戰(zhàn)：何時(shí)鋪、何時(shí)不鋪)
1. 敷銅不是萬(wàn)能藥先搞清楚它到底在干什么剛?cè)胄心菚?huì)兒我一度以為PCB上的銅皮越多越好凡是空白區(qū)域全給它鋪上GND銅看起來(lái)又專(zhuān)業(yè)又“抗干擾”。直到有一次做一塊24V直流電源輸入的小板子鋪完銅之后EMC測(cè)試反而比不鋪還差輻射騷擾在30MHz到100MHz之間冒出一堆尖峰折騰了整整兩天才定位到問(wèn)題——就是那塊“好心”鋪上去的銅在作怪。敷銅這件事本質(zhì)上是在PCB的空白區(qū)域填充大面積銅箔通常連接到GND網(wǎng)絡(luò)也有少數(shù)情況連接到電源網(wǎng)絡(luò)或其他特定網(wǎng)絡(luò)。它的作用不是單一的而是多個(gè)效應(yīng)疊加在一起的結(jié)果。理解這些效應(yīng)才能判斷什么情況下該鋪、什么情況下不該鋪。敷銅的核心作用可以歸納為四類(lèi)提供低阻抗回流路徑高頻信號(hào)的回流電流總是走阻抗最小的路徑大面積GND銅皮可以為回流電流提供緊貼信號(hào)走線(xiàn)的返回通道減小環(huán)路面積從而降低電磁輻射。輔助散熱銅的導(dǎo)熱系數(shù)約為400 W/(m·K)大面積銅皮可以有效將發(fā)熱元器件的熱量分散到板面降低局部溫升。增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度對(duì)于薄板或大面積板銅皮可以在一定程度上改善板的剛性減少翹曲。屏蔽與隔離在敏感信號(hào)之間或模塊之間鋪設(shè)接地銅皮可以起到一定的電場(chǎng)屏蔽作用減小串?dāng)_。但問(wèn)題在于這些作用都是有條件的。敷銅不是“鋪了就靈”鋪得不對(duì)反而會(huì)引入寄生電容、形成天線(xiàn)效應(yīng)、導(dǎo)致渦流損耗甚至讓EMC性能惡化。下面這張表可以先幫你建立一個(gè)快速判斷的框架場(chǎng)景建議敷銅主要原因高頻數(shù)字電路50MHz建議提供回流路徑減小環(huán)路面積開(kāi)關(guān)電源功率級(jí)謹(jǐn)慎/有條件渦流損耗、開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)耦合模擬小信號(hào)前端謹(jǐn)慎寄生電容影響阻抗可能引入噪聲大電流功率走線(xiàn)區(qū)域建議散熱、降低阻抗晶振、時(shí)鐘區(qū)域不建議直接鋪寄生電容改變振蕩頻率天線(xiàn)饋線(xiàn)附近嚴(yán)格按設(shè)計(jì)影響特征阻抗電機(jī)驅(qū)動(dòng)板謹(jǐn)慎大電流切換產(chǎn)生渦流和輻射四層板內(nèi)層通常建議作為參考平面使用這張表只是一個(gè)大方向的參考實(shí)際項(xiàng)目中還需要結(jié)合層疊結(jié)構(gòu)、信號(hào)頻率、電流大小、EMC要求等因素綜合判斷。接下來(lái)我會(huì)逐層拆解把“該鋪”和“不該鋪”的邊界條件講清楚。2. 什么情況下敷銅是明智之舉2.1 高頻數(shù)字電路中的回流路徑需求這是敷銅最經(jīng)典的應(yīng)用場(chǎng)景。當(dāng)信號(hào)頻率超過(guò)50MHz或者上升沿時(shí)間小于1ns時(shí)信號(hào)回流電流不再走最短幾何路徑而是走最小電感路徑——也就是緊貼在信號(hào)走線(xiàn)下方的參考平面。在兩層板上如果沒(méi)有完整的GND平面回流電流只能通過(guò)其他路徑返回環(huán)路面積可能非常大。假設(shè)一條信號(hào)走線(xiàn)長(zhǎng)5cm回流路徑偏離2cm環(huán)路面積就是1cm2。根據(jù)電磁輻射公式輻射強(qiáng)度與環(huán)路面積成正比與頻率的平方成正比。在100MHz時(shí)這個(gè)環(huán)路足以產(chǎn)生超過(guò)Class B限值的輻射。敷銅之后如果GND銅皮能夠緊貼信號(hào)走線(xiàn)下方兩層板中通常做不到完全緊貼但至少可以減小環(huán)路回流路徑的環(huán)路面積可以縮小一個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)測(cè)中一塊兩層板在鋪銅前后100MHz處的輻射峰值可以相差6到10dB。注意兩層板的敷銅效果遠(yuǎn)不如四層板。四層板中信號(hào)層緊鄰GND平面回流路徑幾乎完全受控。兩層板中信號(hào)層和GND層在同一面或相鄰面回流路徑仍然需要繞行效果有限。如果EMC要求嚴(yán)格優(yōu)先考慮四層板而不是依賴(lài)兩層板敷銅。2.2 大電流和散熱需求下的銅皮設(shè)計(jì)功率電路中最常見(jiàn)的敷銅理由是散熱。以一塊24V/5A的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板為例MOSFET的導(dǎo)通電阻假設(shè)為10mΩ導(dǎo)通損耗就是0.25W。如果沒(méi)有足夠的銅皮散熱MOSFET的結(jié)溫可能迅速升高。銅皮在這里的作用相當(dāng)于一個(gè)散熱器將熱量從器件焊盤(pán)傳導(dǎo)到更大的面積上。計(jì)算銅皮散熱能力時(shí)可以用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式估算溫升 功耗 / (銅皮面積 × 散熱系數(shù))其中散熱系數(shù)對(duì)于1oz銅厚、自然對(duì)流條件約為0.5到1.0 mW/(cm2·°C)。假設(shè)功耗0.25W允許溫升40°C則需要的銅皮面積約為0.25W / (0.5mW/(cm2·°C) × 40°C) 12.5 cm2也就是說(shuō)至少需要12.5平方厘米的銅皮面積來(lái)散熱。這個(gè)面積可以通過(guò)在MOSFET周?chē)佋O(shè)大面積GND銅皮來(lái)實(shí)現(xiàn)同時(shí)用多個(gè)過(guò)孔將熱量傳導(dǎo)到背面銅皮。大電流走線(xiàn)也常常用敷銅來(lái)降低阻抗。1oz銅厚、1mm寬的走線(xiàn)在20°C時(shí)電阻約為0.5mΩ/mm。如果電流是5A1cm長(zhǎng)的走線(xiàn)壓降就是2.5mV功耗12.5mW?？雌饋?lái)不大但如果走線(xiàn)更長(zhǎng)或者電流更大壓降和功耗就會(huì)顯著增加。用敷銅代替細(xì)走線(xiàn)可以有效降低阻抗。2.3 四層板中內(nèi)層平面的不可替代性四層板的標(biāo)準(zhǔn)層疊通常是頂層信號(hào) / GND平面 / 電源平面 / 底層信號(hào)。這里的GND平面和電源平面本質(zhì)上就是大面積敷銅但它們是完整的、不被分割的。四層板中敷銅的價(jià)值在于特征阻抗可控微帶線(xiàn)或帶狀線(xiàn)的特征阻抗取決于走線(xiàn)與參考平面的距離和介質(zhì)常數(shù)。沒(méi)有完整參考平面阻抗無(wú)法控制?；亓髀窂阶疃绦盘?hào)層緊鄰GND平面回流電流直接在正下方流動(dòng)環(huán)路面積趨近于零。電源完整性好電源平面和GND平面之間形成平板電容高頻去耦效果優(yōu)于離散電容。我做過(guò)一個(gè)對(duì)比測(cè)試同樣的DDR3接口電路兩層板敷銅方案和四層板方案在200MHz處的輻射差異超過(guò)15dB。四層板的成本雖然高一些但在高速數(shù)字電路中幾乎是必須的。2.4 屏蔽敏感信號(hào)與隔離干擾源在混合信號(hào)板中模擬前端和數(shù)字電路共存時(shí)敷銅可以起到隔離作用。具體做法是在模擬區(qū)域和數(shù)字區(qū)域之間鋪設(shè)一條GND銅皮“隔離帶”寬度通常不小于3mm并且用多個(gè)過(guò)孔連接到GND平面。這種隔離帶的原理是數(shù)字電路的高頻噪聲通過(guò)空間耦合到模擬區(qū)域GND銅皮可以吸收部分電場(chǎng)能量減小耦合。但要注意隔離帶必須真正接地否則反而會(huì)成為天線(xiàn)。另一個(gè)場(chǎng)景是晶振區(qū)域。晶振是敏感器件周?chē)佋O(shè)GND銅皮并接地可以屏蔽外部干擾。但晶振焊盤(pán)本身不要直接鋪銅否則寄生電容會(huì)改變振蕩頻率。正確的做法是在晶振周?chē)併~但焊盤(pán)和走線(xiàn)區(qū)域保持凈空。3. 什么情況下敷銅會(huì)幫倒忙3.1 開(kāi)關(guān)電源中的渦流損耗問(wèn)題這是最容易被忽視的坑。開(kāi)關(guān)電源的功率級(jí)中開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)SW節(jié)點(diǎn)的電壓在短時(shí)間內(nèi)大幅跳變dv/dt非常高。如果SW節(jié)點(diǎn)附近有大面積GND銅皮銅皮中會(huì)產(chǎn)生渦流導(dǎo)致額外的損耗和輻射。具體機(jī)理是這樣的SW節(jié)點(diǎn)的電壓跳變通過(guò)寄生電容耦合到GND銅皮在銅皮中形成渦流電流。這個(gè)渦流電流又會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)反過(guò)來(lái)加劇輻射。同時(shí)渦流損耗會(huì)降低電源效率。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一塊反激式開(kāi)關(guān)電源板在SW節(jié)點(diǎn)下方鋪銅和不鋪銅對(duì)比效率相差約1.5%輻射在50MHz到150MHz之間相差3到5dB。對(duì)于效率要求高的場(chǎng)合這個(gè)差異不可忽視。正確的做法是SW節(jié)點(diǎn)區(qū)域保持凈空不鋪銅。如果需要散熱可以用小面積的銅皮連接到SW節(jié)點(diǎn)本身作為散熱焊盤(pán)但不要連接到GND。3.2 晶振和高阻抗節(jié)點(diǎn)的寄生電容效應(yīng)晶振電路對(duì)寄生電容極其敏感。一個(gè)32.768kHz的晶振負(fù)載電容通常只有12.5pF。如果在晶振走線(xiàn)旁邊鋪了GND銅皮走線(xiàn)與銅皮之間的寄生電容可能達(dá)到幾個(gè)pF直接改變晶振的負(fù)載電容導(dǎo)致頻率偏移甚至不起振。類(lèi)似的問(wèn)題也出現(xiàn)在高阻抗節(jié)點(diǎn)上。比如運(yùn)放的輸入端阻抗可能高達(dá)兆歐級(jí)別。GND銅皮與高阻抗走線(xiàn)之間的寄生電容會(huì)形成低通濾波器影響信號(hào)帶寬甚至引入噪聲。提示晶振區(qū)域和運(yùn)放輸入端的處理原則是“最小化寄生電容”。走線(xiàn)盡量短周?chē)讳併~必要時(shí)可以在走線(xiàn)下方挖空GND平面。3.3 天線(xiàn)效應(yīng)當(dāng)銅皮變成輻射源敷銅如果處理不當(dāng)會(huì)變成一根“天線(xiàn)”。最常見(jiàn)的情況是銅皮一端接地另一端懸空。這個(gè)懸空的銅皮就像一根單極天線(xiàn)會(huì)接收和輻射電磁能量。另一種情況是銅皮被分割成多個(gè)孤島每個(gè)孤島都可能成為獨(dú)立的輻射源。特別是在兩層板中如果GND銅皮不完整被走線(xiàn)切割成多個(gè)區(qū)域這些區(qū)域之間的連接阻抗很高高頻下相當(dāng)于多個(gè)獨(dú)立的天線(xiàn)。避免天線(xiàn)效應(yīng)的關(guān)鍵是確保GND銅皮完整、連續(xù)、多點(diǎn)接地。如果銅皮被分割必須用足夠的過(guò)孔或走線(xiàn)將各部分連接在一起。對(duì)于兩層板建議在銅皮的關(guān)鍵位置放置過(guò)孔將頂層和底層的GND銅皮縫合在一起。3.4 阻抗失配敷銅對(duì)特征阻抗的影響在射頻和高速信號(hào)中特征阻抗是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。敷銅會(huì)改變走線(xiàn)與參考平面之間的距離和介質(zhì)環(huán)境從而影響特征阻抗。以微帶線(xiàn)為例特征阻抗公式近似為Z0 ≈ 87 / sqrt(εr 1.41) × ln(5.98H / (0.8W T))其中εr是介質(zhì)常數(shù)H是走線(xiàn)到參考平面的距離W是走線(xiàn)寬度T是銅厚。如果在走線(xiàn)旁邊鋪了GND銅皮相當(dāng)于改變了等效介質(zhì)常數(shù)和邊緣場(chǎng)分布特征阻抗會(huì)下降。對(duì)于50Ω的微帶線(xiàn)旁邊鋪銅后阻抗可能降到45Ω甚至更低。在射頻電路中這種失配會(huì)導(dǎo)致反射損耗增加駐波比變差。正確的做法是射頻走線(xiàn)按照阻抗計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)周?chē)３謨艨詹讳併~。如果需要屏蔽使用接地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)但必須重新計(jì)算阻抗。4. 敷銅的實(shí)操細(xì)節(jié)從參數(shù)計(jì)算到過(guò)孔布置4.1 銅厚選擇與載流能力計(jì)算敷銅的銅厚通常用盎司oz表示1oz約等于35μm。常見(jiàn)的銅厚有0.5oz、1oz、2oz、3oz等。銅厚的選擇取決于電流大小和散熱需求。載流能力的經(jīng)驗(yàn)公式是I k × ΔT^0.44 × A^0.725其中I是電流AΔT是允許溫升°CA是銅皮截面積mil2k是系數(shù)外層走線(xiàn)k0.048內(nèi)層k0.024。舉例1oz銅厚走線(xiàn)寬度100mil約2.54mm截面積A 100mil × 1.37mil ≈ 137mil2。允許溫升10°C外層走線(xiàn)I 0.048 × 10^0.44 × 137^0.725 ≈ 0.048 × 2.75 × 34.5 ≈ 4.55A也就是說(shuō)100mil寬的1oz銅走線(xiàn)溫升10°C時(shí)可以承載約4.5A電流。如果電流更大需要增加銅厚或走線(xiàn)寬度。對(duì)于敷銅區(qū)域載流能力更強(qiáng)因?yàn)殂~皮面積大散熱條件好。但要注意敷銅區(qū)域的電流分布不均勻靠近電源入口的地方電流密度高遠(yuǎn)端電流密度低。必要時(shí)可以用熱仿真軟件驗(yàn)證。4.2 過(guò)孔縫合讓銅皮真正“接地”敷銅如果只在一層效果有限。多層板中需要用過(guò)孔將各層的GND銅皮連接在一起這個(gè)過(guò)程叫“縫合”?？p合過(guò)孔的作用是降低各層GND之間的阻抗為回流電流提供垂直通道抑制平面諧振縫合過(guò)孔的間距通常建議小于最高頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/20。例如最高頻率1GHz波長(zhǎng)在FR4中約為15cm1/20就是7.5mm。也就是說(shuō)縫合過(guò)孔間距不應(yīng)超過(guò)7.5mm。在實(shí)際操作中我通常會(huì)在以下位置放置縫合過(guò)孔銅皮邊緣每隔5到10mm放置一個(gè)連接器周?chē)芗胖镁д?、時(shí)鐘芯片周?chē)胖秒娫茨K輸入輸出附近放置過(guò)孔尺寸通常選擇0.3mm到0.5mm孔徑太小會(huì)增加加工成本太大占用板面空間。4.3 熱焊盤(pán)與散熱平衡敷銅連接到元器件焊盤(pán)時(shí)如果直接連接焊接時(shí)熱量會(huì)迅速散失導(dǎo)致焊接困難。特別是手工焊接時(shí)大面積銅皮會(huì)“吸走”烙鐵的熱量焊點(diǎn)難以形成。解決方法是使用熱焊盤(pán)thermal relief即用幾條細(xì)走線(xiàn)將焊盤(pán)連接到銅皮而不是直接連接。熱焊盤(pán)的熱阻較高可以減少焊接時(shí)的散熱同時(shí)在電氣上仍然保持連接。熱焊盤(pán)的參數(shù)通常包括輻條寬度一般等于焊盤(pán)寬度的1/2到1/3輻條數(shù)量通常4條均勻分布間隙輻條與銅皮之間的間隙通常0.2mm到0.5mm對(duì)于需要良好散熱的焊盤(pán)如MOSFET的漏極則應(yīng)該直接連接不用熱焊盤(pán)。這時(shí)候需要用回流焊而不是手工焊。4.4 銅皮與走線(xiàn)的安全間距敷銅與走線(xiàn)之間需要保持足夠的安全間距防止短路和爬電。間距的大小取決于工作電壓和環(huán)境污染等級(jí)。根據(jù)IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于30V以下的低壓電路最小間距0.1mm即可。對(duì)于30V到100V建議0.2mm。對(duì)于100V到300V建議0.5mm以上。在實(shí)際設(shè)計(jì)中我通常會(huì)在低壓數(shù)字電路中設(shè)置0.2mm的間距在電源電路中設(shè)置0.5mm在高壓區(qū)域設(shè)置1mm以上。間距過(guò)小會(huì)增加短路風(fēng)險(xiǎn)間距過(guò)大則浪費(fèi)板面空間。注意在A(yíng)D中設(shè)置敷銅間距時(shí)可以在Design Rules中配置Clearance規(guī)則針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)置不同的間距。建議為GND網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)設(shè)置規(guī)則避免與其他網(wǎng)絡(luò)沖突。5. 典型場(chǎng)景的敷銅決策實(shí)例5.1 反激式開(kāi)關(guān)電源PCB的敷銅策略反激式開(kāi)關(guān)電源的敷銅需要特別小心。以一塊24V輸入、5V/2A輸出的反激電源為例關(guān)鍵區(qū)域包括輸入濾波區(qū)域建議敷銅。輸入電容、共模電感周?chē)佋O(shè)GND銅皮可以減小輸入環(huán)路面積降低傳導(dǎo)騷擾。RCD吸收電路不建議大面積敷銅。吸收電路中的節(jié)點(diǎn)電壓跳變劇烈敷銅會(huì)引入渦流損耗。變壓器區(qū)域變壓器下方建議凈空。變壓器是主要的輻射源下方鋪銅會(huì)形成耦合路徑。輸出整流區(qū)域建議敷銅。輸出電流較大敷銅可以降低阻抗和散熱。反饋電路區(qū)域謹(jǐn)慎敷銅。反饋?zhàn)呔€(xiàn)對(duì)噪聲敏感周?chē)併~可能引入干擾。我實(shí)際調(diào)試過(guò)的一塊反激電源最初在變壓器下方鋪了GND銅皮結(jié)果輻射在100MHz處超標(biāo)6dB。去掉變壓器下方的銅皮后輻射下降了4dB再優(yōu)化吸收電路參數(shù)后通過(guò)測(cè)試。5.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的敷銅取舍電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的特點(diǎn)是電流大、噪聲強(qiáng)。以一塊24V/10A的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板為例功率級(jí)區(qū)域建議敷銅但要注意電流流向。MOSFET和續(xù)流二極管周?chē)佋O(shè)大面積銅皮可以散熱和降低阻抗。電流采樣區(qū)域謹(jǐn)慎敷銅。采樣電阻的走線(xiàn)需要開(kāi)爾文連接周?chē)併~可能引入噪聲。控制信號(hào)區(qū)域建議敷銅。MCU和驅(qū)動(dòng)芯片周?chē)佋O(shè)GND銅皮可以提高抗干擾能力。電機(jī)接口區(qū)域不建議敷銅。電機(jī)引線(xiàn)是主要的輻射源接口附近鋪銅會(huì)形成天線(xiàn)效應(yīng)。有一個(gè)細(xì)節(jié)容易被忽視電機(jī)驅(qū)動(dòng)板上的GND銅皮如果被大電流走線(xiàn)分割不同區(qū)域之間的地電位可能不同導(dǎo)致控制信號(hào)誤觸發(fā)。解決方法是確保GND銅皮完整或者在分割處用磁珠或0Ω電阻連接。5.3 四層板層疊與敷銅的配合四層板的層疊設(shè)計(jì)直接影響敷銅效果。常見(jiàn)的層疊方案有層疊方案頂層第二層第三層底層適用場(chǎng)景方案A信號(hào)GND電源信號(hào)通用數(shù)字電路方案B信號(hào)GND信號(hào)電源高速數(shù)字電路方案CGND信號(hào)信號(hào)電源射頻電路方案D信號(hào)電源GND信號(hào)混合信號(hào)電路方案A是最常用的GND平面完整回流路徑好。方案B中第三層也是信號(hào)層需要確保信號(hào)走線(xiàn)不跨越GND平面的分割區(qū)域。方案C中頂層是GND適合射頻電路可以提供良好的屏蔽。方案D中電源平面在第二層GND在第三層適合模擬數(shù)字混合電路。選擇層疊方案時(shí)核心原則是高速信號(hào)層必須緊鄰?fù)暾腉ND平面。如果做不到敷銅的效果會(huì)大打折扣。5.4 快速敷銅腳本與自動(dòng)化工具的使用在A(yíng)D中手動(dòng)敷銅效率很低特別是對(duì)于復(fù)雜板子?？梢允褂媚_本或自動(dòng)化工具來(lái)加速。AD支持通過(guò)腳本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)敷銅?；舅悸肥沁x擇需要敷銅的區(qū)域設(shè)置敷銅網(wǎng)絡(luò)為GND設(shè)置敷銅參數(shù)間距、熱焊盤(pán)、過(guò)孔縫合等執(zhí)行敷銅命令一個(gè)簡(jiǎn)單的AD腳本示例Delphi Scriptprocedure BatchPolygon; var Board : IPCB_Board; Polygon : IPCB_Polygon; i : Integer; begin Board : PCBServer.GetCurrentPCBBoard; if Board nil then Exit; for i : 0 to Board.PolygonCount - 1 do begin Polygon : Board.Polygons(i); Polygon.Net : Board.NetList.AddNet(GND); Polygon.ReassignNet; end; Board.ViewManager_FullUpdate; end;這個(gè)腳本的作用是將所有敷銅的網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一設(shè)置為GND。實(shí)際使用中還需要根據(jù)板子情況調(diào)整敷銅參數(shù)。對(duì)于嘉立創(chuàng)EDA用戶(hù)也有類(lèi)似的批量敷銅功能。在“工具”菜單中找到“敷銅”選項(xiàng)可以設(shè)置敷銅層、網(wǎng)絡(luò)、間距等參數(shù)。嘉立創(chuàng)EDA還提供了阻抗計(jì)算器可以幫助計(jì)算走線(xiàn)寬度和間距。提示自動(dòng)化腳本雖然方便但敷銅結(jié)果仍需人工檢查。特別是熱焊盤(pán)、過(guò)孔縫合、銅皮孤島等問(wèn)題腳本往往處理不好。建議腳本執(zhí)行后用DRC檢查并手動(dòng)修復(fù)。6. 敷銅后的驗(yàn)證與常見(jiàn)問(wèn)題排查6.1 用DRC和DFM檢查敷銅質(zhì)量敷銅完成后必須進(jìn)行DRC設(shè)計(jì)規(guī)則檢查和DFM可制造性設(shè)計(jì)檢查。常見(jiàn)的敷銅問(wèn)題包括銅皮孤島銅皮被走線(xiàn)分割成孤立區(qū)域沒(méi)有連接到GND。這些孤島會(huì)成為天線(xiàn)必須刪除或連接。熱焊盤(pán)連接不良輻條寬度不足或數(shù)量不夠?qū)е潞附永щy或連接不可靠。間距違規(guī)銅皮與走線(xiàn)或焊盤(pán)間距小于規(guī)則要求可能導(dǎo)致短路。過(guò)孔縫合不足銅皮各層之間連接阻抗過(guò)高影響回流路徑。在A(yíng)D中可以通過(guò)“Tools - Design Rule Check”執(zhí)行DRC。對(duì)于銅皮孤島AD提供了“Remove Dead Copper”選項(xiàng)可以自動(dòng)刪除未連接的銅皮。但要注意有些孤島可能是故意保留的如散熱焊盤(pán)需要手動(dòng)確認(rèn)。6.2 敷銅導(dǎo)致EMC測(cè)試失敗的排查思路如果敷銅后EMC測(cè)試失敗可以按照以下步驟排查確認(rèn)失敗頻段不同頻段對(duì)應(yīng)不同的問(wèn)題。30MHz到100MHz通常是開(kāi)關(guān)電源和時(shí)鐘諧波100MHz到300MHz通常是高速信號(hào)回流問(wèn)題300MHz以上通常是寄生參數(shù)和天線(xiàn)效應(yīng)。對(duì)比鋪銅前后如果鋪銅后輻射增加說(shuō)明銅皮引入了新的輻射路徑。重點(diǎn)檢查銅皮是否完整、是否有孤島、是否形成了天線(xiàn)。檢查回流路徑用近場(chǎng)探頭掃描板面找到輻射熱點(diǎn)。如果熱點(diǎn)在銅皮邊緣說(shuō)明銅皮邊緣輻射強(qiáng)需要增加縫合過(guò)孔或調(diào)整銅皮形狀。檢查開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)如果熱點(diǎn)在開(kāi)關(guān)電源區(qū)域檢查SW節(jié)點(diǎn)是否鋪銅。SW節(jié)點(diǎn)鋪銅是常見(jiàn)的輻射源。檢查晶振和時(shí)鐘如果熱點(diǎn)在晶振附近檢查晶振周?chē)欠皲併~。晶振周?chē)併~可能導(dǎo)致頻率偏移和輻射增加。我遇到過(guò)一塊板子鋪銅后輻射在150MHz處超標(biāo)。用近場(chǎng)探頭掃描發(fā)現(xiàn)輻射熱點(diǎn)在板子邊緣的GND銅皮上。原因是銅皮邊緣沒(méi)有縫合過(guò)孔形成了邊緣輻射。在邊緣每隔5mm放置縫合過(guò)孔后輻射下降了8dB。6.3 銅皮與金屬殼體之間加電容的爭(zhēng)議這是一個(gè)經(jīng)常被討論的話(huà)題PCB的GND銅皮與金屬殼體之間加一個(gè)大電容到底有沒(méi)有用從原理上講這個(gè)電容的作用是提供一個(gè)高頻低阻抗路徑將PCB上的高頻噪聲旁路到金屬殼體。金屬殼體相當(dāng)于一個(gè)大的參考地可以吸收高頻能量。但實(shí)際效果取決于幾個(gè)因素電容的等效串聯(lián)電感ESL大電容通常ESL較大高頻旁路效果差。建議并聯(lián)一個(gè)小電容如100pF到1nF提供高頻路徑。殼體的接地方式如果金屬殼體沒(méi)有良好接地加電容反而可能引入干擾。噪聲頻率電容對(duì)低頻噪聲有效對(duì)高頻噪聲效果有限。高頻噪聲更適合用屏蔽或吸收材料處理。我的經(jīng)驗(yàn)是如果金屬殼體已經(jīng)良好接地加一個(gè)1nF到10nF的電容在GND和殼體之間對(duì)100MHz以下的噪聲有一定效果。但對(duì)于更高的頻率需要配合屏蔽材料或調(diào)整敷銅策略。6.4 敷銅與阻抗測(cè)試的交叉驗(yàn)證對(duì)于射頻和高速信號(hào)敷銅后需要驗(yàn)證特征阻抗是否仍然符合要求。可以使用TDR時(shí)域反射計(jì)測(cè)試走線(xiàn)阻抗。測(cè)試方法是在走線(xiàn)一端注入一個(gè)快速上升沿信號(hào)測(cè)量反射波形。根據(jù)反射系數(shù)計(jì)算阻抗Z Z0 × (1 Γ) / (1 - Γ)其中Γ是反射系數(shù)Z0是參考阻抗通常50Ω。如果敷銅后阻抗偏離設(shè)計(jì)值超過(guò)10%需要調(diào)整走線(xiàn)寬度或敷銅間距。在A(yíng)D中可以使用“Layer Stack Manager”和“Impedance Calculator”工具進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。對(duì)于嘉立創(chuàng)EDA用戶(hù)嘉立創(chuàng)提供了阻抗計(jì)算神器可以根據(jù)層疊結(jié)構(gòu)和銅厚計(jì)算走線(xiàn)寬度。建議在敷銅前先用工具計(jì)算敷銅后再用TDR驗(yàn)證。7. 我的敷銅決策清單與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)經(jīng)過(guò)這么多年的項(xiàng)目實(shí)踐我總結(jié)了一套敷銅決策清單每次設(shè)計(jì)新板子時(shí)都會(huì)過(guò)一遍第一步明確板子的核心需求是高速數(shù)字電路還是低頻模擬電路是功率電路還是信號(hào)電路EMC要求是Class A還是Class B成本敏感還是性能優(yōu)先第二步判斷敷銅的必要性如果信號(hào)頻率超過(guò)50MHz或者上升沿小于1ns優(yōu)先考慮敷銅。如果有大電流或散熱需求優(yōu)先考慮敷銅。如果是射頻電路嚴(yán)格按照阻抗設(shè)計(jì)不隨意敷銅。如果是開(kāi)關(guān)電源SW節(jié)點(diǎn)和變壓器區(qū)域不敷銅。第三步選擇敷銅策略?xún)蓪影灞M量保持GND銅皮完整用縫合過(guò)孔連接頂層和底層。四層板確保GND平面完整信號(hào)層緊鄰GND平面?；旌闲盘?hào)板模擬區(qū)域和數(shù)字區(qū)域分開(kāi)敷銅單點(diǎn)連接。第四步敷銅后的檢查DRC檢查確認(rèn)無(wú)間距違規(guī)、無(wú)孤島。熱焊盤(pán)檢查確認(rèn)焊接不會(huì)困難。過(guò)孔縫合檢查確認(rèn)間距合理。EMC預(yù)測(cè)試如果有條件用近場(chǎng)探頭掃描。第五步實(shí)測(cè)驗(yàn)證如果EMC測(cè)試失敗按照頻段排查。如果阻抗偏離調(diào)整走線(xiàn)或敷銅。如果溫升過(guò)高增加銅皮面積或銅厚。最后分享一個(gè)我踩過(guò)的坑有一次做一塊四層板GND平面被電源走線(xiàn)分割成了幾個(gè)區(qū)域我沒(méi)有在意。結(jié)果板子工作不穩(wěn)定MCU偶爾復(fù)位。后來(lái)用示波器測(cè)量不同區(qū)域的GND電位發(fā)現(xiàn)差異達(dá)到200mV。在分割處用0Ω電阻連接后問(wèn)題解決。從那以后我養(yǎng)成了一個(gè)習(xí)慣每次敷銅后都要檢查GND平面的完整性確保沒(méi)有關(guān)鍵信號(hào)跨越分割區(qū)域。敷銅這件事說(shuō)到底是一個(gè)權(quán)衡。沒(méi)有絕對(duì)的對(duì)錯(cuò)只有適合不適合。理解原理結(jié)合實(shí)際需求多做測(cè)試慢慢就能形成自己的判斷。希望這些經(jīng)驗(yàn)?zāi)軒湍闵僮咭恍澛贰? PCB敷銅的利弊與實(shí)戰(zhàn)：何時(shí)鋪、何時(shí)不鋪
1. 敷銅不是萬(wàn)能藥先搞清楚它到底在干什么剛?cè)胄心菚?huì)兒我一度以為PCB上的銅皮越多越好凡是空白區(qū)域全給它鋪上GND銅看起來(lái)又專(zhuān)業(yè)又“抗干擾”。直到有一次做一塊24V直流電源輸入的小板子鋪完銅之后EMC測(cè)試反而比不鋪還差輻射騷擾在30MHz到100MHz之間冒出一堆尖峰折騰了整整兩天才定位到問(wèn)題——就是那塊“好心”鋪上去的銅在作怪。敷銅這件事本質(zhì)上是在PCB的空白區(qū)域填充大面積銅箔通常連接到GND網(wǎng)絡(luò)也有少數(shù)情況連接到電源網(wǎng)絡(luò)或其他特定網(wǎng)絡(luò)。它的作用不是單一的而是多個(gè)效應(yīng)疊加在一起的結(jié)果。理解這些效應(yīng)才能判斷什么情況下該鋪、什么情況下不該鋪。敷銅的核心作用可以歸納為四類(lèi)提供低阻抗回流路徑高頻信號(hào)的回流電流總是走阻抗最小的路徑大面積GND銅皮可以為回流電流提供緊貼信號(hào)走線(xiàn)的返回通道減小環(huán)路面積從而降低電磁輻射。輔助散熱銅的導(dǎo)熱系數(shù)約為400 W/(m·K)大面積銅皮可以有效將發(fā)熱元器件的熱量分散到板面降低局部溫升。增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度對(duì)于薄板或大面積板銅皮可以在一定程度上改善板的剛性減少翹曲。屏蔽與隔離在敏感信號(hào)之間或模塊之間鋪設(shè)接地銅皮可以起到一定的電場(chǎng)屏蔽作用減小串?dāng)_。但問(wèn)題在于這些作用都是有條件的。敷銅不是“鋪了就靈”鋪得不對(duì)反而會(huì)引入寄生電容、形成天線(xiàn)效應(yīng)、導(dǎo)致渦流損耗甚至讓EMC性能惡化。下面這張表可以先幫你建立一個(gè)快速判斷的框架場(chǎng)景建議敷銅主要原因高頻數(shù)字電路50MHz建議提供回流路徑減小環(huán)路面積開(kāi)關(guān)電源功率級(jí)謹(jǐn)慎/有條件渦流損耗、開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)耦合模擬小信號(hào)前端謹(jǐn)慎寄生電容影響阻抗可能引入噪聲大電流功率走線(xiàn)區(qū)域建議散熱、降低阻抗晶振、時(shí)鐘區(qū)域不建議直接鋪寄生電容改變振蕩頻率天線(xiàn)饋線(xiàn)附近嚴(yán)格按設(shè)計(jì)影響特征阻抗電機(jī)驅(qū)動(dòng)板謹(jǐn)慎大電流切換產(chǎn)生渦流和輻射四層板內(nèi)層通常建議作為參考平面使用這張表只是一個(gè)大方向的參考實(shí)際項(xiàng)目中還需要結(jié)合層疊結(jié)構(gòu)、信號(hào)頻率、電流大小、EMC要求等因素綜合判斷。接下來(lái)我會(huì)逐層拆解把“該鋪”和“不該鋪”的邊界條件講清楚。2. 什么情況下敷銅是明智之舉2.1 高頻數(shù)字電路中的回流路徑需求這是敷銅最經(jīng)典的應(yīng)用場(chǎng)景。當(dāng)信號(hào)頻率超過(guò)50MHz或者上升沿時(shí)間小于1ns時(shí)信號(hào)回流電流不再走最短幾何路徑而是走最小電感路徑——也就是緊貼在信號(hào)走線(xiàn)下方的參考平面。在兩層板上如果沒(méi)有完整的GND平面回流電流只能通過(guò)其他路徑返回環(huán)路面積可能非常大。假設(shè)一條信號(hào)走線(xiàn)長(zhǎng)5cm回流路徑偏離2cm環(huán)路面積就是1cm2。根據(jù)電磁輻射公式輻射強(qiáng)度與環(huán)路面積成正比與頻率的平方成正比。在100MHz時(shí)這個(gè)環(huán)路足以產(chǎn)生超過(guò)Class B限值的輻射。敷銅之后如果GND銅皮能夠緊貼信號(hào)走線(xiàn)下方兩層板中通常做不到完全緊貼但至少可以減小環(huán)路回流路徑的環(huán)路面積可以縮小一個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)測(cè)中一塊兩層板在鋪銅前后100MHz處的輻射峰值可以相差6到10dB。注意兩層板的敷銅效果遠(yuǎn)不如四層板。四層板中信號(hào)層緊鄰GND平面回流路徑幾乎完全受控。兩層板中信號(hào)層和GND層在同一面或相鄰面回流路徑仍然需要繞行效果有限。如果EMC要求嚴(yán)格優(yōu)先考慮四層板而不是依賴(lài)兩層板敷銅。2.2 大電流和散熱需求下的銅皮設(shè)計(jì)功率電路中最常見(jiàn)的敷銅理由是散熱。以一塊24V/5A的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板為例MOSFET的導(dǎo)通電阻假設(shè)為10mΩ導(dǎo)通損耗就是0.25W。如果沒(méi)有足夠的銅皮散熱MOSFET的結(jié)溫可能迅速升高。銅皮在這里的作用相當(dāng)于一個(gè)散熱器將熱量從器件焊盤(pán)傳導(dǎo)到更大的面積上。計(jì)算銅皮散熱能力時(shí)可以用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式估算溫升 功耗 / (銅皮面積 × 散熱系數(shù))其中散熱系數(shù)對(duì)于1oz銅厚、自然對(duì)流條件約為0.5到1.0 mW/(cm2·°C)。假設(shè)功耗0.25W允許溫升40°C則需要的銅皮面積約為0.25W / (0.5mW/(cm2·°C) × 40°C) 12.5 cm2也就是說(shuō)至少需要12.5平方厘米的銅皮面積來(lái)散熱。這個(gè)面積可以通過(guò)在MOSFET周?chē)佋O(shè)大面積GND銅皮來(lái)實(shí)現(xiàn)同時(shí)用多個(gè)過(guò)孔將熱量傳導(dǎo)到背面銅皮。大電流走線(xiàn)也常常用敷銅來(lái)降低阻抗。1oz銅厚、1mm寬的走線(xiàn)在20°C時(shí)電阻約為0.5mΩ/mm。如果電流是5A1cm長(zhǎng)的走線(xiàn)壓降就是2.5mV功耗12.5mW?？雌饋?lái)不大但如果走線(xiàn)更長(zhǎng)或者電流更大壓降和功耗就會(huì)顯著增加。用敷銅代替細(xì)走線(xiàn)可以有效降低阻抗。2.3 四層板中內(nèi)層平面的不可替代性四層板的標(biāo)準(zhǔn)層疊通常是頂層信號(hào) / GND平面 / 電源平面 / 底層信號(hào)。這里的GND平面和電源平面本質(zhì)上就是大面積敷銅但它們是完整的、不被分割的。四層板中敷銅的價(jià)值在于特征阻抗可控微帶線(xiàn)或帶狀線(xiàn)的特征阻抗取決于走線(xiàn)與參考平面的距離和介質(zhì)常數(shù)。沒(méi)有完整參考平面阻抗無(wú)法控制?；亓髀窂阶疃绦盘?hào)層緊鄰GND平面回流電流直接在正下方流動(dòng)環(huán)路面積趨近于零。電源完整性好電源平面和GND平面之間形成平板電容高頻去耦效果優(yōu)于離散電容。我做過(guò)一個(gè)對(duì)比測(cè)試同樣的DDR3接口電路兩層板敷銅方案和四層板方案在200MHz處的輻射差異超過(guò)15dB。四層板的成本雖然高一些但在高速數(shù)字電路中幾乎是必須的。2.4 屏蔽敏感信號(hào)與隔離干擾源在混合信號(hào)板中模擬前端和數(shù)字電路共存時(shí)敷銅可以起到隔離作用。具體做法是在模擬區(qū)域和數(shù)字區(qū)域之間鋪設(shè)一條GND銅皮“隔離帶”寬度通常不小于3mm并且用多個(gè)過(guò)孔連接到GND平面。這種隔離帶的原理是數(shù)字電路的高頻噪聲通過(guò)空間耦合到模擬區(qū)域GND銅皮可以吸收部分電場(chǎng)能量減小耦合。但要注意隔離帶必須真正接地否則反而會(huì)成為天線(xiàn)。另一個(gè)場(chǎng)景是晶振區(qū)域。晶振是敏感器件周?chē)佋O(shè)GND銅皮并接地可以屏蔽外部干擾。但晶振焊盤(pán)本身不要直接鋪銅否則寄生電容會(huì)改變振蕩頻率。正確的做法是在晶振周?chē)併~但焊盤(pán)和走線(xiàn)區(qū)域保持凈空。3. 什么情況下敷銅會(huì)幫倒忙3.1 開(kāi)關(guān)電源中的渦流損耗問(wèn)題這是最容易被忽視的坑。開(kāi)關(guān)電源的功率級(jí)中開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)SW節(jié)點(diǎn)的電壓在短時(shí)間內(nèi)大幅跳變dv/dt非常高。如果SW節(jié)點(diǎn)附近有大面積GND銅皮銅皮中會(huì)產(chǎn)生渦流導(dǎo)致額外的損耗和輻射。具體機(jī)理是這樣的SW節(jié)點(diǎn)的電壓跳變通過(guò)寄生電容耦合到GND銅皮在銅皮中形成渦流電流。這個(gè)渦流電流又會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)反過(guò)來(lái)加劇輻射。同時(shí)渦流損耗會(huì)降低電源效率。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一塊反激式開(kāi)關(guān)電源板在SW節(jié)點(diǎn)下方鋪銅和不鋪銅對(duì)比效率相差約1.5%輻射在50MHz到150MHz之間相差3到5dB。對(duì)于效率要求高的場(chǎng)合這個(gè)差異不可忽視。正確的做法是SW節(jié)點(diǎn)區(qū)域保持凈空不鋪銅。如果需要散熱可以用小面積的銅皮連接到SW節(jié)點(diǎn)本身作為散熱焊盤(pán)但不要連接到GND。3.2 晶振和高阻抗節(jié)點(diǎn)的寄生電容效應(yīng)晶振電路對(duì)寄生電容極其敏感。一個(gè)32.768kHz的晶振負(fù)載電容通常只有12.5pF。如果在晶振走線(xiàn)旁邊鋪了GND銅皮走線(xiàn)與銅皮之間的寄生電容可能達(dá)到幾個(gè)pF直接改變晶振的負(fù)載電容導(dǎo)致頻率偏移甚至不起振。類(lèi)似的問(wèn)題也出現(xiàn)在高阻抗節(jié)點(diǎn)上。比如運(yùn)放的輸入端阻抗可能高達(dá)兆歐級(jí)別。GND銅皮與高阻抗走線(xiàn)之間的寄生電容會(huì)形成低通濾波器影響信號(hào)帶寬甚至引入噪聲。提示晶振區(qū)域和運(yùn)放輸入端的處理原則是“最小化寄生電容”。走線(xiàn)盡量短周?chē)讳併~必要時(shí)可以在走線(xiàn)下方挖空GND平面。3.3 天線(xiàn)效應(yīng)當(dāng)銅皮變成輻射源敷銅如果處理不當(dāng)會(huì)變成一根“天線(xiàn)”。最常見(jiàn)的情況是銅皮一端接地另一端懸空。這個(gè)懸空的銅皮就像一根單極天線(xiàn)會(huì)接收和輻射電磁能量。另一種情況是銅皮被分割成多個(gè)孤島每個(gè)孤島都可能成為獨(dú)立的輻射源。特別是在兩層板中如果GND銅皮不完整被走線(xiàn)切割成多個(gè)區(qū)域這些區(qū)域之間的連接阻抗很高高頻下相當(dāng)于多個(gè)獨(dú)立的天線(xiàn)。避免天線(xiàn)效應(yīng)的關(guān)鍵是確保GND銅皮完整、連續(xù)、多點(diǎn)接地。如果銅皮被分割必須用足夠的過(guò)孔或走線(xiàn)將各部分連接在一起。對(duì)于兩層板建議在銅皮的關(guān)鍵位置放置過(guò)孔將頂層和底層的GND銅皮縫合在一起。3.4 阻抗失配敷銅對(duì)特征阻抗的影響在射頻和高速信號(hào)中特征阻抗是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。敷銅會(huì)改變走線(xiàn)與參考平面之間的距離和介質(zhì)環(huán)境從而影響特征阻抗。以微帶線(xiàn)為例特征阻抗公式近似為Z0 ≈ 87 / sqrt(εr 1.41) × ln(5.98H / (0.8W T))其中εr是介質(zhì)常數(shù)H是走線(xiàn)到參考平面的距離W是走線(xiàn)寬度T是銅厚。如果在走線(xiàn)旁邊鋪了GND銅皮相當(dāng)于改變了等效介質(zhì)常數(shù)和邊緣場(chǎng)分布特征阻抗會(huì)下降。對(duì)于50Ω的微帶線(xiàn)旁邊鋪銅后阻抗可能降到45Ω甚至更低。在射頻電路中這種失配會(huì)導(dǎo)致反射損耗增加駐波比變差。正確的做法是射頻走線(xiàn)按照阻抗計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)周?chē)３謨艨詹讳併~。如果需要屏蔽使用接地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)但必須重新計(jì)算阻抗。4. 敷銅的實(shí)操細(xì)節(jié)從參數(shù)計(jì)算到過(guò)孔布置4.1 銅厚選擇與載流能力計(jì)算敷銅的銅厚通常用盎司oz表示1oz約等于35μm。常見(jiàn)的銅厚有0.5oz、1oz、2oz、3oz等。銅厚的選擇取決于電流大小和散熱需求。載流能力的經(jīng)驗(yàn)公式是I k × ΔT^0.44 × A^0.725其中I是電流AΔT是允許溫升°CA是銅皮截面積mil2k是系數(shù)外層走線(xiàn)k0.048內(nèi)層k0.024。舉例1oz銅厚走線(xiàn)寬度100mil約2.54mm截面積A 100mil × 1.37mil ≈ 137mil2。允許溫升10°C外層走線(xiàn)I 0.048 × 10^0.44 × 137^0.725 ≈ 0.048 × 2.75 × 34.5 ≈ 4.55A也就是說(shuō)100mil寬的1oz銅走線(xiàn)溫升10°C時(shí)可以承載約4.5A電流。如果電流更大需要增加銅厚或走線(xiàn)寬度。對(duì)于敷銅區(qū)域載流能力更強(qiáng)因?yàn)殂~皮面積大散熱條件好。但要注意敷銅區(qū)域的電流分布不均勻靠近電源入口的地方電流密度高遠(yuǎn)端電流密度低。必要時(shí)可以用熱仿真軟件驗(yàn)證。4.2 過(guò)孔縫合讓銅皮真正“接地”敷銅如果只在一層效果有限。多層板中需要用過(guò)孔將各層的GND銅皮連接在一起這個(gè)過(guò)程叫“縫合”?？p合過(guò)孔的作用是降低各層GND之間的阻抗為回流電流提供垂直通道抑制平面諧振縫合過(guò)孔的間距通常建議小于最高頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/20。例如最高頻率1GHz波長(zhǎng)在FR4中約為15cm1/20就是7.5mm。也就是說(shuō)縫合過(guò)孔間距不應(yīng)超過(guò)7.5mm。在實(shí)際操作中我通常會(huì)在以下位置放置縫合過(guò)孔銅皮邊緣每隔5到10mm放置一個(gè)連接器周?chē)芗胖镁д?、時(shí)鐘芯片周?chē)胖秒娫茨K輸入輸出附近放置過(guò)孔尺寸通常選擇0.3mm到0.5mm孔徑太小會(huì)增加加工成本太大占用板面空間。4.3 熱焊盤(pán)與散熱平衡敷銅連接到元器件焊盤(pán)時(shí)如果直接連接焊接時(shí)熱量會(huì)迅速散失導(dǎo)致焊接困難。特別是手工焊接時(shí)大面積銅皮會(huì)“吸走”烙鐵的熱量焊點(diǎn)難以形成。解決方法是使用熱焊盤(pán)thermal relief即用幾條細(xì)走線(xiàn)將焊盤(pán)連接到銅皮而不是直接連接。熱焊盤(pán)的熱阻較高可以減少焊接時(shí)的散熱同時(shí)在電氣上仍然保持連接。熱焊盤(pán)的參數(shù)通常包括輻條寬度一般等于焊盤(pán)寬度的1/2到1/3輻條數(shù)量通常4條均勻分布間隙輻條與銅皮之間的間隙通常0.2mm到0.5mm對(duì)于需要良好散熱的焊盤(pán)如MOSFET的漏極則應(yīng)該直接連接不用熱焊盤(pán)。這時(shí)候需要用回流焊而不是手工焊。4.4 銅皮與走線(xiàn)的安全間距敷銅與走線(xiàn)之間需要保持足夠的安全間距防止短路和爬電。間距的大小取決于工作電壓和環(huán)境污染等級(jí)。根據(jù)IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于30V以下的低壓電路最小間距0.1mm即可。對(duì)于30V到100V建議0.2mm。對(duì)于100V到300V建議0.5mm以上。在實(shí)際設(shè)計(jì)中我通常會(huì)在低壓數(shù)字電路中設(shè)置0.2mm的間距在電源電路中設(shè)置0.5mm在高壓區(qū)域設(shè)置1mm以上。間距過(guò)小會(huì)增加短路風(fēng)險(xiǎn)間距過(guò)大則浪費(fèi)板面空間。注意在A(yíng)D中設(shè)置敷銅間距時(shí)可以在Design Rules中配置Clearance規(guī)則針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)置不同的間距。建議為GND網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)設(shè)置規(guī)則避免與其他網(wǎng)絡(luò)沖突。5. 典型場(chǎng)景的敷銅決策實(shí)例5.1 反激式開(kāi)關(guān)電源PCB的敷銅策略反激式開(kāi)關(guān)電源的敷銅需要特別小心。以一塊24V輸入、5V/2A輸出的反激電源為例關(guān)鍵區(qū)域包括輸入濾波區(qū)域建議敷銅。輸入電容、共模電感周?chē)佋O(shè)GND銅皮可以減小輸入環(huán)路面積降低傳導(dǎo)騷擾。RCD吸收電路不建議大面積敷銅。吸收電路中的節(jié)點(diǎn)電壓跳變劇烈敷銅會(huì)引入渦流損耗。變壓器區(qū)域變壓器下方建議凈空。變壓器是主要的輻射源下方鋪銅會(huì)形成耦合路徑。輸出整流區(qū)域建議敷銅。輸出電流較大敷銅可以降低阻抗和散熱。反饋電路區(qū)域謹(jǐn)慎敷銅。反饋?zhàn)呔€(xiàn)對(duì)噪聲敏感周?chē)併~可能引入干擾。我實(shí)際調(diào)試過(guò)的一塊反激電源最初在變壓器下方鋪了GND銅皮結(jié)果輻射在100MHz處超標(biāo)6dB。去掉變壓器下方的銅皮后輻射下降了4dB再優(yōu)化吸收電路參數(shù)后通過(guò)測(cè)試。5.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的敷銅取舍電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的特點(diǎn)是電流大、噪聲強(qiáng)。以一塊24V/10A的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板為例功率級(jí)區(qū)域建議敷銅但要注意電流流向。MOSFET和續(xù)流二極管周?chē)佋O(shè)大面積銅皮可以散熱和降低阻抗。電流采樣區(qū)域謹(jǐn)慎敷銅。采樣電阻的走線(xiàn)需要開(kāi)爾文連接周?chē)併~可能引入噪聲。控制信號(hào)區(qū)域建議敷銅。MCU和驅(qū)動(dòng)芯片周?chē)佋O(shè)GND銅皮可以提高抗干擾能力。電機(jī)接口區(qū)域不建議敷銅。電機(jī)引線(xiàn)是主要的輻射源接口附近鋪銅會(huì)形成天線(xiàn)效應(yīng)。有一個(gè)細(xì)節(jié)容易被忽視電機(jī)驅(qū)動(dòng)板上的GND銅皮如果被大電流走線(xiàn)分割不同區(qū)域之間的地電位可能不同導(dǎo)致控制信號(hào)誤觸發(fā)。解決方法是確保GND銅皮完整或者在分割處用磁珠或0Ω電阻連接。5.3 四層板層疊與敷銅的配合四層板的層疊設(shè)計(jì)直接影響敷銅效果。常見(jiàn)的層疊方案有層疊方案頂層第二層第三層底層適用場(chǎng)景方案A信號(hào)GND電源信號(hào)通用數(shù)字電路方案B信號(hào)GND信號(hào)電源高速數(shù)字電路方案CGND信號(hào)信號(hào)電源射頻電路方案D信號(hào)電源GND信號(hào)混合信號(hào)電路方案A是最常用的GND平面完整回流路徑好。方案B中第三層也是信號(hào)層需要確保信號(hào)走線(xiàn)不跨越GND平面的分割區(qū)域。方案C中頂層是GND適合射頻電路可以提供良好的屏蔽。方案D中電源平面在第二層GND在第三層適合模擬數(shù)字混合電路。選擇層疊方案時(shí)核心原則是高速信號(hào)層必須緊鄰?fù)暾腉ND平面。如果做不到敷銅的效果會(huì)大打折扣。5.4 快速敷銅腳本與自動(dòng)化工具的使用在A(yíng)D中手動(dòng)敷銅效率很低特別是對(duì)于復(fù)雜板子?？梢允褂媚_本或自動(dòng)化工具來(lái)加速。AD支持通過(guò)腳本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)敷銅?；舅悸肥沁x擇需要敷銅的區(qū)域設(shè)置敷銅網(wǎng)絡(luò)為GND設(shè)置敷銅參數(shù)間距、熱焊盤(pán)、過(guò)孔縫合等執(zhí)行敷銅命令一個(gè)簡(jiǎn)單的AD腳本示例Delphi Scriptprocedure BatchPolygon; var Board : IPCB_Board; Polygon : IPCB_Polygon; i : Integer; begin Board : PCBServer.GetCurrentPCBBoard; if Board nil then Exit; for i : 0 to Board.PolygonCount - 1 do begin Polygon : Board.Polygons(i); Polygon.Net : Board.NetList.AddNet(GND); Polygon.ReassignNet; end; Board.ViewManager_FullUpdate; end;這個(gè)腳本的作用是將所有敷銅的網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一設(shè)置為GND。實(shí)際使用中還需要根據(jù)板子情況調(diào)整敷銅參數(shù)。對(duì)于嘉立創(chuàng)EDA用戶(hù)也有類(lèi)似的批量敷銅功能。在“工具”菜單中找到“敷銅”選項(xiàng)可以設(shè)置敷銅層、網(wǎng)絡(luò)、間距等參數(shù)。嘉立創(chuàng)EDA還提供了阻抗計(jì)算器可以幫助計(jì)算走線(xiàn)寬度和間距。提示自動(dòng)化腳本雖然方便但敷銅結(jié)果仍需人工檢查。特別是熱焊盤(pán)、過(guò)孔縫合、銅皮孤島等問(wèn)題腳本往往處理不好。建議腳本執(zhí)行后用DRC檢查并手動(dòng)修復(fù)。6. 敷銅后的驗(yàn)證與常見(jiàn)問(wèn)題排查6.1 用DRC和DFM檢查敷銅質(zhì)量敷銅完成后必須進(jìn)行DRC設(shè)計(jì)規(guī)則檢查和DFM可制造性設(shè)計(jì)檢查。常見(jiàn)的敷銅問(wèn)題包括銅皮孤島銅皮被走線(xiàn)分割成孤立區(qū)域沒(méi)有連接到GND。這些孤島會(huì)成為天線(xiàn)必須刪除或連接。熱焊盤(pán)連接不良輻條寬度不足或數(shù)量不夠?qū)е潞附永щy或連接不可靠。間距違規(guī)銅皮與走線(xiàn)或焊盤(pán)間距小于規(guī)則要求可能導(dǎo)致短路。過(guò)孔縫合不足銅皮各層之間連接阻抗過(guò)高影響回流路徑。在A(yíng)D中可以通過(guò)“Tools - Design Rule Check”執(zhí)行DRC。對(duì)于銅皮孤島AD提供了“Remove Dead Copper”選項(xiàng)可以自動(dòng)刪除未連接的銅皮。但要注意有些孤島可能是故意保留的如散熱焊盤(pán)需要手動(dòng)確認(rèn)。6.2 敷銅導(dǎo)致EMC測(cè)試失敗的排查思路如果敷銅后EMC測(cè)試失敗可以按照以下步驟排查確認(rèn)失敗頻段不同頻段對(duì)應(yīng)不同的問(wèn)題。30MHz到100MHz通常是開(kāi)關(guān)電源和時(shí)鐘諧波100MHz到300MHz通常是高速信號(hào)回流問(wèn)題300MHz以上通常是寄生參數(shù)和天線(xiàn)效應(yīng)。對(duì)比鋪銅前后如果鋪銅后輻射增加說(shuō)明銅皮引入了新的輻射路徑。重點(diǎn)檢查銅皮是否完整、是否有孤島、是否形成了天線(xiàn)。檢查回流路徑用近場(chǎng)探頭掃描板面找到輻射熱點(diǎn)。如果熱點(diǎn)在銅皮邊緣說(shuō)明銅皮邊緣輻射強(qiáng)需要增加縫合過(guò)孔或調(diào)整銅皮形狀。檢查開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)如果熱點(diǎn)在開(kāi)關(guān)電源區(qū)域檢查SW節(jié)點(diǎn)是否鋪銅。SW節(jié)點(diǎn)鋪銅是常見(jiàn)的輻射源。檢查晶振和時(shí)鐘如果熱點(diǎn)在晶振附近檢查晶振周?chē)欠皲併~。晶振周?chē)併~可能導(dǎo)致頻率偏移和輻射增加。我遇到過(guò)一塊板子鋪銅后輻射在150MHz處超標(biāo)。用近場(chǎng)探頭掃描發(fā)現(xiàn)輻射熱點(diǎn)在板子邊緣的GND銅皮上。原因是銅皮邊緣沒(méi)有縫合過(guò)孔形成了邊緣輻射。在邊緣每隔5mm放置縫合過(guò)孔后輻射下降了8dB。6.3 銅皮與金屬殼體之間加電容的爭(zhēng)議這是一個(gè)經(jīng)常被討論的話(huà)題PCB的GND銅皮與金屬殼體之間加一個(gè)大電容到底有沒(méi)有用從原理上講這個(gè)電容的作用是提供一個(gè)高頻低阻抗路徑將PCB上的高頻噪聲旁路到金屬殼體。金屬殼體相當(dāng)于一個(gè)大的參考地可以吸收高頻能量。但實(shí)際效果取決于幾個(gè)因素電容的等效串聯(lián)電感ESL大電容通常ESL較大高頻旁路效果差。建議并聯(lián)一個(gè)小電容如100pF到1nF提供高頻路徑。殼體的接地方式如果金屬殼體沒(méi)有良好接地加電容反而可能引入干擾。噪聲頻率電容對(duì)低頻噪聲有效對(duì)高頻噪聲效果有限。高頻噪聲更適合用屏蔽或吸收材料處理。我的經(jīng)驗(yàn)是如果金屬殼體已經(jīng)良好接地加一個(gè)1nF到10nF的電容在GND和殼體之間對(duì)100MHz以下的噪聲有一定效果。但對(duì)于更高的頻率需要配合屏蔽材料或調(diào)整敷銅策略。6.4 敷銅與阻抗測(cè)試的交叉驗(yàn)證對(duì)于射頻和高速信號(hào)敷銅后需要驗(yàn)證特征阻抗是否仍然符合要求。可以使用TDR時(shí)域反射計(jì)測(cè)試走線(xiàn)阻抗。測(cè)試方法是在走線(xiàn)一端注入一個(gè)快速上升沿信號(hào)測(cè)量反射波形。根據(jù)反射系數(shù)計(jì)算阻抗Z Z0 × (1 Γ) / (1 - Γ)其中Γ是反射系數(shù)Z0是參考阻抗通常50Ω。如果敷銅后阻抗偏離設(shè)計(jì)值超過(guò)10%需要調(diào)整走線(xiàn)寬度或敷銅間距。在A(yíng)D中可以使用“Layer Stack Manager”和“Impedance Calculator”工具進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。對(duì)于嘉立創(chuàng)EDA用戶(hù)嘉立創(chuàng)提供了阻抗計(jì)算神器可以根據(jù)層疊結(jié)構(gòu)和銅厚計(jì)算走線(xiàn)寬度。建議在敷銅前先用工具計(jì)算敷銅后再用TDR驗(yàn)證。7. 我的敷銅決策清單與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)經(jīng)過(guò)這么多年的項(xiàng)目實(shí)踐我總結(jié)了一套敷銅決策清單每次設(shè)計(jì)新板子時(shí)都會(huì)過(guò)一遍第一步明確板子的核心需求是高速數(shù)字電路還是低頻模擬電路是功率電路還是信號(hào)電路EMC要求是Class A還是Class B成本敏感還是性能優(yōu)先第二步判斷敷銅的必要性如果信號(hào)頻率超過(guò)50MHz或者上升沿小于1ns優(yōu)先考慮敷銅。如果有大電流或散熱需求優(yōu)先考慮敷銅。如果是射頻電路嚴(yán)格按照阻抗設(shè)計(jì)不隨意敷銅。如果是開(kāi)關(guān)電源SW節(jié)點(diǎn)和變壓器區(qū)域不敷銅。第三步選擇敷銅策略?xún)蓪影灞M量保持GND銅皮完整用縫合過(guò)孔連接頂層和底層。四層板確保GND平面完整信號(hào)層緊鄰GND平面?；旌闲盘?hào)板模擬區(qū)域和數(shù)字區(qū)域分開(kāi)敷銅單點(diǎn)連接。第四步敷銅后的檢查DRC檢查確認(rèn)無(wú)間距違規(guī)、無(wú)孤島。熱焊盤(pán)檢查確認(rèn)焊接不會(huì)困難。過(guò)孔縫合檢查確認(rèn)間距合理。EMC預(yù)測(cè)試如果有條件用近場(chǎng)探頭掃描。第五步實(shí)測(cè)驗(yàn)證如果EMC測(cè)試失敗按照頻段排查。如果阻抗偏離調(diào)整走線(xiàn)或敷銅。如果溫升過(guò)高增加銅皮面積或銅厚。最后分享一個(gè)我踩過(guò)的坑有一次做一塊四層板GND平面被電源走線(xiàn)分割成了幾個(gè)區(qū)域我沒(méi)有在意。結(jié)果板子工作不穩(wěn)定MCU偶爾復(fù)位。后來(lái)用示波器測(cè)量不同區(qū)域的GND電位發(fā)現(xiàn)差異達(dá)到200mV。在分割處用0Ω電阻連接后問(wèn)題解決。從那以后我養(yǎng)成了一個(gè)習(xí)慣每次敷銅后都要檢查GND平面的完整性確保沒(méi)有關(guān)鍵信號(hào)跨越分割區(qū)域。敷銅這件事說(shuō)到底是一個(gè)權(quán)衡。沒(méi)有絕對(duì)的對(duì)錯(cuò)只有適合不適合。理解原理結(jié)合實(shí)際需求多做測(cè)試慢慢就能形成自己的判斷。希望這些經(jīng)驗(yàn)?zāi)軒湍闵僮咭恍澛贰?