一文詳解PCB中的“平衡銅”

PCB 制造是按照的一組規(guī)范從 PCB 設(shè)計(jì)構(gòu)建物理 PCB的過程。對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范的理解非常重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響 PCB 的可制造性、性能和生產(chǎn)良率。

要遵循的重要設(shè)計(jì)規(guī)范之一是PCB 制造中的“平衡銅” 。必須在 PCB 疊層的每一層中實(shí)現(xiàn)一致的銅覆蓋，以避免可能阻礙電路性能的電氣和機(jī)械問題。

一、 PCB 平衡銅是什么意思

平衡銅是一種在PCB 疊層 的每一層中對(duì)稱銅跡線的方法，這對(duì)于避免電路板扭曲、彎曲或翹曲是必要的。有些布局工程師和制造商堅(jiān)持要求上半層的鏡像堆疊與 PCB 的下半層完全對(duì)稱。

二、PCB 平衡銅作用

1、走線

蝕刻銅層以形成走線，用作走線的銅將熱量與信號(hào)一起傳遍電路板。這減少了可能導(dǎo)致內(nèi)部軌道斷裂的電路板不規(guī)則加熱造成的損壞。

2、散熱器

銅用作發(fā)電電路的散熱層，避免了額外散熱組件的使用，并在很大程度上降低了制造成本。

3、增加導(dǎo)體和表面焊盤的厚度

用作 PCB 上的鍍層的銅會(huì)增加導(dǎo)體和表面焊盤的厚度。此外，通過電鍍通孔實(shí)現(xiàn)了牢固的層間銅連接。

4、降低了地線阻抗和電壓降

PCB 平衡銅降低了地線阻抗和電壓降，從而降低了噪聲，與此同時(shí)，還可以提高電源的效率。

三、PCB 平衡銅功效

在 PCB 制造中，如果疊層之間的銅分布不均勻，則可能會(huì)出現(xiàn)以下問題：

1、堆疊平衡不當(dāng)

平衡堆屋意味著在你的設(shè)計(jì)中具有對(duì)稱層，這樣做的目的是放棄在堆疊組裝和層壓階段可能發(fā)生變形的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

最好的方法是從電路板的中心開始堆屋設(shè)計(jì)，并將厚層放置在那里。通常，PCB 設(shè)計(jì)人員的策略是將疊層的上半部分與下半部分鏡像。

對(duì)稱疊加

2、PCB 分層

問題主要來自于在銅表面不平衡的核心上使用較厚的銅（50um或更多），更糟糕的是，那里的圖案幾乎沒有銅填充。

在這種情況下，銅表面需要補(bǔ)充“假”區(qū)域或平面，以防止預(yù)浸料溢出到圖案中以及隨后的分層或?qū)娱g短路。

沒有 PCB 分層：85% 的銅填充在內(nèi)層，因此填充預(yù)浸料就足夠了，沒有分層的風(fēng)險(xiǎn)。

沒有 PCB 分層風(fēng)險(xiǎn)

有PCB 分層風(fēng)險(xiǎn)：銅僅填充45%，層間預(yù)浸料填充不足，存在分層風(fēng)險(xiǎn)。

3、介電層厚度不均勻

板層堆疊管理是設(shè)計(jì)高速板的關(guān)鍵要素。為了保持布局的對(duì)稱性，最安全的做法是平衡介電層，介電層厚度應(yīng)該像屋層一樣對(duì)稱排列。

但有時(shí)很難實(shí)現(xiàn)電介質(zhì)厚度的均勻性。這是由于一些制造限制。在這種情況下，設(shè)計(jì)師將不得不放寬公差并允許不均勻的厚度和一定程度的翹曲。

對(duì)稱介電層 4、電路板橫截面不均勻 常見的不平衡設(shè)計(jì)問題之一是電路板橫截面不當(dāng)。銅沉積在某些層中比其他層更大。這個(gè)問題源于銅的一致性在不同層上沒有保持的事實(shí)。因此，在組裝時(shí)，一些層會(huì)變厚，而其他銅沉積量低的層會(huì)保持較薄。當(dāng)壓力橫向施加在板上時(shí)，它會(huì)變形。為了避免這種情況，銅覆蓋必須相對(duì)于中心層對(duì)稱。 5、混合（混合材料）疊層 有時(shí)，設(shè)計(jì)會(huì)在屋層中使用混合材料。不同的材料具有不同的熱系數(shù)（CTC）。這種類型的混合結(jié)構(gòu)增加了回流組裝過程中翹曲的風(fēng)險(xiǎn)。

四、銅分布不平衡的影響

銅沉積的變化會(huì)導(dǎo)致 PCB 翹曲。下面提到了一些翹曲和缺陷∶ 1、翹曲 翹曲只不過是板子形狀的變形。在板板的烘烤和處理過程中，銅箔和基板會(huì)發(fā)生不同的機(jī)械膨脹和壓縮。這會(huì)導(dǎo)致它們的膨脹系數(shù)出現(xiàn)偏差。隨后，板上產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致翹曲。 根據(jù)應(yīng)用，PCB材料可以是玻璃纖維或任何其他復(fù)合材料。在制造過程中，電路板經(jīng)過多次熱處理。如果熱量分布不均勻，并且溫度超過熱膨脹系數(shù)（Tg），電路板就會(huì)翹曲。 2、導(dǎo)電圖案電鍍不良 為了正確設(shè)置電鍍工藝，導(dǎo)電層上的銅平衡非常重要。如果銅在頂部和底部，甚至在每個(gè)單獨(dú)的層不平衡，就會(huì)發(fā)生過度電鍍，并導(dǎo)致連接的軌跡或蝕刻不足。特別是，這涉及具有測(cè)量阻抗值的差分對(duì)。設(shè)置正確的電鍍過程很復(fù)雜，有時(shí)甚至是不可能的。因此，用“假”貼片或全銅補(bǔ)充銅平衡很重要。 補(bǔ)充了平衡銅 沒有補(bǔ)充平衡銅 3、弓形 如果覆銅不平衡，PCB 層會(huì)出現(xiàn)圓柱或球面曲率。用簡(jiǎn)單的語言，你可以說一張桌子的四個(gè)角是固定的，桌子的頂部升到上面。它被稱為弓，是技術(shù)故障的結(jié)果。 弓形在曲面上產(chǎn)生與曲線相同方向的張力。此外，它會(huì)導(dǎo)致隨機(jī)電流流過電路板。 弓形 4、弓效果 1）捻 扭曲受電路板材料、厚度等因素的影響。當(dāng)電路板的任何一個(gè)角未與其他角對(duì)稱對(duì)齊時(shí)，就會(huì)發(fā)生扭曲。一個(gè)特定的表面對(duì)角上升，然后其他角會(huì)扭曲。與從桌子的一個(gè)角落拉起墊子而另一個(gè)角落被扭曲時(shí)非常相似。請(qǐng)參考下圖。 扭曲效果 2）樹脂空隙 樹脂空洞只不過是鍍銅不當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。在組裝壓力期間，壓力以不對(duì)稱的方式施加在板上。由于壓力是橫向力，因此具有薄銅沉積的表面會(huì)滲出樹脂。這會(huì)在該位置產(chǎn)生空隙。 3）弓和扭曲的測(cè)量 根據(jù)IPC-6012，在帶有SMT組件的電路板上，彎曲和扭曲的最大允許值為0.75%，而對(duì)于其他電路板，則為1.5%。基于此標(biāo)準(zhǔn)，我們還可以計(jì)算特定PCB尺寸的彎曲度和扭曲度。 弓余量=板長或?qū)挾取凉嗔堪俜直?100 扭曲測(cè)量涉及電路板的對(duì)角線長度。考慮到板受其中一個(gè)角的約束并且扭曲作用在兩個(gè)方向上，因素2包括在內(nèi)。 最大允許扭曲=2×板對(duì)角線長度×扭曲余量百分比/100 在這里，你可以看到長寬分別為4英寸和3英寸的板的示例，對(duì)角線長度為5英寸。 弓扭測(cè)量 整個(gè)長度的彎曲余量=4×0.75/100=0.03英寸 寬度上的彎曲余量=3×0.75/100=0.0225英寸 最大允許扭曲=2×5×0.75/100=0.075英寸 五、PCB平衡銅設(shè)計(jì)規(guī)范 1、在疊層設(shè)計(jì)期間，建議將中心層設(shè)置為最大銅厚度，并進(jìn)一步平衡其余層以匹配它們的鏡像對(duì)面層。該建議對(duì)于避免前面討論的薯片效應(yīng)很重要。 2、在 PCB 上有寬銅區(qū)域的地方，明智的做法是將它們?cè)O(shè)計(jì)為網(wǎng)格而不是實(shí)心平面，以避免該層中的銅密度不匹配。這在很大程度上避免了弓和扭曲問題。 3、在堆疊中，電源層應(yīng)對(duì)稱放置，并且每個(gè)電源層中使用的銅重量應(yīng)相同。 4、銅平衡不僅在信號(hào)或電源層中是必需的，而且在 PCB 的核心層和預(yù)浸層中也是必需的。確保這些層中銅的比例均勻是保持 PCB 整體銅平衡的好方法。 5、如果特定層中有多余的銅區(qū)域，則對(duì)稱的相對(duì)層應(yīng)填充微小的銅網(wǎng)格以平衡。這些微小的銅網(wǎng)格不會(huì)連接到任何網(wǎng)絡(luò)，也不會(huì)干擾功能。但是有必要確保這種銅平衡技術(shù)不會(huì)影響信號(hào)完整性或電路板阻抗。 6、平衡銅分布的技術(shù) 1）填充圖案 交叉影線是一種工藝，其中某些銅層呈格子狀。它實(shí)際上涉及定期定期開口，幾乎看起來像一個(gè)大篩子。該過程在銅平面上產(chǎn)生小開口。樹脂將通過銅牢固地粘合到層壓板上。這會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的粘合力和更好的銅分布，從而降低變形的風(fēng)險(xiǎn)。 填充圖案 以下是陰影銅平面相對(duì)于實(shí)心澆注的一些好處∶

高速電路板中的受控阻抗路由。

在不影響電路組裝靈活性的情況下允許更寬的尺寸。

增加傳輸線下的銅量，增加阻抗。

為動(dòng)態(tài)或靜態(tài)柔性板提供機(jī)械支撐。

孵化的銅平面 2）網(wǎng)格形式的大銅區(qū)域 如果可能，你的電路板上的大面積銅區(qū)域應(yīng)始終是網(wǎng)格。這通常可以在布局程序中設(shè)置。例如，Eagle 程序?qū)⒕W(wǎng)格區(qū)域稱為“孵化”。當(dāng)然，這只有在不存在敏感的高頻導(dǎo)體跡線時(shí)才有可能?！熬W(wǎng)格”有助于避免“扭曲”和“弓形”效應(yīng)，特別是對(duì)于只有一層的電路板。 3）用（網(wǎng)格）銅填充無銅區(qū)域 無銅區(qū)域應(yīng)填充（網(wǎng)格）銅。 優(yōu)勢(shì)：

實(shí)現(xiàn)了鍍通孔壁的更好的均勻性。

防止電路板扭曲和彎曲。

4）銅區(qū)設(shè)計(jì)實(shí)例 銅區(qū)設(shè)計(jì)實(shí)例 5）確保銅對(duì)稱 確保銅對(duì)稱 大銅面積應(yīng)與對(duì)面的“銅填充”相平衡。還要嘗試將導(dǎo)體跡線盡可能均勻地分布在整個(gè)電路板上。 對(duì)于多層電路板，將對(duì)稱的相對(duì)層與“銅填充”相匹配。 銅對(duì)稱 6）層堆積中的對(duì)稱銅分布 電路板層積層中的銅箔厚度應(yīng)始終對(duì)稱分布?？梢灾圃觳粚?duì)稱層堆積，但我們強(qiáng)烈建議不要這樣做，因?yàn)榭赡軙?huì)變形。 堆積中的對(duì)稱銅分布 7、使用厚銅板 如果設(shè)計(jì)允許，選擇較厚的銅板而不是較薄的銅板。當(dāng)你使用薄板時(shí)，弓和扭曲的機(jī)會(huì)因素會(huì)變高。這是因?yàn)闆]有足夠的材料來保持板的剛度。一些標(biāo)準(zhǔn)厚度是lmm、1.6mm、1.8mm。低于1毫米的厚度，翹曲的風(fēng)險(xiǎn)是厚板的兩倍。 8、均勻跡線 導(dǎo)體走線應(yīng)均勻分布在電路板上。盡量避免銅窩。走線應(yīng)在每一層上對(duì)稱分布。 9、盜銅 你可以看到電流在存在隔離跡線的區(qū)域中積累得更多。由于這個(gè)事實(shí)，你無法獲得平滑的方形邊緣。盜銅是在電路板上的大空白空間中添加小圓圈、正方形甚至是實(shí)心銅平面的過程。盜銅將銅分布均勻地分布在整個(gè)電路板上。 其他優(yōu)點(diǎn)是∶

均勻的電鍍電流，所有跡線的蝕刻量都相同。

調(diào)節(jié)介電層厚度。

減少了對(duì)過度蝕刻的需求，從而降低了成本。

10、銅填充 如果需要較大的銅面積，則開放的區(qū)域用銅填充，這樣做是為了與對(duì)稱的相對(duì)層保持平衡。 銅填充在對(duì)面層 11、電源平面對(duì)稱 保持每個(gè)信號(hào)或電源平面中的銅厚度非常重要。電源層應(yīng)該是對(duì)稱的。最簡(jiǎn)單的形式是把電源層和地層放在中間。如果你能讓電源和接地更靠近，環(huán)路電感會(huì)小得多，因此傳播電感也會(huì)更小?！?12、預(yù)浸料和核心對(duì)稱 僅保持電源平面對(duì)稱不足以達(dá)到均勻的銅包層。在分層和厚度問題上匹配預(yù)浸料和芯材也很重要。 預(yù)浸料和核心對(duì)稱 13、銅重量 從根本上說，銅重量是板上銅厚度的量度。特定重量的銅在板上一層的一平方英尺區(qū)域上滾動(dòng)。我們使用的標(biāo)準(zhǔn)銅重量是1 盎司或1.37密耳。例如，如果你在1平方英尺的面積上使用1盎司銅，則銅的厚度為1盎司。 銅重量 銅重是電路板載流能力的決定因素。如果你的設(shè)計(jì)有高電壓、電流、電阻或阻抗要求，你可以修改銅厚度。 14、重銅 重銅沒有通用的定義。我們確實(shí)使用1 盎司作為標(biāo)準(zhǔn)銅重量。但是，如果設(shè)計(jì)要求超過3 盎司，則它被定義為重銅。 銅的重量越高，走線的載流能力就越高。電路板的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性也提高了。它現(xiàn)在更能耐受大電流暴露、過高溫度和頻繁的熱循環(huán)。所有這些都會(huì)削弱常規(guī)的電路板設(shè)計(jì)。 其他優(yōu)點(diǎn)是∶

高功率密度

同一層上容納多個(gè)銅重物的能力更大

增加散熱

15、輕銅 有時(shí)，你需要降低銅的重量以達(dá)到特定的阻抗，并非總是可以調(diào)整走線長度和寬度，因此實(shí)現(xiàn)較低的銅厚度是可行的方法之一。你可以使用走線寬度計(jì)算器為你的電路板設(shè)計(jì)正確的走線。 與銅重量的間距 當(dāng)你使用厚銅包層時(shí)，需要調(diào)節(jié)走線之間的間距。不同的設(shè)計(jì)師對(duì)此有不同的規(guī)范。下面是關(guān)于銅重量的最小空間要求的示例。 與銅重量的間距
編輯：黃飛