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电路板设计中的PCB铺铜到底有什么用?

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PCB设计铺铜是电路板设计的一个非常重要的环节。 什么是PCB铺铜,就是将PCB上无布线区域闲置的空间用固体铜填充。铺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。

PCB铺铜的意义

铺铜的主要好处是降低地线阻抗,(所谓抗干扰也有很大一部分是地线阻抗降低带来的)数字电路中存在大量尖峰脉冲电流,因此降低地线阻抗显得更有必要一些。

普遍认为对于全由数字器件组成的电路应该大面积铺地,而对于模拟电路,铺铜所形成的地线环路反而会引起电磁耦合干扰得不偿失(高频电路例外)。因此,并不是所有电路都要铺铜的。

PCB铺铜的优点与缺点

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优点

一、对于EMC(电磁兼容性)要求,大面积的地或电源需铺铜,会起到屏蔽作用,有些特殊地,如PGND(保护地)起到防护作用。

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二、对于PCB工艺制造要求,一般为了保证电镀的镀铜均匀效果,或者层压不变形弯曲,对于布线较少的PCB板层铺铜。

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三、对于信号完整性要求,给高频数字信号一个完整的回流路径,并减少直流网络的布线。当然还有散热,特殊器件安装要求铺铜等等原因。

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缺点

一、如果对元器件管脚进行铺铜全覆盖,可能导致散热过快,从而导致拆焊和返修时困难。所以有时为了避免这种情况,对元器件采用十字连接(引脚接触和焊盘接触为“十”字)。

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二、在天线部分周围区域铺铜容易导致信号弱,采集信号受到干扰,铺铜的阻抗会影响到放大电路的性能。所以天线部分的周围区域一般不会铺铜。

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PCB铺铜的形状

实体形状铺铜

实体敷铜,具备了加大电流和屏蔽的双重作用。但是实体覆铜,如果过波峰焊时,有一定的热胀冷缩的拉力,板子可能会翘起来,甚至会起泡。因此实体敷铜,一般会开几个槽,缓解拉力导致铜箔起泡。

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网格形状铺铜

网格敷铜,主要起到屏蔽作用,加大电流的作用会被降低。从散热的角度说,网格敷铜既降低了铜的受热面,又起到了一定的电磁屏蔽作用。但是生产工艺对网格形状铺铜有一定的要求,网格过小影响品质良率。

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PCB铺铜的设计

在PCB设计的时,一般PCB的每个面都要覆铜接地,主要原因是防止PCB弯曲变形和各种信号干扰、串扰。

所以在走线时要覆铜接地。但是由于外层有大量的元件及走线,所以铜箔会被这些元件焊盘及其走线分割成许多小的孤铜及细长的铜皮。

1、处理碎铜

那些细细长长的接地不良的地铜会具有天线效应,会引起EMC不良问题。所以要尽量避免在覆铜时引起碎铜,如引起碎铜可删除处理。

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2、处理孤立铜

孤岛(死区)铜问题,孤立铜如果比较小等同于碎铜,可删除处理。如果很大,可定义为某个地,进行添加过孔处理,此时就不存在孤立铜了。

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PADS光绘文件覆铜

PADS设计的文件,第二次打开时都需要重新铺铜,原因是PADS软件铺铜是线性铜皮,这也是PADS软件的特点。线性铜皮数据量大,如果关闭软件后重新打开保存的铺铜,打开文件会很慢、很卡。因此PADS软件关闭后只保留设计文件的铜皮外框。

PADS铺铜方式:

1、填充(hatch)

填充是恢复灌铜,因为PADS软件不保留设计好的整个铜皮,只保留铜皮的外框,因此二次打开设计文件需要恢复灌铜。

2、灌注(flood)

灌铜是在PCB Layout完成后第一次使用,或者PCB有改动(比如设计规则)需重新使用灌铜。

3、平面链接

平面连接是指内层的铜皮,其原因也是PADS软件设计的铜皮只保留铜皮的外框,第二次打开设计文件内层的铜皮需选择平面链接恢复铺铜。

因此PADS设计文件,输出Gerber文件时,第二次打开设计文件需要重新填充恢复灌铜。如果板厂帮设计工程师输出Gerber都需要进行恢复灌铜操作,否则输出的Gerber文件缺失铜皮,导致生产制造错误,产品不能使用。

DFM检查设计铺铜

关于碎铜、孤立铜的可制造性问题,碎铜在生产制造过程中因细长的特征会被蚀刻掉,从而导致铜分离,脱落在其他位置导致不同网络短路。

孤立铜在板厂CAM工程师处理生产文件时,会提出询问与设计工程师确认,因为无网络链接的孤立铜属于异常设计。所以设计存在孤立铜会浪费沟通成本,耽误生产周期。

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