pcb电路板的覆铜是网格铜好 还是实心铜好?如何从EMC,信号完整性,加工散热等上面进行分析?

来自专治PCB疑难杂症主群(群友突破1100人啦,添加杨老师微信号Johnnyyang206,可添加入群)的疑难杂症:为了应对EMC, pcb电路板的地线覆铜,是网格状的好,还是实心的好?这个应该根据什么来确定?是模拟信号还是数字信号,还是工作频率? 

杨老师这里先从PCB设计角度来问一个问题:除去软板设计采用网格铜以外,是不是其他设计的电路板基本都是实心铜,基本不用网格铜设计?针对群友提出的关于网格铜和实心铜使用的问题,这里王老师和杨老师从不同角度进行阐释。

王老师和杨老师针对使用网格铜和实心铜一致的观点认为:软板建议使用网格铜,其他PCB设计采用实心铜,当然有芯片规格书或者特殊电源板设计中有要求用网格铜设计的,就需要遵守相关要求。

杨老师分析来看,无非可以从下面四条分析(EMC方面将由王老师分析)

一,网格铜交错方向的走线组成的,对于信号阻抗的控制会有影响。

网格是使由交错方向的走线组成的,随着信号上升沿时间越来越短,我们需要考虑信号完整性问题,需要关注阻抗匹配。(什么情况下需要考虑信号完整性,请参考往期解惑文章 高速?高频?要多层板设计?(附入门级仿真实操视频赠送)),涉及到阻抗控制,那必然提到参考平面,如果走线以这种网格铜为参考面,当走线的参考面为网格铜的空隙部分,那其实参考层为下一层材料,而不是铜,这样参考面高度变大, 阻抗会突变,传输延时也和参考铜的不一样,传输延时会变大;如果参考面不在空隙部分,当线比较宽的情况下,它的阻抗也会因参考面不够大, 也会受到影响。当走线为差分走线时,其中差分线中的一根或者一对的参考面者是在空隙处,这时的阻抗和延时也不一样。一旦阻抗不匹配,就带来了信号质量问题,导致误触发或者不工作等问题的出现。

Intel在最早的时候提出了10度走线和任意角度走线,是考虑板材中玻纤效应的问题,其实同样的道理,完整的参考平面更有利于信号的质量传输。有兴趣的同学可以自己仿真对比下效果。

二,从EMC角度考虑,频率的高低并不能证实网格铜要好于实心铜,相反,实心铜会带来更好的EMC效果。

我们知道地网络作为信号回流路径以及理想的电位参考, 在EMC设计中是保证产品的EMC性能的非常重要的手段。从低频到高频,从大功率到小信号数字电路,通过良好的接地,都可以实现噪声信号的快速回流,避免泄露及产生干扰。接下来我们从接地回流角度分析一下低频和高频的不同模型:通过一段简单的传输线及参考平面的3D电流频域扫描分析,我们可以看到在低频段,1KHz~500KHz,电流的回流主要是走电阻最小路径,即导线两端的直线联线回流。

 而在大于1MHz时,电流的回流主要通过导线正下方阻抗最小路径回流。

由以上可得,在超低频率时,只需要一段简单连线就可以完成回流,在产品的频率在高频或者频率成分比较复杂时候,我们要依靠一个完整的平面来回流去耦滤波抑制高频干扰信号。而实心铜的完整性肯定是比网格铜要好的。 所以从这点上可以得出一个结论:实心铜在EMC效果上要好于网格铜。

那么地平面回流的效果怎么分析呢?我们可以用平板电容Cp来判断,电容越大,效果越好(一般还跟频率相关)简易版平面电容公式:

考虑到机壳及测试参考面对EMC的影响:

很显然,网格铜的有效面积没有实心铜大,实心铜带来了更好的平板电容效果,电容越大,效果越好,滤波去耦效果就越好。从这一层次分析,实心铜铺地带来的完整地平面阻抗低,抗干扰能力强,屏蔽效果好。

三,目前的板子向着越来越高速,越来越繁密发展,那么网格铜就会造成设计和加工的两难困境。

BGA区域的电源以及GND网络的出线,整板器件面的铺铜,如果你做PCB设计就会发现,网格铜根本就不能连接起来,你就会有更小的网格(更小的线宽和更小的间距),这样的结果就是造成加工的困难。另外从大规模生产时用网格铜的PCB的可生产性不如用实心铜的PCB。

反方观点一:采用实心铜容易出现板弯板翘

杨老师分析:板弯板翘最大的原因还是板子设计过程中层叠的不合理,比如不对称的设计;比如平衡铜的运用,器件不均匀布局等。 至于实心铜容易出现板弯板翘,用历史的事实证明是不科学的,因为目前绝大部分的设计采用的都是实心铜。

反方观点二:采用实心铜过波峰焊的容易起泡。

杨老师分析:波峰焊的加工工艺请自行查阅杨老师之前写的百科知识,波峰焊焊接的是插件孔和插件的焊脚,其他不相关区域都是用治具隔开的,只要你插件孔散热良好,满足设计的工艺要求,采用实心铜在波峰焊时又怎么会容易起泡。

四,网格铜从电气性能和散热的好处也占不住脚,而且网格铜的载流能力远没有实心铜强

我们知道对于电路来说,走线的宽度对于电路板的工作频率是有其相应的“电长度“的(实际尺寸除以工作频率对应的数字频率可得),当工作频率不是很高的时候,或许网格线的作用不是很明显,一旦电长度和工作频率匹配时,就非常糟糕了,你会发现电路根本就不能正常工作,到处都在发射干扰系统工作的信号。所以对于使用网格的同仁,我们建议是根据设计的电路板工作情况选择,不要死抱着一种东西不放。

很多人认为网格铜散热较好,因为降低了铜的受热面,这一点我们先暂且不论,但是可以思考一下,网格铜的载流能力肯定是减少了,比如同样过10A电流,同等线宽情况下实心铜毫无压力的情况下,网格铜可能就不行。根据热量公式,随着电流加大,到底是网格铜更容易引起板子的起火,还是实心铜,这个大家可以自行考量。

那为什么软板要采用网格铜了?

那是因为全铺铜在扭曲时相对较容易断裂,而且软板需要的是良好的柔韧性和易弯曲性。网格铜的柔韧性,热涨冷缩适应性都比实心铜好。 而且软板上的电流和信号速率一般都不大。综合考量  更适合用网格铜设计。

综合以上分析,相信群友的疑难问题基本说清楚了。绝大部分PCB设计请采用实心铜,软板建议使用网格铜,如有芯片规格书或者特殊电源板设计中有要求用网格铜设计的,就需要遵守相关要求。

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编写:王老师,杨老师         整理:杨老师

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