# 教程总述
**对于高速电路设计一直比较感兴趣,想自己做一个XX派,但苦于资料太少了。** 过去6个月在摸索中完成了全志H6开发板。相信肯定也会有其他小伙伴有类似的想法,因此就有了这样一个《从零入门ARM高速电路设计》教程。
**本教程,将给出一个可行的学习路径**,分享我自己在做的过程中的一些经验(看别人似乎挺容易的,但自己操作起来怎么那么难,eg. BGA焊接),以及设计过程中的一些考量。
考虑到高速电路设计本身就是一个复杂的领域,包含原理图设计,PCB设计,焊接和调试,软硬件联调等步骤,涉及了硬件工程师,PCB工程师,嵌入式软件工程师等岗位,很难由一个教程就将知识完全涵盖。**对于网络上面讲得比较好的内容,我会给出资源地址,推荐大家去读原文。对于缺乏的内容,我会补充自己的知识和经验。**
我作为高速电路设计的初学者,肯定有知识和经验上面的不足,要是有错误或者资料的补充,欢迎在评论区指出和补充。**大家可以一起完善这个教程。**
项目主页:[https://oshwhub.com/logicworld/h6_board](https://oshwhub.com/logicworld/h6_board)
# 焊接和调试
## 打板和SMT贴片
### JLC打板
上一章结束的时候,我们已经完成了PCB设计,现在就可以丢给JLC免费打板了。打板流程和MCU板没有什么大的区别。
**[6层板的免费打样要求](https://www.jlc.com/portal/t7i39622.html):长宽在10CM以内、打样5片、沉金、绿色、支持盘中孔、常规工艺;特别注意层叠结构要和设计时选择的一样。** 另外:六层板需要焊接后晒照,且必须包括BGA焊接才能获得下一次免费打板机会。
如果,你要选择SMT,那么,打板时,要选择SMT贴片。这里有一个JLC官方出的流程视频,[嘉立创 | PCB/SMT下单教程(2022年最新版)](https://www.bilibili.com/video/BV1PB4y1D7Rn)
### SMT贴片
当时,JLC在双十一发了一次300元的SMT贴片券,因此,我这里使用了SMT尝了尝鲜。我这里给一下优劣分析,看看大家是否要决定使用SMT。
* 优势
* **最大的优势自然是不需要自己贴片了**,密密麻麻的阻容器件,就算是我们有能力手工贴,也得废不少时间,加上还得确认是否短路或断路了,机器贴的相对质量是比较高。
* **另外一部分器件是手工难贴的**,包括QFN/BGA封装的焊盘在底下,HDMI的引脚特别密集,ESD器件封装比较小(0402封装),USB TypeC接口焊盘在底下(其他器件都还好贴)。使用SMT能够降低我们初次做高速板子的焊接调试难度。
* 劣势
* **最大的劣势自然是价格不便宜,经济型SMT整体价格包含**
* 50元工程费;
* 换料费:基础库免换料费,扩展库20元每种器件;**主要贵在这里,我有32种基础库器件,10种扩展库器件,换料费200元;**,比如:AP6212,eMMC,ESD器件,HDMI,SD卡槽都是扩展库。
* SMT焊盘费用:1分钱1个,因为,我们只是打样量比较少,这部分的钱是比较少的;
* X-RAY检查费用:可能是因为有BGA焊接的原因,因此要X-RAY检查;
![JLC_SMT费用.png](//image.lceda.cn/pullimage/KP2420LmeIXuh0k3XTHauaKOZriWezk9ScuLFxYW.png)
* 特殊器件,比如:**H6+AXP805是无法在立创商城找到的**,另外,LPDDR3的内存也不太容易找或者价格很高。这些淘宝买的散片,连定位孔都没有,应该也没有办法邮寄给JLC贴片吧。
* JLC SMT的物料是要从立创商城买的,**对于一些大器件相比TB更贵一些**,比如:AP6212 28.66元{JLC}, 10+元(TB)。另外,电阻电容这些有最小起购量,如果,我们用不完,那么,就没有了(标准型会和板子一起邮寄给你,但经济型就无了)。
* 经济型是只能贴单面的,标准型可以贴双面,但价格更贵一些。
在你没有300元SMT券的情况下,**我的建议是要么不贴,要么,花100元贴一下基础库和2-3种扩展库。** 300元贴片还是有些贵的,而且还剩下好些依然需要手工贴,特别是QFN,BGA这些硬骨头依然需要啃。下图是我300元SMT贴完的效果:
![1677345379229_未焊接正面.png](//image.lceda.cn/pullimage/3MYBGgMw3xFEUEBrZQFeKBrnMWnYO0ApSbqN5s4W.png)
6层板+SMT相比2层板是要慢一些,但是,**大概3天左右也就完成PCB+SMT**,寄出了。在此期间,你就可以上立创商城和淘宝,买买物料了。
![1677345300822_PCB包裹.png](//image.lceda.cn/pullimage/QHlbSjEtSHSvyJjNm6QMZLs6qN7fuslvp3xb08Qz.png)
## 工欲善其事,必先利其器
**在具体焊接之前,我们还得准备一下焊接工具和材料。** 如果,你之前没有焊接过BGA封装的芯片的话,那么,工具上面很可能是缺了不少的。**我使用的都是便宜货(最贵的也就100元+),下面的图片中没有特指要哪个品牌,只是我目前在使用的,** 因此,你完全可以换一个其他品牌和型号的产品,效果也大差不差。至于像BGA拆焊台这种专业焊接BGA的设备,直接在价格上面把我劝退了。
对于MCU板子就需要的焊接工具,比如:电烙铁,镊子,焊锡丝,万用表等,相信大家都已经有了,也就不再赘述。
### 工具
* 热风焊台:安立信 858D单数显焊台(145元),焊接BGA和QFN必需得依赖它;
![安立信_焊台.png](//image.lceda.cn/pullimage/2BUA3Uem0MDYuNcIApY45Vyijc1fYPztTk2Wg4cT.png)
* 方形风Qiang风嘴(7.3元):**对于焊接BGA来说,非常非常重要,这几乎是救了我一命。** 靠着它我才走出了BGA焊接的迷宫;
![焊台BGA风嘴.png](//image.lceda.cn/pullimage/KK90cpxpniJuzPwlwDXynlGxn8MymrlgxFd9YJHF.png)
* 开发板钢网:TB价格15元单面,30元双面;JLC是50元单面;**手工贴片用,可以媲美机器焊接;**
![项目钢网.png](//image.lceda.cn/pullimage/nKHn816zM23QyhI7TMJWMQKmn9Q7KkwlgwrxXk6f.png)
* 通用钢网:10元+,**通用钢网的目的主要是BGA植球,用于刷锡膏的钢网和BGA植球的钢网有些不同**,主要是两个方面,
* BGA植球钢网会更厚一些0.2mm,刷锡膏的钢网是0.12mm;
* BGA植球钢网的孔更大,锡膏钢网的孔更小;
* **这两方面共同目的是使得BGA植出来的球更大一些**,这个后面再细讲。买的时候,注意pitch得和板子上面的BGA芯片一样。典型pitch值:H6(0.65mm), eMMC(0.5mm), LPDDR3(0.8mm).
![通用钢网.png](//image.lceda.cn/pullimage/qj97RGFCsDkaHE7dEqanp332xMxyHVuexFONYDnt.png)
* 热电偶温度计:TM902C高温快速电子测温仪,17元,**用于测试热风焊台的温度,以及另外一个妙用**,后面再说。
![热电偶温度计.png](//image.lceda.cn/pullimage/eytX46lCSrXHPpxb7dgWGYq80AwS92tf0HQLB4vD.png)
* 放大镜:18.50元,**电子元器件都太小了,只能拿放大镜看了**,比如:QFN引脚的焊接情况。
![放大镜.png](//image.lceda.cn/pullimage/GfBcUV3MW85V7sjMJcVlOZNwA6aaHK1N3D4Uu5mJ.png)
* 可调电源:178元,**查看板子实时供电电流(用于判断系统的运行状态),同时防止短路烧毁板子和电源;**
![可调电源.png](//image.lceda.cn/pullimage/FtZrlQM0pTBNgMfljGeAqrbGJPxBJQsLFRksepEI.png)
* 加热台:99元,因为,我已经用SMT贴了一面了,因此,没有铁板烧的机会了。如果,完全未SMT的话,应该是可以用上的。
![加热台.png](//image.lceda.cn/pullimage/6on9fvq8bRX8HzsLfh26vONkgufkmMN0iDtntW23.png)
### 材料
* BGA焊油+刷子:**助焊剂,保持焊锡浸润**,和松香一个作用;
![焊油.png](//image.lceda.cn/pullimage/WXYxYXojZbCnKRaWkzIXgy5Ke7sPsgNX22trpqEB.png)
![刷子.png](//image.lceda.cn/pullimage/jTkeEBpBpdJRIxPXociu82CdvqcpmWTTwI4Wziyh.png)
* 锡膏+钢刀+锡膏助推器:
* 锡膏:13.8元,**选择有针头的锡膏,特别是这种细的针头**,可以手工给0603/0402封装的焊盘上锡膏;
![锡膏.png](//image.lceda.cn/pullimage/qhbkIluU8t8MfWb3trWEVrG12yjZnlgwadmdRoKt.png)
* **注意要选择中温锡(183℃)**,不要选高温锡(227℃)焊接难度会增大,低温锡(138℃)可以选,但是更不常用一些。如果,你对焊接不自信的话,可以选用低温锡(138℃),焊接会更容易一些。
![锡膏的温度.png](//image.lceda.cn/pullimage/OhPmUlHInWlywjclWANBwM92N1rIqSQDfKmAvOfi.png)
* **关于锡膏的保存&使用工艺:理论上来讲是比较复杂的**,如下图所示;我的使用情况是不符合规范的,只是也还能用,可以给大家参考一下;
* 用冰箱保存了6个月时间(接近过期);
* 因为冬天做的焊接,回温只能回到10℃;
* 没有搅拌工具,直接不搅拌使用;
* 24小时完不成焊接,大约在室温10℃下放置了1个多星期;
* ![锡膏的使用.png](//image.lceda.cn/pullimage/Sul9ftYKMJvxpS2Pr9z8amtncygKr6f50G4Gkmp2.png)
* 钢刀/刮刀:3.9元,用于刮锡膏用的;
![刮刀.png](//image.lceda.cn/pullimage/QCjV6XPDmSxilEzLMuI5wy66GEr9UUaQpSoCu6I9.png)
* 锡膏助推器:16.50元,**单手挤出锡膏特别困难,有了这个小工具之后,就省力多了。**
![锡膏助推器.png](//image.lceda.cn/pullimage/jj5Ww04XQWAD0NjpGlEBDiB94f2yKYIeNKMwRbNV.png)
* 吸锡带:4.5元,**吸掉板子/芯片上多余的锡;**
![吸锡带.png](//image.lceda.cn/pullimage/7TT0CTBDscLB4sN9A9drlE2kXanM1qYYuzYowjPL.png)
* 洗板水+刷子+瓶子:31.5元,**清洁板子,否则,焊接后会很脏**,
* 特别是初学焊接时,会反复焊接,烙铁会把助焊剂烧焦成黑色物质附着在板子上面。**之前我一直不太敢用它,因为都说他有毒,可能是有轻微毒性**,闻着像是修正液的味道,使用时尽量别用手直接碰,虽然碰了也没啥特别的事。
* 使用时,把洗板水从大瓶子倒到小瓶子中,然后,用刷子按压小瓶子的活塞,抽上来少量洗板水,之后是用刷子刷板子,最后,用餐巾纸吸附洗板水。(使用餐巾纸会在板子上留下一些毛,可以使用无尘布解决这个问题)
![洗板水.png](//image.lceda.cn/pullimage/X6BeJBc53nxz6q4skmuyCUMg4ampAVepwA4Y9sXC.png)
* 瓶子可以再买一个,**上面这个瓶子的密封性不好,洗板水容易都挥发掉了。**
![瓶子.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/BhVA0S41js0JnwSignICySpqHZnnAd1OwNgZDM0Y.jpeg)
## 焊接的基础知识
焊接的基础知识在MCU板子上面也需要,想必大家也有一些自己的知识和经验。如果想要回顾一下焊接的小技巧,可以看看[这个系列视频](https://space.bilibili.com/399210127/channel/seriesdetail?sid=301898)。**我这里主要补充一些偏BGA焊接方向的基础知识。**
### 助焊剂的作用
**助焊剂顾名思义,是帮助焊接的作用。** 当初我在学习焊接时,一直不明白到底助焊剂是怎么帮助焊接的,什么时候要用助焊剂。百度百科中有一段[官方的解释](https://baike.baidu.com/item/%E5%8A%A9%E7%84%8A%E5%89%82/9947430?fr=aladdin),特别难以理解。
```
熔融焊料张力
熔融焊料表面具有一定的张力,就像雨水落在荷叶上,由于液体的表面张力会立即聚结成圆珠状的水滴。熔融焊料的表面张力会阻止其向母材表面漫流,影响润湿的正常进行。当助焊剂覆盖在熔融焊料的表面时,可降低液态焊料的表面张力,使润湿性能明显得到提高。
```
**后来我看了一个视频,很直观的展示了不同助焊剂浓度下的焊接效果,[《超清演示如何正确使用助焊剂》](https://www.bilibili.com/video/BV1ft4y1k7kY)。**
助焊剂我目前看到了三种形态,松香,助焊膏,焊油;我这里主要用的是焊油,在针筒里面,可以挤出来,涂在芯片的焊盘上面。
### 热风焊台的使用
**热风焊台是焊接QFN和BGA封装必需的工具**,但是做MCU板子时,基本不太需要这个工具。因此,这一小节着重讲一下。
因为,维修手机的人基本天天使用热风焊台,他们是最熟悉这块内容的人。因此,我看到的视频好些都出自手机维修培训班。
#### 握法和转圈
**第一步,主要是手如何握,如何转圈**,可以看看[这个视频](https://www.bilibili.com/video/BV1Pr4y1D7tU)和[这个视频](https://www.bilibili.com/video/BV1sa411H7Rj)。
理论上应该是左手拿风qiang,右手拿镊子。不过,我学了半天也没有学会左手拿风qiang,最后只能是右手拿风qiang,不太正规,但是凑合也还行。
#### 热风焊台的温度和风速
**第二步就是非常关键的温度和风速控制**,很多教BGA焊接的视频中都没有特别重视这个部分,可能他们已经默默的掌握了这个部分。一开始我就被这一点给坑了,温度不对,吹半天芯片都不动。
**首先,关于温度是有一个特别迷惑性的地方**,当我们说温度设置到多少多少度时(一般BGA焊接视频会说他的温度设定),我们自然会认为是焊台的温度,比如:把温度调到300℃。实际上,焊台的温度是指焊台内部的温度(温度传感器所在的位置),PID控制算法锁定的温度也是这个温度。**我们关心的温度应该是出风口的温度,这个是给芯片加热时的温度。** 而这个温度受到焊台设定温度,焊台温度准确性,焊台风速,风口的形状和大小,风道的结构等等影响。**导致焊台设定的温度是无法通用的,比如:可能我的350℃和你的300℃效果是差不多的。** 因此焊台的温度是需要校准的,需要用温度计测量一下实际风口的温度,这也就是我在前面章节推荐大家买的“热电偶温度计”。具体的操作,可以看帮助我走出困惑的视频,[《涨知识 新手如何科学掌控热风Qiang的温度和时间》](https://www.bilibili.com/video/BV14r4y1U7fW)。
一般焊台是支持温度校准功能的,你可以把焊台设定温度调整为风口温度。当然,也可以人肉记住这个对应关系。我的安立信858D焊台设定温度350,风速6档,10mm直接圆形风嘴,对空气吹300℃左右,对锡珠吹270℃左右;
**其次,记住几个关键的温度点位:**
* 一般情况下,**芯片可以保持在260℃(芯片内部温度,非焊台温度) 1分钟时间**,更长或更高温度,可能会损坏芯片。
* **中温焊锡的融化温度是183℃**,普通焊锡丝的融化温度疑似是高温锡的温度227℃(至少是明显比中温锡来得高,可能焊锡丝也是分低中高温的)。
* 一般建议**风口温度设置在300℃-400℃**,芯片越大焊台温度需要设置得越高。我自己的经验值:
* 普通阻容等器件设定在300℃(吹2分钟锡珠可融化),温度适中;
* AXP805 QFN封装设定在300℃(吹2分钟锡珠可融化),温度适中;
* LPDDR3 BGA封装设定在350℃(吹1-2分钟锡珠可融化),温度适中;
* H6 BGA封装设定在350℃(吹2-3分钟锡珠可融化),温度稍偏低一些,焊接偏吃力一些;有点担心损坏芯片,因此没敢设的更高;
* 风口温度是指风口对着空气吹,用热电偶温度计在距离风口1cm的位置测量。
**最后,你可以挤出一些锡膏,调整温度,对着吹吹,感受一下锡膏融化的速度和温度。**
### 模仿SMT机器贴片
因为,芯片,锡膏,钢网的设计都是为了SMT机器贴片而定制的,我们模仿的越像是SMT机器贴片的流程,焊接的质量就越高。下图是一个[回流焊的温度曲线](https://www.elecfans.com/article/89/140/2021/202101141464044.html),可以看看感受一下;
![回流焊温度曲线.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/kJxdtZ8ZFSJIcjVo7QzJ7XUclHIy08tEc4YRpBYq.jpeg)
使用热风焊台吹,就是将芯片和板子包围在热风之中,保持在一定温度范围内,使得锡融化进入流动状态,从而进行焊接。这模仿了板子在回流焊炉中的情况。**如果,板子温度不够,锡就容易从液态变回固态,甚至一部分引脚是固态,另一部分是液态,从而导致焊接失败。** 低温锡容易焊接的原因就是,它的熔点低,更容易保持在液态。
**和回流焊炉不同,我们完全是在一个开放的环境中,热风焊台补充热量,通过空气散失热量**,在焊接大芯片时,特别容易出现芯片各位置冷热不均的情况。这个时候使用大风嘴(eg. 12mm的方形风嘴),加上手部转圈动作,更容易使得芯片温度整体保持在焊锡的熔点以上。
## 上半部-小结
至此焊接的工具&材料准备工作,以及焊接补充知识就完成了。
本章太长了,因此,拆分成两个部分。下半部会讲焊接和调试的具体操作。