0.41mm时的最坏情况），在两脚间最多只能布一条线。另外，焊盘通常通过较宽的铜导线与其他设备或者金属化孔（PTH，Plated Through Hole）相连。作为一个规则，焊盘必须和PTH分离，将PTH放在焊盘的间隙处，并通过导线与焊盘连接是通用的办法。

印制电路板的设计与分析

C6000系列DSP的板级设计不可避免地涉及到了多层印制电路板的设计问题，多层板有很多优点，但是因其密度和层数的关系，在加工制作过程中难度大，测试困难，可靠性保障程度相对于双面板而言较低，一旦出现故障，几乎没有维修的可能。多层板的质量和可靠性以及是否能取得合理的价格，很大程度上与多层板的设计有关，作为设计者必须熟悉印制板有关的设计标准和要求。

通过使用高密度布线技术，可以解决在设计中遇到的可供信号线通过的空间过小的难题。在高密度板设计中，孔密度（Via Density）是一个需要注意的因素。孔密度即特定面积的PCB板上的过孔个数。使用较小的过孔，可以增加PCB板的布通率，进而使用更少的板面积，并能增加孔密度，微孔的使用解决了很多与孔密度相关的问题。下面想要分析的是两种高密度的六层板的设计方法。

图2 NSMD焊盘最佳配置（略）


通常在C600系列DSP的板级设计时，BGA封装外围的孔密度相对较大，这是因为管脚焊点间布线路径的有限选择导致的。为了减少封装外围孔密度的问题，设计者可以如图3所示的垂直设计方法，在焊盘之间垂直的转一个0.25mm的孔，穿过内层，设计者可以选择适当的层和布线的路径，并使用一种被称为狗骨形(dog bone)的导线来连接通孔和焊盘。这种方法最多需要为每一个管脚焊点转一个通孔。除了这种方法以外，还有一种方法需要使用先进的微孔技术，通过使用盲孔和埋孔来连接各层。如图4所示，盲孔将顶层和底层与中间层连接，埋孔连接中间层。这种方法需要使用激光在焊盘上转0.1mm的微孔并在第二层埋上狗骨形的连接导线。因为埋孔没有暴露出来，可以使用较大的孔径如0.25mm。如果需要可以在底层放上旁路电容和其他的分立元件。

SMT生产工艺流程中需要注意的问题 元器件贴片

元器件的贴片是SMT生产工艺流程中焊膏印刷后的第二道工序。BGA封装具有"自对准"的特性，在元器件贴片这道工序中由于熔化的焊料的表面张力可以使BGA封装元件自动的对准，在一定的偏差范围内使焊点和焊盘更好的结合。作为惯例，放置BGA封装元件时焊盘尺寸50％以内的偏差都是允许的。

图3 通用的PCB板设计框图（略）
图4 微孔化的PCB板设计方法（略）

元器件的贴片通常都是使用能够根据BGA金属球版本来放置BGA封装器件的设备完成的。如果金属球的版本号对设备而言无效的话，可以根据元器件的边缘来对齐器件，在这种情况下，由于器件的差异性，放置元器件时可能会有很大的偏差，推荐使用金属球的对准的方式。放置元器件时注意不要将焊膏溅出，一般200到300克力就可以使得元器件很好地与焊膏接触了。

回流焊接

回流焊接是BGA装配过程中最难控制的工序，在回流过程中需要注意检查PCB板上所有器件回流时的形态并确保它们在焊接过程中有充分的回流。当使用的回流炉不能使PCB板均匀受热的情况下，需要在板上不同的位置安装多重的热电偶。如果需要的话，还应该重新调节温度使元器件有更好的焊接。回流一般经过预热、浸润、回流、冷却几个阶段。预热时缓慢加热，较理想的升温速度为每秒1.5℃到2℃，升温至120℃到140℃；浸润阶段里，额外的挥发性物质被蒸发掉，助焊剂也开始挥发。这个阶段的设置很大程度上依赖与焊膏的选择，一般保持120℃到170℃，持续时间约120到180秒较好，以确保杂质尽可能的挥发。回流阶段应该使温度很快的上升到使焊料熔化成液体的温度，一般最高的温度为220℃到235℃，超过180℃的持续时间为60到75秒，一旦焊接完毕，进入到冷却的阶段，一般降温的速度控制在2到3℃/秒。

小结

本文对TI C6000 DSP板级设计时需要注意的问题进行了分析，除了以上提到的这些问题，要想很快设计出PCB板，并使BGA封装可靠的连接，还需要更好的和制板商以及贴片厂家沟通，以了解他们能够达到的制造工艺水平，并告知在制作过程中需要他们特别注意问题。