高速PCB覆銅研究

無錫機電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 劉立鈞

在數(shù)字電路中，噪聲不是來自于基本的物理源，而是來自于運行著的電路本身，尤其是其他信號頻繁翻轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的噪聲。高度的互聯(lián)密度導(dǎo)致了每個網(wǎng)絡(luò)與其與網(wǎng)絡(luò)相隔更近，從而引起了相鄰網(wǎng)絡(luò)的容性耦合。在硬件電路設(shè)計開銷方面，邏輯功能設(shè)計的開銷大為降低，而與信號完整性設(shè)計相關(guān)的開銷，將占總開銷的80%甚至更多。為此，在高速PCB設(shè)計中電磁兼容是必須考慮的問題，比較好的方法就是在已經(jīng)設(shè)計好的PCB布線區(qū)域覆銅。

首先對于布線，在室溫條件下，銅箔厚度為35微米時0.1mm寬的導(dǎo)線可以承載0.5A的持續(xù)電流而導(dǎo)線溫升不超過10℃。這對于一般信號傳輸線，其電流負載能力，完全能滿足要求，所以一般印制板的導(dǎo)線最小寬度不小于0.10mm，高可靠的3級印制版導(dǎo)線最小寬度大于0.13mm。對于電源用印制板或電流較大的電源線、接地線，要計算導(dǎo)線的負載電流大小，選擇較寬的導(dǎo)線。而信號傳輸導(dǎo)線的電流都很小，在導(dǎo)線的寬度能滿足負載的要求和工藝極限的條件下，可以采用較細的導(dǎo)線，有利于提高布線密度和調(diào)整特性阻抗。導(dǎo)線寬度大小的安排是：地線寬度>電源線寬度>信號線寬度，其寬度應(yīng)根據(jù)導(dǎo)線的電流負載能力、導(dǎo)線的阻抗要求和布線密度等因素綜合考慮并進行優(yōu)化，除有特性阻抗要求的信號導(dǎo)線以外，其他導(dǎo)線尤其是地線和電源的總線盡可能適當加寬，有利于制造和提高使用的安全系數(shù)。SMT印制板的導(dǎo)線寬度，應(yīng)根據(jù)布線密度需要可小于0.2mm，高密度板導(dǎo)線寬度可小于0.1mm，導(dǎo)線寬度越小加工難度越大，在空間允許的條件下也應(yīng)適當選擇寬些的導(dǎo)線，既有利于制造，又能提高耐電流能力的可靠性和降低高速信號的RF輻射。高速印制板中不同層面當中的信號導(dǎo)線走向最好能夠垂直交叉布線，以便減小相互干擾，而在同一層面的電源與地線要設(shè)計得靠近并且平行，尤其供電給集成電路及退耦和旁路電容更應(yīng)該如此。

在高速電路印制板中，經(jīng)常采用較大的銅箔面積作為屏蔽或高速信號線的返回面即覆銅。在多層板中設(shè)置接地面和電源面。在覆銅區(qū)域的焊盤、過孔應(yīng)設(shè)計焊盤隔熱環(huán)，焊盤通過條輻與覆銅相連。這樣該焊盤周圍露出部分絕緣材料不與覆銅相連能降低熱傳遞的速度，可以防止焊接時熱量迅速傳遞至內(nèi)層，使焊盤升溫較慢而延長焊接時間，不會因長時間的焊接熱量而使內(nèi)層熱量累積過多引起基材起泡和分層。

圖1 隔熱環(huán)示意圖

圖2 與大的接地面積連接的SMT焊盤

隔熱環(huán)上的導(dǎo)電條幅寬度減小，這就有利于焊接時，焊盤上的熱量集中在圓形焊盤上，不會通過導(dǎo)電條幅很快散失，有利于保證焊接質(zhì)量。熱隔離焊盤上條幅的導(dǎo)電能力與條幅的寬度和厚度即截面積有關(guān)。

印制板的表面焊盤對同一元器件焊盤組的焊盤面積尺寸要一致，保持其熱容量的一致。尤其是對尺寸較小的片式電阻、容元器件，如果兩端的焊盤面積不同，或一端為焊盤，另一端為直接將大的接地面作為焊盤，在回流焊接時同樣的加熱條件下，面積較大的焊盤吸熱量大、升溫慢，面積小的焊盤升溫快，形成所謂的“立碑”現(xiàn)象，使焊接失效。

與寬導(dǎo)線或大面積相連接的SMT焊盤，應(yīng)在焊盤與導(dǎo)線或?qū)w相連部位將導(dǎo)線逐步變細形成“縮徑”，使在焊接時熱量在細線部位傳遞慢，焊盤熱量散失少，可以防止焊膏的流失引起焊接不良。高速電路中有阻抗匹配要求的信號線不采用“縮徑”設(shè)計以免引起阻抗的變化，由于信號電流很小，只要滿足負載電流能力要求，我們直接采用寬度均勻的較細導(dǎo)線與焊盤連接。BGA元器件焊盤引出的過孔導(dǎo)線要盡量短，并且在過孔與焊盤之間必須用阻焊膜加以覆蓋，以防止在回流焊時，焊料流入過孔中，使焊盤上因為焊料不足而影響焊接質(zhì)量，同時流入過孔中的焊料在高溫下也會影響過孔的可靠性。

SMT元器件焊盤如果與多層板內(nèi)層大面積的地線層、電源層或屏蔽層有電氣連接，應(yīng)該與BGA過孔相似的方法，從元器件焊盤旁邊與之相連的過孔連接，不能在焊盤上直接設(shè)置過孔，以防增大焊盤的熱容量和焊接時焊料通過過孔流失。對BGA器件靠近焊盤的過孔應(yīng)當用導(dǎo)電膠或阻焊填料填充。

在印制板表面層無布線的區(qū)域鋪設(shè)的銅箔或覆銅，表層大面積的非高速信號導(dǎo)線和電源線、地線等其銅箔面積超過25mm×25mm應(yīng)開窗口設(shè)計成網(wǎng)狀，可以減少大面積導(dǎo)線在焊接時的吸熱量，有利于焊接并可減少印制板的翹曲。作為微帶線和微帶狀線接地平面及多層板內(nèi)層的大面積地平面和電源平面，不允許開窗口，否則會引起特性阻抗的不連續(xù)，影響信號的完整性。

振蕩器和時鐘電路是高速印制板上主要的時變電流信號發(fā)生源，為了捕獲振蕩器內(nèi)和時鐘電路產(chǎn)生的共模輻射電流，減少RF輻射對周圍電路的影響，我們把振蕩器、晶振和所有的時鐘支撐電路設(shè)置在印制板的表層，放在元器件下一個單獨的局部接地面上，該接地面通過多個過孔直接與多層板內(nèi)層的地平面連接，并且連接孔盡量靠近振蕩器的接地引腳，時鐘信號線串聯(lián)電阻性的匹配器分布在接地螺釘附近。

總之，PCB覆銅并不是如教科書上只有在軟件印制板上繪制覆銅區(qū)域而簡單設(shè)置就可以完成的，通過實踐，覆銅對電磁兼容還是可以有很多貢獻的。