PCB平衡銅是什么意思

PCB 制造是按照的一組規(guī)范從 PCB 設計構建物理 PCB的過程。對設計規(guī)范的理解非常重要，因為它會影響 PCB 的可制造性、性能和生產(chǎn)良率。

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

一、PCB 平衡銅是什么意思

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

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一起傳遍電路板。這減少了可能導致內(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、增加導體和表面焊盤的厚度

用作 PCB 上的鍍層的銅會增加導體和表面焊盤的厚度。此外，通過電鍍通孔實現(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，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，則可能會出現(xiàn)以下問題：

1、堆疊平衡不當

平衡堆屋意味著在你的設計中具有對稱層，這樣做的目的是放棄在堆疊組裝和層壓階段可能發(fā)生變形的風險區(qū)域。

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

對稱疊加

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，銅表面需要補充“假”區(qū)域或平面，以防止預浸料溢出到圖案中以及隨后的分層或層間短路。

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

沒有 PCB 分層風險

有 PCB 分層風險：銅僅填充45%，層間預浸料填充不足，存在分層風險。

3、介電層厚度不均勻

板層堆疊管理是設計高速板的關鍵要素。為了保持布局的對稱性，最安全的做法是平衡介電層，介電層厚度應該像屋層一樣對稱排列。

但有時很難實現(xiàn)電介質厚度的均勻性。這是由于一些制造限制。在這種情況下，設計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。

對稱介電層

4、電路板橫截面不均勻

常見的不平衡設計問題之一是電路板橫截面不當。銅沉積在某些層中比其他層更大。這個問題源于銅的一致性在不同層上沒有保持的事實。因此，在組裝時，一些層會變厚，而其他銅沉積量低的層會保持較薄。當壓力橫向施加在板上時，它會變形。為了避免這種情況，銅覆蓋必須相對于中心層對稱。

5、混合（混合材料）疊層

有時，設計會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）。這種類型的混合結構增加了回流組裝過程中翹曲的風險。

四、銅分布不平衡的影響

銅沉積的變化會導致 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，銅箔和基板會發(fā)生不同的機械膨脹和壓縮。這會導致它們的膨脹系數(shù)出現(xiàn)偏差。隨后，板上產(chǎn)生的內(nèi)應力導致翹曲。

根據(jù)應用，PCB材料可以是玻璃纖維或任何其他復合材料。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），電路板就會翹曲。

2、導電圖案電鍍不良

為了正確設置電鍍工藝，導電層上的銅平衡非常重要。如果銅在頂部和底部，甚至在每個單獨的層不平衡，就會發(fā)生過度電鍍，并導致連接的軌跡或蝕刻不足。特別是，這涉及具有測量阻抗值的差分對。設置正確的電鍍過程很復雜，有時甚至是不可能的。因此，用“假”貼片或全銅補充銅平衡很重要。

補充了平衡銅

沒有補充平衡銅

3、弓形

如果覆銅不平衡，PCB 層會出現(xiàn)圓柱或球面曲率。用簡單的語言，你可以說一張桌子的四個角是固定的，桌子的頂部升到上面。它被稱為弓，是技術故障的結果。

弓形在曲面上產(chǎn)生與曲線相同方向的張力。此外，它會導致隨機電流流過電路板。

弓形

4、弓效果

1）捻

扭曲受電路板材料、厚度等因素的影響。當電路板的任何一個角未與其他角對稱對齊時，就會發(fā)生扭曲。一個特定的表面對角上升，然后其他角會扭曲。與從桌子的一個角落拉起墊子而另一個角落被扭曲時非常相似。請參考下圖。

扭曲效果

2）樹脂空隙

樹脂空洞只不過是鍍銅不當?shù)慕Y果。在組裝壓力期間，壓力以不對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滲出樹脂。這會在該位置產(chǎn)生空隙。

3）弓和扭曲的測量

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%，而對于其他電路板，則為1.5%?；诖藰藴?，我們還可以計算特定PCB尺寸的彎曲度和扭曲度。

弓余量=板長或寬度×弓余量百分比/100

扭曲測量涉及電路板的對角線長度?？紤]到板受其中一個角的約束并且扭曲作用在兩個方向上，因素2包括在內(nèi)。

最大允許扭曲=2×板對角線長度×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，對角線長度為5英寸。

弓扭測量

整個長度的彎曲余量=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平衡銅設計規(guī)范

1、在疊層設計期間，建議將中心層設置為最大銅厚度，并進一步平衡其余層以匹配它們的鏡像對面層。該建議對于避免前面討論的薯片效應很重要。

2、在 PCB 上有寬銅區(qū)域的地方，明智的做法是將它們設計為網(wǎng)格而不是實心平面，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，電源層應對稱放置，并且每個電源層中使用的銅重量應相同。

4、銅平衡不僅在信號或電源層中是必需的，而且在 PCB 的核心層和預浸層中也是必需的。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，則對稱的相對層應填充微小的銅網(wǎng)格以平衡。這些微小的銅網(wǎng)格不會連接到任何網(wǎng)絡，也不會干擾功能。但是有必要確保這種銅平衡技術不會影響信號完整性或電路板阻抗。

6、平衡銅分布的技術

1）填充圖案

交叉影線是一種工藝，其中某些銅層呈格子狀。它實際上涉及定期定期開口，幾乎看起來像一個大篩子。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。這會產(chǎn)生更強的粘合力和更好的銅分布，從而降低變形的風險。

填充圖案

以下是陰影銅平面相對于實心澆注的一些好處∶

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。

為動態(tài)或靜態(tài)柔性板提供機械支撐。

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)域應始終是網(wǎng)格。這通常可以在布局程序中設置。例如，Eagle 程序將網(wǎng)格區(qū)域稱為“孵化”。當然，這只有在不存在敏感的高頻導體跡線時才有可能?！熬W(wǎng)格”有助于避免“扭曲”和“弓形”效應，特別是對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)域應填充（網(wǎng)格）銅。

優(yōu)勢：

實現(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)設計實例

銅區(qū)設計實例

5）確保銅對稱

確保銅對稱

大銅面積應與對面的“銅填充”相平衡。還要嘗試將導體跡線盡可能均勻地分布在整個電路板上。

對于多層電路板，將對稱的相對層與“銅填充”相匹配。

銅對稱

6）層堆積中的對稱銅分布

電路板層積層中的銅箔厚度應始終對稱分布?？梢灾圃觳粚ΨQ層堆積，但我們強烈建議不要這樣做，因為可能會變形。

堆積中的對稱銅分布

7、使用厚銅板

如果設計允許，選擇較厚的銅板而不是較薄的銅板。當你使用薄板時，弓和扭曲的機會因素會變高。這是因為沒有足夠的材料來保持板的剛度。一些標準厚度是lmm、1.6mm、1.8mm。低于1毫米的厚度，翹曲的風險是厚板的兩倍。

8、均勻跡線

導體走線應均勻分布在電路板上。盡量避免銅窩。走線應在每一層上對稱分布。

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。由于這個事實，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、正方形甚至是實心銅平面的過程。盜銅將銅分布均勻地分布在整個電路板上。

其他優(yōu)點是∶

均勻的電鍍電流，所有跡線的蝕刻量都相同。

調節(jié)介電層厚度。

減少了對過度蝕刻的需求，從而降低了成本。

盜銅

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，這樣做是為了與對稱的相對層保持平衡。

銅填充在對面層

11、電源平面對稱

保持每個信號或電源平面中的銅厚度非常重要。電源層應該是對稱的。最簡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)路電感會小得多，因此傳播電感也會更小?！?/p>

12、預浸料和核心對稱

僅保持電源平面對稱不足以達到均勻的銅包層。在分層和厚度問題上匹配預浸料和芯材也很重要。

預浸料和核心對稱

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。我們使用的標準銅重量是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。如果你的設計有高電壓、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。我們確實使用1 盎司作為標準銅重量。但是，如果設計要求超過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)。所有這些都會削弱常規(guī)的電路板設計。

其他優(yōu)點是∶

高功率密度

同一層上容納多個銅重物的能力更大

增加散熱

15、輕銅

有時，你需要降低銅的重量以達到特定的阻抗，并非總是可以調整走線長度和寬度，因此實現(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算器為你的電路板設計正確的走線。

與銅重量的間距

當你使用厚銅包層時，需要調節(jié)走線之間的間距。不同的設計師對此有不同的規(guī)范。下面是關于銅重量的最小空間要求的示例。

與銅重量的間距