PCB电路板论空旷区铺铜的重要性

一、覆铜的好处

先说结论:空旷区铺铜在PCB设计中具有重要的意义,主要体现在以下几个方面:

  1. 提升抗干扰能力与减小地线阻抗:铺铜可以减小地线阻抗,从而提高电路板的抗干扰能力。通过将PCB上闲置的空间用固体铜填充,形成灌铜区域,这些铜区与地线相连,有助于减小环路面积,进而提升电路的稳定性和可靠性。

  2. 提高电源效率与降低压降:通过铺铜,可以降低电路中的压降,从而提高电源的使用效率。铜具有良好的导电性,能够有效地传递电流,减少电能在传输过程中的损失。

  3. 增强PCB的机械强度:在PCB的空旷区域填充铜皮或者网格状的地线,可以增加PCB的机械强度,使其在焊接过程中尽可能不变形。这有助于提高生产过程中的良品率,减少因变形导致的电路故障。

  4. 保证压合可靠性及成品板厚公差:对于多层板而言,内层空旷区铺铜主要是为了增加铜面积,减少填流区域,从而保证压合可靠性及成品板厚公差。这有助于避免因树脂胶过多流向无铜区而导致的板子偏薄、铜皮起皱、缺胶导致白斑、分层等问题。

  5. 均衡电镀电流,避免生产问题:在电镀过程中,铺铜可以均衡电镀电流,避免电流分配不均匀导致的局部镀铜过厚或夹膜现象。这有助于提高电镀质量,减少生产过程中的不良品率。

二、覆铜的坏处

  1. 外层的覆铜平面必定会被表层的元器件及信号线分离的支离破碎,如果有接地不良的铜箔(尤其是那种细细长长的碎铜),便会成为天线,产生EMI问题
  2. 如果对于元器件管脚进行覆铜全连接,会造成热量散失过快,造成拆焊及返修焊接困难
  3. 正如前面提到的,外层的覆铜平面一定要良好接地,需要多打过孔与主地平面连接,过孔打多了,势必会影响到布线通道,除非使用埋盲孔。

三、生产工艺为什么需要覆铜?

1、从品质上考虑:从整体生产可控性及品质保障来说,铺铜更有利于产品品质。

未铺铜

铺铜

2、外层空旷区带来的问题,影响范围:双面板、多层板(4层及以上)

当PCB板放在电镀槽,打上额定电流进行电镀时(如图1),此时的PCB是用干膜掩膜之后的形态。

图3 准备到电镀槽进行加镀铜厚的PCB图

露在干膜之外的线路基铜部分,在电流作用下,将镀铜液槽中的铜镀到PCB上(如图4)。

图4 PCB在电镀槽进行镀铜图

此时,露在干膜之外局部的线路总面积在电镀过程中会影响额定电流分配的大小,面积越大图形分布越均匀(如图5),受电流也就越均匀。这就是我们在设计时需要进行大面积铺铜的原因

图5 受镀面积大

如果线路受镀总面积过小或者图形分布很不均匀(如图6),那么受到的电流也会不均匀。这时候因为通电,电流越大,镀铜就越厚(你做1oz,实际做出来可能有2oz)。

图6 受镀面积小

图7 PCB电镀铜示意图

如果独立线周围残铜率低,将导致电镀时镀铜过厚,后续印刷阻焊油墨时,在恒定丝印压力下,导线上的油墨会相对稀薄,从而导致出现假性露铜发黄现象(如图8)。
图8 独立线路假性露铜发黄现象

如果线与线之间的间隙过小(如只有4mil、5mil),则会导致线路之间出现我们常说的"夹膜" ,即把干膜夹在中间,这会导致后续的底铜在蚀刻时蚀刻不干净,从而产生短路(如图9)。

图9 夹膜

解决方案: 为了保障品质,我们在设计时需尽量避免独立线的存在,尽可能整板铺铜。如果有实在不能铺铜的独立线,那就尽可能地把线的间隙设计得宽一点。

改善前后的案例对比:

1、部分铺铜

改善前

改善后

2、大面积没有铺铜

改善前

改善后

3、内层线路空旷区问题,受影响范围:多层板(4层及以上)

多层板压合是将PP裁切成片状,放在内层芯板与芯板、及芯板与铜箔之间,再经过压机高温高压,使PP上的树脂熔化并填充芯板上的无铜区,冷却后树脂固化,使芯板和铜箔粘接在一起。

PP片

内层芯板

压合叠板

1、当空旷区过大时,PP上的树脂胶会过多且会集中流向无铜区,从而导致板子偏薄、铜皮起皱、缺胶导致白斑、分层等问题的出现。

铜皮起皱

白斑

案例如下:

改善前

改善后

2、如果金手指对应内层区域比较空旷,则会导致金手指区域板厚偏薄,板子与连接器卡槽接触不良等问题。

要求1.6mm,实测1.41mm

改善前:手指区域内层未铺铜

改善后

对于金手指板:金手指下方的内层线路一定要铺铜,板厚要求也要更为严格。在选择层压结构时,不能选择成品板厚走下限的结构,嘉立创层压结构编号上有标明成品厚度。

以上多层板,内层空旷区铺铜主要是为了增加铜面积,减少填流区域,从而保证压合可靠性及成品板厚公差。而外层空旷区铺铜主要是为了均衡电镀电流, 避免夹膜及线幼,同时使得表面铜厚更加均匀。

4、最后再总结下设计规则

1、设计时不要留空旷区,尽量在空旷区铺铜;

2、如果实在没有位置铺铜,那么线与线、线与焊盘、焊盘与焊盘的距离则按2oz铜厚、最小间距8mil设计;

3、铺铜远离正常的线路焊盘,走线、铜皮、钻孔要有0.5mm以上的距离,铺铜尽量铺实铜,不要铺小网格铜;

4、金手指下方所有内层线路层都必须铺铜,避免手指处板厚偏薄,同时不能选择板厚偏薄的层压结构;

5、天线位置需按产品设计手册要求铺铜,铺假铜时要考虑避免对天线产生干扰。

三、Copper Thieving-均流块 ,也称电镀块

指添加在多层PCB外层图形区、PCB装配辅条和制造面板辅条区域的铜平衡块。
带均衡铜块的PCB电路板

**Copper Thieving有什么用?**在PCB生产过程中在外层电镀工艺这个环节时平衡电镀电流,避免在电镀工序因电流不一致而导致成品铜厚不均匀。 也就是在电镀的过程中把电镀电流从铜箔密集区夺过来,让电流分布更平均,也就是避免成品铜厚的不均匀。

这些小铜块看起来像是覆铜但又有所不同,它是由许多个非常小的独立方格状铜块组成的,每个铜块都是独立的单体,不与电路板上的其他组件进行电气连接,比如我们所知的,PCB上的大面积铺铜至少要以所关注频率的1/10波长间距打金属化过孔,与PCB上主0V参考平面进行连接。

在表层要不要铺铜,依应用场景而定,除了敏感信号需要包地之外,如果高速信号线及元器件较多,产生很多小而长碎铜,而且布线通道紧张,需要尽量避免表层铜皮打过孔与地平面连接,这时候表层可以选择不要铺铜。如果表层元器件及高速信号较少,板子比较空旷,为了PCB加工工艺要求,可以选择在表层铺铜,但要注意铜皮与高速信号线间的距离至少在4W以上,以避免改变信号线的特征阻抗,而且表层的铜皮应以最高信号频率的十分之波长间距打孔与主地平面良好连接。

当然,如果是外层有相对完整的铜箔,这些铜箔可以起到一定的屏蔽作用,或者可以提高PCB的层间电容,对于提升EMC性能会有所帮助,但对于高数数字信号为主的情况,外层布满了元器件和扇出过孔,很难形成完整平面的。

对于两层板,走线与它的参考平面距离太远了,同时,0V参考平面还要走线,很难保证平面的完整,这时候板子空余的地方铺铜并且多打孔与0V参考连接,构造低阻抗回流路径,对于提升EMC性能还是很有好处的。

对于有低阻抗参考平面的高数数字信号走线区域,建议不在外层铺铜,但是,如果外层的残铜率太低的话,比如主控和周边的DRAM等BGA区域,相对铜箔密度较密,其它区域铜含量相对较少,不均匀的铜分布率在电镀工艺环节,BGA区域流经的电流密度过大,造成电镀成品铜厚不均匀,比如差分线,铜厚不均匀会对阻抗控制有不利影响,BGA引脚上的铜厚差异大,也会对SMT的良率有影响等等。

解决办法就是改善铜箔分布的疏密平衡,这种棋格状的小铜块就是不错的选择,当然,也有的是小圆点形状的,它的每个单体在物理尺寸上都远小于波长的1/4,很难形成有效的辐射天线,不用打过孔于0V参考平面连接,不用挤占拥挤的内层走线空间,唯一要注意的是Copper Thieving的下方不要有阻抗控制线,这些铜块会造成阻抗不连续。当然,也不要太靠近需要做ESD防护的地方。

参考:

1、在PCB上盗铜的艺术

2、嘉立创 《论空旷区铺铜的重要性》

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