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(转)浅谈PCB敷铜的“弊与利”

(2011-2-24 22:24)

敷铜作为PCB设计的一个重要环节,不管是国产的青越锋PCB设计软件,还国外的一些Protel,PowerPCB都提供了智能敷铜功能,那么怎样才能敷好铜,我将自己一些想法与大家一起分享,希望能给同行带来益处。
     所谓覆铜,就是将PCB上闲置的空间作为基准面,然后用固体铜填充,这些铜区又称为灌铜敷铜的意义在于,减小地线阻抗,提高抗干扰能力;降低压降,提高电源效率;与地线相连,还可以减小环路面积。也出于让PCB 焊接时尽可能不变形的目的,大部分PCB 生产厂家也会要求PCB 设计者在PCB 的空旷区域填充铜皮或者网格状的地线,敷铜如果处理的不当,那将得不赏失,究竟敷铜是“利大于弊”还是“弊大于利”?
     大家都知道在高频情况下,印刷电路板上的布线的分布电容会起作用,当长度大于噪声频率相应波长的1/20 时,就会产生天线效应,噪声就会通过布线向外发射,如果在PCB 中存在不良接地的敷铜话,敷铜就成了传播噪音的工具,因此,在高频电路中,千万不要认为,把地线的某个地方接了地,这就是“地线”,一定要以小于λ/20 的间距,在布线上打过孔,与多层板的地平面“良好接地”。如果把敷铜处理恰当了,敷铜不仅具有加大电流,还起了屏蔽干扰的双重作用。
     敷铜一般有两种基本的方式,就是大面积的敷铜和网格铜,经常也有人问到,大面积覆铜好还是网格覆铜好,不好一概而论。为什么呢?大面积敷铜,具备了加大电流和屏蔽双重作用,但是大面积覆铜,如果过波峰焊时,板子就可能会翘起来,甚至会起泡。因此大面积敷铜,一般也会开几个槽,缓解铜箔起泡,单纯的网格敷铜主要还是屏蔽作用,加大电流的作用被降低了,从散热的角度说,网格有好处(它降低了铜的受热面)又起到了一定的电磁屏蔽的作用。但是需要指出的是,网格是使由交错方向的走线组成的,我们知道对于电路来说,走线的宽度对于电路板的工作频率是有其相应的“电长度“的(实际尺寸除以工作频率对应的数字频率可得,具体可见相关书籍),当工作频率不是很高的时候,或许网格线的作用不是很明显,一旦电长度和工作频率匹配时,就非常糟糕了,你会发现电路根本就不能正常工作,到处都在发射干扰系统工作的信号。所以对于使用网格的同仁,我的建议是根据设计的电路板工作情况选择,不要死抱着一种东西不放。因此高频电路对抗干扰要求高的多用网格,低频电路有大电流的电路等常用完整的铺铜。
     说了这么多,那么我们在敷铜中,为了让敷铜达到我们预期的效果,那么敷铜方面需要注意那些问题:
     1.如果PCB的地较多,有SGND、AGND、GND,等等,就要根据PCB板面位置的不同,分别以最主要的“地”作为基准参考来独立覆铜,数字地和模拟地分开来敷铜自不多言,同时在覆铜之前,首先加粗相应的电源连线:5.0V、3.3V等等,这样一来,就形成了多个不同形状的多变形结构。
     2.对不同地的单点连接,做法是通过0欧电阻或者磁珠或者电感连接;
     3.晶振附近的覆铜,电路中的晶振为一高频发射源,做法是在环绕晶振敷铜,然后将晶振的外壳另行接地。
     4.孤岛(死区)问题,如果觉得很大,那就定义个地过孔添加进去也费不了多大的事。
     5.在开始布线时,应对地线一视同仁,走线的时候就应该把地线走好,不能依靠于覆
铜后通过添加过孔来消除为连接的地引脚,这样的效果很不好。
     6.在板子上最好不要有尖的角出现(《=180度),因为从电磁学的角度来讲,这就构成的一个发射天线!对于其他总会有一影响的只不过是大还是小而已,我建议使用圆弧的边沿线。
     7.多层板中间层的布线空旷区域,不要敷铜。因为你很难做到让这个敷铜“良好接地”
     8.设备内部的金属,例如金属散热器、金属加固条等,一定要实现“良好接地”。
     9.三端稳压器的散热金属块,一定要良好接地。 晶振附近的接地隔离带,一定要良好接地。总之:PCB 上的敷铜,如果接地问题处理好了,肯定是“利大于弊”,它能减少信号线的回流面积,减小信号对外的电磁干扰。

漏了:

实铜和网铜的区别
表贴元件铺铜注意事项
热盘的使用
散热作用
铺铜对手工焊接工艺性的注意事项

实铜和网铜的区别:

实铜在高温焊接时候基板的胶容易产生气体,且没有地方排掉,导致PCB起泡,所以一般大面积禁止铺实铜。

表贴元件铺铜注意事项:

注意别把焊盘给铺上了,否则回流焊的时候加热不足会虚焊、立碑

热盘的使用:

直插元件也应使用热盘,以免PCB散热造成虚焊

散热作用:

对表贴元件,例如DPAK等,铺铜同时也是散热器,注意Datasheet给出的热阻测试条件,散热面积不要小了

铺铜对手工焊接工艺性的注意事项:

铺铜与走线距离最好不要小于13mil,以便一些工艺落后,管理松散的PCB供应商可以轻松交货;需要手工焊接的直插件焊盘附近不要铺,否则工人一个不小心多上了点锡,外加绿油破损,就是一个短路。

我只是起个抛砖引玉的作用,大家能在这里积极的讨论,很高兴!把经验共同分享!
To :NE5532   谢谢你的完善,实铜和网铜的区别,这个方面我好象在文中特别 提到了吧!不知道大家注意到了没?(第四段)
至于敷铜作为散热一说话我有些不赞同,我们都知道,做大铜面积原因之一是减小阻增大电流,如果说加大面积是为了散热的话,大家都知道金属的电阻率是随着温度的升高而升高的,这样起不是与减小阻抗相违背吗?这样把铜面作为散热器是得不偿失的事我个人认为。也有人说在敷铜上打过孔助于散热,至少目前我还没见有这方面的论证。而且我个人认为,敷铜就不该考虑让他散热(理由见前)。我们在敷铜上打过孔而且是大量的密集的(几个毫米就一个)的原因不是为了散热,而是为了降低阻抗,在高频电路中,铜的感抗是惊人的! 1个厘米左右的10mil的铜线工作在200mhz时,其感抗可高达几个欧姆!都知道有“共地线阻抗“一说法,当电路工作在高频时,敷铜就是最大的共地线如不处理就会产生很大影响,但是敷铜又是一种很有效的电磁屏蔽的方法。所以在实际中我们就采用大量打过孔的办法解决电抗的问题。
To:yewuyi 提到了铜膜刻蚀方面,其实在制作PCB时候,影像(成形/导线制作)是,一般有两种方式,我们最常见的就是负片转印(Subtractive transfer)方式,即将整个表面铺上一层薄薄的铜箔,并且把多余的部份给消除,另种是追加式转印(Additive Pattern transfer)比较少人使用的,这是只在需要的地方敷上铜线的方法。
TO:realife2u 当比较复杂的高频信号比较多的时候,可能就不一样,宁愿开始多费点事,也不想最后麻烦,不过我以前开发的产品到还没达到很复杂的程度,至少说高频信号比较少,有个人意见在里面,呵呵!
TO:gtw 青越锋也提供智能敷铜的功能,对于大面积自动敷铜,以及删除死铜,还有手动的提供小区域的编辑,作为一款国产PCB设计软件,能做到了与 PROTEL,POWER功能一样的,我个人她已经不错了。
TO:tty1 提到了热盘一说法,我想应该就是所说的热焊盘吧!在大面积的接地中,元件腿的焊盘与铜面满接为好,但对元件的焊接装配就存在一些不良隐患如:①焊接需要大功率加热器。②容易造成虚焊点,所以兼顾电气性能与工艺需要,做成十字花焊盘,称之为热隔离(heat shield)俗称热焊盘(Thermal),这样,可使在焊接时因截面过分散热而产生虚焊点的可能性大大减少。
如果有误的地方还请大家指正,共同学习!
覆铜作为散热,在某些封装上是必须这样做的,比如DPAK,D2PAK,PowerSO封装等,elleches提到的温度系数影响阻抗,其实硅结温一般只能到00多点,再加上结到封装的热阻,实际上散热器温度能到7、80就不错了,温度系数对电阻的影响是微乎其微,再者,这种应用一般都是低频应用,所以对这一点点电阻变化完全可以忽略不计了。

降低阻抗是对的,不过高频状态下,铜箔阻抗主要来源于趋肤效应,所以增加铜箔厚度没有什么功效,这里用的是让共轭的电流相互靠近,以减小互感量,从而达到减小阻抗的目的。打很多过孔是为了分散同向电流,减小过孔电感而降低阻抗。

http://wenku.baidu.com/view/f8f7221ffc4ffe473368ab98.html

 

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