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【39】PCB 覆铜

 李清龙1023 2024-04-25 发布于安徽

PCB设计过程中,覆铜作为PCB设计的一个重要环节,各类PCB设计软件均提供了智能覆铜功能,就是将PCB上闲置的空间用铜面覆盖。覆铜的意义在于,减小地线阻抗,提高抗干扰能力;降低电源走线的压降,提高电源效率;与地线相连,还可以减小环路面积。

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PCB 覆铜PCB 层中填充铜的区域。该层可以是 PCB 叠层的顶部底部任何内部,并且PCB覆铜可以用作接地参考或将特定组件或电路与该层的其余元素隔离。本来在布局布线完成之后,我们PCB的表面,有很多空闲的区域,我们用GND,或者一些电源网络铺上整块的铜皮。

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,普遍认为,对于全由数字器件组成的电路,应该大面积铺地,但对于一些模拟电路,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。

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PCB覆铜的优点和缺点

优点:

  1. 电磁兼容性(EMC):大面积的地或电源铺铜可以起到屏蔽作用,有助于减少电磁干扰,提高电路的抗干扰能力,满足EMC的要求。

  2. PCB工艺制造要求:铺铜可以帮助保证电镀的均匀性,减少层压过程中板材的变形,提高PCB的制造质量。

  3. 信号完整性:给高频数字信号提供完整的回流路径,减少直流网络的布线,从而提高信号传输的稳定性和可靠性。

  4. 散热:合理的铺铜可以改善PCB的散热性能,降低元器件工作温度,提高系统的可靠性和寿命。

  5. 特殊器件安装:对于一些特殊器件,例如需要接地或特殊安装要求的器件,铺铜可以提供额外的连接点和固定支撑,增强器件的稳定性和可靠性。

  6. 减小形变:PCB覆铜通常能够减小 PCB 使用过程中的形变,尤其是对于双面或多层 PCB 来说。以下是一些影响因素:

  1. 稳定性:覆铜层能够增加 PCB 的整体稳定性,减少 PCB 在温度变化或机械应力下的形变。

  2. 热膨胀系数匹配:如果 PCB 的铜箔覆盖了整个表面(例如实心覆铜),铜箔有助于减小温度变化导致的形变。

  3. 强度增加:覆铜层通常会增加 PCB 的机械强度,减少 PCB 在使用过程中的变形,特别是对于大型 PCB 来说尤其明显。

  4. 层压结构:在多层 PCB 中,覆铜层能够增加 PCB 各层之间的粘合力,提高整体结构的稳定性,从而减小形变的可能性。

适当设计的 PCB 覆铜可以有效减小 PCB 使用过程中的形变,增加 PCB 的稳定性和可靠性。然而,具体的效果还取决于设计的细节、材料的选择以及使用环境等因素。

缺点:

散热过快,焊接困难:如果对元器件的管脚进行铺铜全覆盖,可能会导致散热过快,从而使得拆焊和返修变得困难。我们知道铜的导热率很高,因此不管是手工焊接还是回流焊,在焊接时铜面都会迅速导热,而致使烙铁等温度流失,对焊接产生影响,因此设计上尽量采用'十字花焊盘'减少热量散发,方便焊接。

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信号弱和干扰:在天线部分周围区域铺铜可能会导致信号弱,采集信号受到干扰,铺铜的阻抗可能影响放大电路的性能,因此在这些区域一般不会铺铜。

加工复杂度:铺铜需要在设计过程中考虑各个铺铜区域的影响,如果设计不当可能会增加加工的复杂度,例如需要采取十字连接等方式来避免散热困难。其实这点微乎其微,可以忽略,现在工艺已经都比较成熟,PCB板厂不会因为这点增加你的费用。

大面积覆铜(实心覆铜)和网格覆铜

覆铜一般有两种基本的方式,就是实心覆铜和网格覆铜。

1、大面积覆铜

增大电流和屏蔽的双重作用,但如果采用波峰焊,可能会导致板子翘起,甚至起泡。这个时候通常会开几条槽,以减少铜箔的气泡。

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2、网格覆铜

主要起到屏蔽作用,因为铜皮横截面积变小了,其通流的能力相对实心覆铜减弱。

在选择 PCB 覆铜的方式时,网格覆铜和实心铺铜各有优缺点,具体取决于设计需求和应用场景。以下是它们的比较:

  1. 网格覆铜:

    • 网格结构可能会增加 PCB 制造的复杂性,特别是在设计和加工上需要更多的注意。话虽然这样说,但是只要不搞过小的网格,不增加过多的碎铜,其实这点影响不大。

    • 对于一些高频和高速信号,网格覆铜可能会增加信号的传输损耗,导致信号完整性问题。如果覆铜作为PCB走线的参考平面,那肯定还是不要用网格覆铜,我们用完整的平面覆铜,实现一个完整的参考平面。

    • 可以减轻 PCB 的重量,特别是在大型 PCB 中,有助于减少 PCB 的整体重量。一般的情况下微乎其微。

    • 在处理热膨胀和机械应力方面更灵活,可以减少 PCB 在热变形和应力下的影响。

  2. 实心铺铜:

    • 相比于网格覆铜,实心铺铜会增加 PCB 的重量,因为它使用更多的铜材料。

    • 提供了最大的导电性能和地连接,对于需要高度导电性能的应用来说是理想的选择。

    • 在一些高频和高速信号的 PCB 设计中,提供一个完整的参考平面,实心铺铜有助于减少信号传输损耗,提高信号完整性。

    • 在一些场景中,实心铺铜可以提供更好的屏蔽效果,减少电磁干扰。

大面积覆铜(实心覆铜)和网格覆铜的屏蔽效果

实心覆铜和网格覆铜在屏蔽效果方面都有一定的作用,但具体哪种效果更好取决于具体的应用场景和设计要求。

  1. 实心覆铜的屏蔽效果:

    • 实心覆铜提供了更多的铜材料,可以提供更好的屏蔽效果,特别是对于低频和静态电磁干扰的屏蔽效果较好。

    • 实心覆铜能够形成完整的导电屏蔽层,覆盖整个区域,阻挡外部电磁波的进入和传播,从而减少干扰。

    • 实心覆铜可以更好地封闭和屏蔽内部电路,减少电磁辐射对周围环境和其他电路的影响。

  2. 网格覆铜的屏蔽效果:

    • 网格覆铜虽然提供了一定的屏蔽效果,但相比于实心覆铜,其屏蔽效果可能稍逊一筹。

    • 网格覆铜通常会留有间隙,使得电磁波可以部分穿透或穿过,因此对于高频或高速信号的屏蔽效果可能相对较差。

    • 然而,网格覆铜可以在一定程度上提供屏蔽效果的同时,减少了铜材料的使用和重量

关于实心覆铜和网格覆铜的散热效果

网上很多说法都是胡说八道,首先我们知道电路板上的热源主要是集成电路,集成电路通过PCB可以进行散热。那么PCB连接焊盘,把集成电路的热导出来。那么铜皮的面积越大,自然散热越好。

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如何利用PCB散热

在散热效果方面,实心覆铜通常比网格覆铜效果更好。以下是两者的比较:

  1. 实心覆铜的散热效果:

    • 实心覆铜提供了更多的铜材料,可以更好地传导热量,因此通常具有更好的散热性能。

    • 实心覆铜可以形成一个连续的热传导路径,有助于将热量均匀地分布到整个覆铜区域,从而有效地降低了器件工作温度。

  2. 网格覆铜的散热效果:

    • 虽然网格覆铜也可以起到一定的散热作用,但相比实心覆铜,其散热效果可能稍逊一筹。

    • 网格覆铜在散热方面可能会受到空隙的影响,热传导路径不如实心覆铜连续,因此散热效果可能相对较差。

总的来说,如果散热是设计的关键因素,并且需要在 PCB 上提供较好的散热性能,那么实心覆铜往往是更好的选择。然而,在一些对散热要求不是特别严格的应用中,或者对于需要轻量化设计的场合,网格覆铜可能也是一个可行的选择,它可以在一定程度上提供散热效果,并且减轻 PCB 的重量。

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