一種微型數字可編程音頻處理晶片模組和走線方法
2023-11-10 09:19:37 1
專利名稱：一種微型數字可編程音頻處理晶片模組和走線方法
一種微型數字可編程音頻處理晶片模組和走線方法本發明涉及嵌入式微型數字可編程音頻處理晶片模組設計技術領域，具體是一種微型數字可編程音頻處理晶片模組和走線方法。國內目前在超微型音頻放大器領域還是處於相對落後的狀態，只有模擬放大器可以做得小些，但是由於不可編程，功能單一，應用領域有限。而數字放大器大都使用TI通用 DSP搭建，體積太大，功耗太高，不適於便攜領域使用。該產品的設計填補了國內該領域的空白，是業內一個重要的裡程碑事件，也從此擺脫了高端微型便攜設備音頻領域國外產品一統天下的局面，為國內批量生產高性能經濟型同類產品打開了大門。一旦該產品批量市場化，就可以進行晶片掩膜定製，進一步提高產品市場競爭力。放大器設計中的難點首先在於總體方案設計，既要保證功能足夠強大，又要保證體積足夠小，功耗足夠低。完成總體設計後難點就是硬體設計，由於產品使用便攜性，輕便性和隱蔽性的要求，模塊不能比米粒大多少。要求使用超小體積器件和超低功耗器件，硬體完成後的難點是相關軟體算法和實現。經過對相關領域的研究和百餘篇學術論文的查詢， 發現國內相關水準還處於理論而非實用階段，理論上基本上也是相對國外前沿水準差15 到20年水平。無法進行商業轉換使用。本發明的目的是解決現有技術的不足，彌補現有技術的缺陷，設計一種以便攜設備用微型通用音頻晶片為核心，通過精心布局設計，能把配套的存儲器，振蕩器，泵壓源，濾波器做到最小定製，並能結合相應的軟體設計，實現在2mm*3. 6mm*6. 3mm的厚膜電路上，實現完整的音頻模塊功能的微型數字可編程音頻處理晶片模組和走線方法。為實現上述目的設計一種微型數字可編程音頻處理晶片模組，包括微型超薄板、 數字音頻晶片，存儲晶片，振蕩器，微型阻容，電池，導線，其特徵在於所述的微型超薄板正面設有存儲晶片和數字音頻晶片，反面設有振蕩器和濾波電路，所述的存儲晶片豎立設置， 數字音頻晶片橫放設置，所述的存儲晶片靠近數字音頻晶片管腳端放置，2520晶振設置於存儲晶片單板背面，接口焊盤設置於音頻晶片管腳下方，所述的微型超薄板制板加工時採用拼板結構，拼板之間設有橋連郵票孔，拼板上設有若干定位孔。所述的微型超薄板制板加工時拼板上設有mark點(電路板設計中PCB應用於自動貼片機上的位置識別點)，拼板板框部分覆銅，所述的微型超薄板表面沉金，並採用無防焊罩設計工藝和樹脂塞孔工藝，保證微型元器件貼片精度和平整度。所述的數字音頻晶片採用晶圓級晶片mxsp(晶圓片級晶片規模封裝)封裝， 所述的存儲晶片採用DFN封裝(即DFN/QFN封裝，是一種最新的的電子封裝工藝.ON Semiconductor公司的各種元器件都採用了先進的雙邊或方形扁平無鉛封裝，DFN/QFN平臺是最新的表面貼裝封裝技術，印刷電路板(PCB)的安裝墊、阻焊層和模版樣式設計以及組裝過程，都需要遵循相應的原則。DFN/QFN封裝概述DFN/QFN平臺具有多功能性，可以讓一個或多個半導體器件在無鉛封裝內連接)，所述的貼片電阻及小參數電容採用0201封裝，數字電源濾波電容為0403封裝IOUF貼片電容，所述的振蕩器為2520封裝IV振蕩器， 所述的導線採用超細的0. 05毫米7股柔性彩色漆包線。本發明還包括一種微型數字可編程音頻處理晶片模組的走線方法，其特徵在於結合主晶片管腳分部特點，把走線分成數字區域、模擬區域、輸入區域、輸出區域和振蕩時鐘區域，各區域分塊走線，控制串擾；同時對數字電源地、模擬電源地、輸出模擬地、電池電源地和射頻地進行分塊走線，並單點匯接於電池電源地；對電池電源，泵壓電源，數字電源，音頻輸出電源進行就近濾波；音頻輸出線進行並行等長走線，保證抗擾；無用模擬輸入口選擇接地，減少輸入幹擾；時鐘線短並遠離模擬線，用數字地包裹，保證時鐘可靠穩定；存儲晶片SPI通訊線短，並遠離模擬輸入線；音頻晶片編程加載I2C線(兩線式串行總線)短， 靠近輸出焊盤口就近出線；數字區空餘位置進行數字鋪地，增加抗擾；模擬區空餘位置進行模擬鋪地，保護輸入。本發明晶片模組體積小，性能強，功耗低，可編程，高保真。可以用於製作助聽器， 音樂耳機，口吃矯正儀，微型監聽器，消噪頭盔，心率計，脈搏分析儀，超大觸控螢幕等多種音頻相關設備。產品性能特點體積小模塊大小2mm*3. 6mm*6. 3mm,相當於一顆稻粒大小，卻有強大的高保真音頻處理功能。性能高本產品核心晶片為130納米工藝製造，4路16位輸入 ADJ4位雙核DSP，110DB動態輸入範圍，88DB輸出動態範圍，功耗低標準工作電壓1. 25V, 靜態工作電流0.8mA。典型工作電流2 3mA。可編程可以對濾波特性，頻譜特性，放大倍率等參數進行編程，從而提供定製化產品服務。高保真16位AD，8K頻寬，M位信號通道， 加速引擎的設計為便攜設備高保真提供支撐。其創新點在於1、方案經濟從ASIC晶片設計切換到晶片模組設計，實現同樣的使用功能，方法更經濟。相對於原數百萬元的設計及掩膜費用和2年以上穩定期，模組方案只要一半以下的直接投入和開發周期，同時有ASIC設計沒有的靈活性和低風險。2、超微組合精選了最小的晶圓級晶片尺寸WXSP封裝高端可編程音頻晶片和 DFN封裝存儲晶片，其他配件器件對應各需參數也是目前封裝最小的設計能力。3、布局精巧存儲晶片靠近數字管腳端放置，對模擬輸入端幹擾小，距離遠，能充分保證音頻質量不受幹擾。存儲豎立，音頻橫放的方案，實現總體長寬最短，最窄。2520晶振放置於存儲晶片單板背面，在縮小整體面積的同時保證布局布線的便利。接口焊盤布局於音頻晶片管腳下方，大都對應管腳功能就近輸出，確保幹擾最小，同時便於走線。4、單板布線嚴格約束。5、功耗精細控制使用時長由原來無電源控制的平均工作30小時正常使用時間延長到了 80小時。
圖1是本發明的放大器模塊A面示意圖；圖2是本發明的放大器模塊B面示意圖3是典型的音頻放大接線圖；圖4是本發明數字晶片軟體流程示意圖；圖5是本發明助聽器管理軟體流程示意圖；圖中1.存儲晶片2.數字音頻晶片3.震蕩器件4. I2C接口 5.預留I/O 口 6.預留I/O 口 7.濾波器件8.音量調節口 9.MIC輸入口 10.電池電源接口 11.音頻輸出接口 12.泵壓器件。結合附圖對本發明做進一步說明，這種裝置的製造技術對本專業的人來說是非常清楚的。方案首先，考慮產品小而強的需求，精選對應各需參數是目前封裝最小的設計能力的配件器件。另外，除了空間上得縮小，在功耗上也要進行精細控制a.在不明顯降低音頻質量的前提下，儘量降低模組工作頻率，選取小於20M的振蕩器；b.根據不同的應用場景，選配不同的振蕩頻率，聽音樂可以通過軟體選配20M頻率，語音識別可以選用IOM頻率，心率計數則可選5M左右頻率；c.對某時刻不參與實際工作的器件實行休眠控制，如不讀取存儲器期間使存儲器不工作，可大大減小系統功耗，其他器件同樣；d.通過軟體時序的適當控制，對器件分時上電，錯開峰值衝擊。e.在無需處理音頻或語音時，針對不同種類產品通過不同檢測門限和方法，使晶片可以立刻切換到極低功耗的深度休眠模式，功耗可以降到正常工作的百分之幾。大大降低待機功耗，延長電池使用壽命。於是，選擇以下硬體和軟體A、硬體特製微型超薄板3. 6*6. 3*0. 5mm ；便攜音頻晶片ILCSP封裝， 2. 68*3. 63mm ；微型存儲晶片DFN封裝，2*3mm ；定製微型超低壓振蕩器2520封裝， 2. 5*2mm ；超微阻容0201封裝，0. 5*0. 25mm ；泵壓電路100PF泵壓電容結合主晶片實現2 倍泵壓；微型電池接口 1.25V 1.5V電池接口 ；微型麥克接口 3線MIC;微型受話器接口 差分D類受話器；音量調整接口 接微型電位器；模式切換接口 軟體模式切換選擇；無線識別接口 電話模式識別；微型加載編程接口 I2C程序加載；濾波電路數字，模擬電源濾波；可選IO 2路備用I/O 口 ；配套專用導線7芯漆包，0. 05mm*7。B、對軟體進行選擇模塊運行軟體(M⑶軟體1)；模塊配置接口軟體(MCU軟體2)； 模塊音頻處理功能(MCU軟體幻；配套配置界面軟體(管理軟體1)；配套管理用戶軟體(管理軟體2)。其中MCU軟體(即數字晶片軟體)的流程圖如附圖4所示，模塊上電啟動後先進行內外參數配置，包括1/0，音量，濾波器等，然後開放中斷，進入主循環。不同的產品管理軟體的流程圖是不同的，以助聽器為例，管理軟體的流程圖如附圖5所示，管理軟體獲取客戶信息，然後根據相應產品算法獲得配置數據，加載到放大器模塊後即實現產品的個性化定製，類似方法可以實現多種產品的調校。
選擇好軟體和硬體後進行單板設計a.拼板設計，拼接10*10 = 100PCS ；b.板間做橋連郵票孔，便於貼片加工後拆解；c.拼板上加定位孔；d.板上加MARK點，便於貼片時精確定位；e.拼板考慮貼片加工時的單板強度，如板框部分保留覆銅以加強單板強度； f.單板表面沉金，防氧化，提高可焊性；g.樹脂塞孔工藝使用，保證過孔不得高於BGA焊盤， 過孔焊盤和BGA焊盤重疊部分不能有阻焊，保證BGA焊盤可焊接，其餘部分阻焊；h.阻焊設計，BGA焊盤不能有阻焊，尤其過孔重疊部分，NSMD工藝要求，阻焊層的開度應大於金屬焊點。i.精細圖符輔助貼片定位，走線重疊處可有殘段，PCB冗餘線輔助定位。j.減少單板層數，通過單板走線布局優化並適當犧牲面積控制，實現2層單板的走線。然後，根據音頻晶片的管腳分布特點，存儲晶片靠近數字管腳端放置，對模擬輸入端幹擾小，距離遠，能充分保證音頻質量不受幹擾。存儲豎立，音頻橫放實現總體長寬最短， 最窄。考慮音頻晶片BGA管腳密集，存儲晶片DFN封裝管腳稀少，2520晶振放置於存儲晶片單板背面，在縮小整體面積的同時保證布局布線的便利。若放於正面晶片模組面積太大，背面若放於音頻晶片下方則必然導致BGA走線受阻和接口焊盤無法布局。接口焊盤布局於音頻晶片管腳下方，大都對應管腳功能就近輸出，確保幹擾最小，同時便於走線。如附圖3所
7J\ ο最後，對多種走線進行約束a.結合主晶片管腳分部特點，把走線分成了數字區域，模擬區域，輸入區域，輸出區域，振蕩時鐘區域；各區域分塊走線，控制串擾。b.同時對數字電源地，模擬電源地，輸出模擬地，電池電源地，射頻地進行分塊走線，並單點匯接於電池電源地。C.對電池電源，泵壓電源，數字電源，音頻輸出電源進行就近濾波；d.音頻輸出線進行並行等長走線，保證抗擾，提高音質；e.無用模擬輸入口可以選擇接地，減少輸入幹擾；f.時鐘線短並遠離模擬線，用數字地包裹，以保證時鐘可靠穩定；g.存儲晶片SPI通訊線短，並遠離模擬輸入線；h.音頻晶片編程加載I2C線短，靠近輸出焊盤口就近出線；i.數字區空餘位置進行數字鋪地，增加抗擾；j.模擬區空餘位置進行模擬鋪地，保護輸入。根據以上步驟得到的微型數字可編程音頻處理晶片模組，其放大器模塊的結構示意圖如圖1、圖2所示，正面為存儲器EEROM和數字處理晶片，反面為振蕩器和濾波電路，整個模塊高度緊湊，全部器件採用了當今最前沿技術，封裝最小，性能極強，再通過精心的布局組合，使得總模塊體積小巧，可在多種便攜產品中使用；其典型的音頻放大接線圖如附圖 3所示，可以作為CIC，ITC，ITE或耳背式助聽器使用，有雙麥克風，有音量調節，有聆聽狀態識別，可自動切換到電話模式，接D類差動受話器，可根據型號佩A675，A13，A312，AlO等鋅空電池，另有外接加載口，可以根據客戶聽力圖加載對應頻響曲線並進行參數微調。如做成盒式助聽器或口吃矯正儀也可配7#普通電池。經過試驗得出，採用上述方法可以使CIC原型機的A13鋅空電池使用時長由原來無電源控制的平均工作30小時正常使用時間延長到了 80小時。
權利要求
1.一種微型數字可編程音頻處理晶片模組，包括微型超薄板、數字音頻晶片，存儲晶片，振蕩器，微型阻容，電池，導線，其特徵在於所述的微型超薄板正面設有存儲晶片和數字音頻晶片，反面設有振蕩器和濾波電路，所述的存儲晶片豎立設置，數字音頻晶片橫放設置，所述的存儲晶片靠近數字音頻晶片管腳端放置，2520晶振設置於存儲晶片單板背面，接口焊盤設置於音頻晶片管腳下方，所述的微型超薄板制板加工時採用拼板結構，拼板之間設有橋連郵票孔，拼板上設有若干定位孔。
2.如權利要求1所述的一種微型數字可編程音頻處理晶片模組，其特徵在於所述的微型超薄板制板加工時拼板上設有mark點，拼板板框部分覆銅，所述的微型超薄板表面沉金，並採用無防焊罩設計工藝和樹脂塞孔工藝。
3.如權利要求1所述的一種微型數字可編程音頻處理晶片模組，其特徵在於所述的數字音頻晶片採用晶圓級晶片WLCSP封裝，所述的存儲晶片採用DFN封裝，所述的貼片電阻及小參數電容採用0201封裝，數字電源濾波電容為0403封裝IOUF貼片電容，所述的振蕩器為2520封裝IV振蕩器，所述的導線採用超細的0. 05毫米7股柔性彩色漆包線。
4.一種微型數字可編程音頻處理晶片模組的走線方法，其特徵在於結合主晶片管腳分部特點，把走線分成數字區域、模擬區域、輸入區域、輸出區域和振蕩時鐘區域，各區域分塊走線，控制串擾；同時對數字電源地、模擬電源地、輸出模擬地、電池電源地和射頻地進行分塊走線，並單點匯接於電池電源地；對電池電源，泵壓電源，數字電源，音頻輸出電源進行就近濾波；音頻輸出線進行並行等長走線，保證抗擾；無用模擬輸入口選擇接地，減少輸入幹擾；時鐘線短並遠離模擬線，用數字地包裹，保證時鐘可靠穩定；存儲晶片SPI通訊線短，並遠離模擬輸入線；音頻晶片編程加載I2C線短，靠近輸出焊盤口就近出線；數字區空餘位置進行數字鋪地，增加抗擾；模擬區空餘位置進行模擬鋪地，保護輸入。
全文摘要
本發明涉及嵌入式微型數字可編程音頻處理晶片模組設計技術領域，具體是一種微型數字可編程音頻處理晶片模組和走線方法，包括微型超薄板、數字音頻晶片，存儲晶片，振蕩器，微型阻容，電池，導線，微型超薄板正面設存儲晶片和數字音頻晶片，反面設振蕩器和濾波電路，存儲晶片豎立，數字音頻晶片橫放，存儲晶片靠近數字音頻晶片管腳端，2520晶振設於存儲晶片單板背面，接口焊盤設於音頻晶片管腳下方，所述的微型超薄板制板加工時採用拼板結構，拼板之間設橋連郵票孔，拼板上設若干定位孔，構成晶片模塊整體，本發明體積小，性能強，功耗低，可編程，高保真。可以用於製作多種音頻相關設備。
文檔編號H04R3/00GK102510549SQ20111034054
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月1日 優先權日2011年11月1日
發明者劉謙, 王飛, 肖升茂, 郭俊清, 陳代軍 申請人:上海思萌特電子科技有限公司