一文详解PCB中的“平衡铜”

PCB 制造是按照的一组规范从 PCB 设计构建物理 PCB的过程。对设计规范的理解非常重要，因为它会影响 PCB 的可制造性、性能和生产良率。

要遵循的重要设计规范之一是PCB 制造中的“平衡铜” 。必须在 PCB 叠层的每一层中实现一致的铜覆盖，以避免可能阻碍电路性能的电气和机械问题。

一、 PCB 平衡铜是什么意思

平衡铜是一种在PCB 叠层 的每一层中对称铜迹线的方法，这对于避免电路板扭曲、弯曲或翘曲是必要的。有些布局工程师和制造商坚持要求上半层的镜像堆叠与 PCB 的下半层完全对称。

二、PCB 平衡铜作用

1、走线

蚀刻铜层以形成走线，用作走线的铜将热量与信号一起传遍电路板。这减少了可能导致内部轨道断裂的电路板不规则加热造成的损坏。

2、散热器

铜用作发电电路的散热层，避免了额外散热组件的使用，并在很大程度上降低了制造成本。

3、增加导体和表面焊盘的厚度

用作 PCB 上的镀层的铜会增加导体和表面焊盘的厚度。此外，通过电镀通孔实现了牢固的层间铜连接。

4、降低了地线阻抗和电压降

PCB 平衡铜降低了地线阻抗和电压降，从而降低了噪声，与此同时，还可以提高电源的效率。

三、PCB 平衡铜功效

在 PCB 制造中，如果叠层之间的铜分布不均匀，则可能会出现以下问题：

1、堆叠平衡不当

平衡堆屋意味着在你的设计中具有对称层，这样做的目的是放弃在堆叠组装和层压阶段可能发生变形的风险区域。

最好的方法是从电路板的中心开始堆屋设计，并将厚层放置在那里。通常，PCB 设计人员的策略是将叠层的上半部分与下半部分镜像。

对称叠加

2、PCB 分层

问题主要来自于在铜表面不平衡的核心上使用较厚的铜（50um或更多），更糟糕的是，那里的图案几乎没有铜填充。

在这种情况下，铜表面需要补充“假”区域或平面，以防止预浸料溢出到图案中以及随后的分层或层间短路。

没有 PCB 分层：85% 的铜填充在内层，因此填充预浸料就足够了，没有分层的风险。

没有 PCB 分层风险

有PCB 分层风险：铜仅填充45%，层间预浸料填充不足，存在分层风险。

3、介电层厚度不均匀

板层堆叠管理是设计高速板的关键要素。为了保持布局的对称性，最安全的做法是平衡介电层，介电层厚度应该像屋层一样对称排列。

但有时很难实现电介质厚度的均匀性。这是由于一些制造限制。在这种情况下，设计师将不得不放宽公差并允许不均匀的厚度和一定程度的翘曲。

对称介电层 4、电路板横截面不均匀 常见的不平衡设计问题之一是电路板横截面不当。铜沉积在某些层中比其他层更大。这个问题源于铜的一致性在不同层上没有保持的事实。因此，在组装时，一些层会变厚，而其他铜沉积量低的层会保持较薄。当压力横向施加在板上时，它会变形。为了避免这种情况，铜覆盖必须相对于中心层对称。 5、混合（混合材料）叠层 有时，设计会在屋层中使用混合材料。不同的材料具有不同的热系数（CTC）。这种类型的混合结构增加了回流组装过程中翘曲的风险。

四、铜分布不平衡的影响

铜沉积的变化会导致 PCB 翘曲。下面提到了一些翘曲和缺陷∶ 1、翘曲 翘曲只不过是板子形状的变形。在板板的烘烤和处理过程中，铜箔和基板会发生不同的机械膨胀和压缩。这会导致它们的膨胀系数出现偏差。随后，板上产生的内应力导致翘曲。 根据应用，PCB材料可以是玻璃纤维或任何其他复合材料。在制造过程中，电路板经过多次热处理。如果热量分布不均匀，并且温度超过热膨胀系数（Tg），电路板就会翘曲。 2、导电图案电镀不良 为了正确设置电镀工艺，导电层上的铜平衡非常重要。如果铜在顶部和底部，甚至在每个单独的层不平衡，就会发生过度电镀，并导致连接的轨迹或蚀刻不足。特别是，这涉及具有测量阻抗值的差分对。设置正确的电镀过程很复杂，有时甚至是不可能的。因此，用“假”贴片或全铜补充铜平衡很重要。 补充了平衡铜 没有补充平衡铜 3、弓形 如果覆铜不平衡，PCB 层会出现圆柱或球面曲率。用简单的语言，你可以说一张桌子的四个角是固定的，桌子的顶部升到上面。它被称为弓，是技术故障的结果。 弓形在曲面上产生与曲线相同方向的张力。此外，它会导致随机电流流过电路板。 弓形 4、弓效果 1）捻 扭曲受电路板材料、厚度等因素的影响。当电路板的任何一个角未与其他角对称对齐时，就会发生扭曲。一个特定的表面对角上升，然后其他角会扭曲。与从桌子的一个角落拉起垫子而另一个角落被扭曲时非常相似。请参考下图。 扭曲效果 2）树脂空隙 树脂空洞只不过是镀铜不当的结果。在组装压力期间，压力以不对称的方式施加在板上。由于压力是横向力，因此具有薄铜沉积的表面会渗出树脂。这会在该位置产生空隙。 3）弓和扭曲的测量 根据IPC-6012，在带有SMT组件的电路板上，弯曲和扭曲的最大允许值为0.75%，而对于其他电路板，则为1.5%。基于此标准，我们还可以计算特定PCB尺寸的弯曲度和扭曲度。 弓余量=板长或宽度×弓余量百分比/100 扭曲测量涉及电路板的对角线长度。考虑到板受其中一个角的约束并且扭曲作用在两个方向上，因素2包括在内。 最大允许扭曲=2×板对角线长度×扭曲余量百分比/100 在这里，你可以看到长宽分别为4英寸和3英寸的板的示例，对角线长度为5英寸。 弓扭测量 整个长度的弯曲余量=4×0.75/100=0.03英寸 宽度上的弯曲余量=3×0.75/100=0.0225英寸 最大允许扭曲=2×5×0.75/100=0.075英寸 五、PCB平衡铜设计规范 1、在叠层设计期间，建议将中心层设置为最大铜厚度，并进一步平衡其余层以匹配它们的镜像对面层。该建议对于避免前面讨论的薯片效应很重要。 2、在 PCB 上有宽铜区域的地方，明智的做法是将它们设计为网格而不是实心平面，以避免该层中的铜密度不匹配。这在很大程度上避免了弓和扭曲问题。 3、在堆叠中，电源层应对称放置，并且每个电源层中使用的铜重量应相同。 4、铜平衡不仅在信号或电源层中是必需的，而且在 PCB 的核心层和预浸层中也是必需的。确保这些层中铜的比例均匀是保持 PCB 整体铜平衡的好方法。 5、如果特定层中有多余的铜区域，则对称的相对层应填充微小的铜网格以平衡。这些微小的铜网格不会连接到任何网络，也不会干扰功能。但是有必要确保这种铜平衡技术不会影响信号完整性或电路板阻抗。 6、平衡铜分布的技术 1）填充图案 交叉影线是一种工艺，其中某些铜层呈格子状。它实际上涉及定期定期开口，几乎看起来像一个大筛子。该过程在铜平面上产生小开口。树脂将通过铜牢固地粘合到层压板上。这会产生更强的粘合力和更好的铜分布，从而降低变形的风险。 填充图案 以下是阴影铜平面相对于实心浇注的一些好处∶

高速电路板中的受控阻抗路由。

在不影响电路组装灵活性的情况下允许更宽的尺寸。

增加传输线下的铜量，增加阻抗。

为动态或静态柔性板提供机械支撑。

孵化的铜平面 2）网格形式的大铜区域 如果可能，你的电路板上的大面积铜区域应始终是网格。这通常可以在布局程序中设置。例如，Eagle 程序将网格区域称为“孵化”。当然，这只有在不存在敏感的高频导体迹线时才有可能。“网格”有助于避免“扭曲”和“弓形”效应，特别是对于只有一层的电路板。 3）用（网格）铜填充无铜区域 无铜区域应填充（网格）铜。 优势：

实现了镀通孔壁的更好的均匀性。

防止电路板扭曲和弯曲。

4）铜区设计实例 铜区设计实例 5）确保铜对称 确保铜对称 大铜面积应与对面的“铜填充”相平衡。还要尝试将导体迹线尽可能均匀地分布在整个电路板上。 对于多层电路板，将对称的相对层与“铜填充”相匹配。 铜对称 6）层堆积中的对称铜分布 电路板层积层中的铜箔厚度应始终对称分布。可以制造不对称层堆积，但我们强烈建议不要这样做，因为可能会变形。 堆积中的对称铜分布 7、使用厚铜板 如果设计允许，选择较厚的铜板而不是较薄的铜板。当你使用薄板时，弓和扭曲的机会因素会变高。这是因为没有足够的材料来保持板的刚度。一些标准厚度是lmm、1.6mm、1.8mm。低于1毫米的厚度，翘曲的风险是厚板的两倍。 8、均匀迹线 导体走线应均匀分布在电路板上。尽量避免铜窝。走线应在每一层上对称分布。 9、盗铜 你可以看到电流在存在隔离迹线的区域中积累得更多。由于这个事实，你无法获得平滑的方形边缘。盗铜是在电路板上的大空白空间中添加小圆圈、正方形甚至是实心铜平面的过程。盗铜将铜分布均匀地分布在整个电路板上。 其他优点是∶

均匀的电镀电流，所有迹线的蚀刻量都相同。

调节介电层厚度。

减少了对过度蚀刻的需求，从而降低了成本。

10、铜填充 如果需要较大的铜面积，则开放的区域用铜填充，这样做是为了与对称的相对层保持平衡。 铜填充在对面层 11、电源平面对称 保持每个信号或电源平面中的铜厚度非常重要。电源层应该是对称的。最简单的形式是把电源层和地层放在中间。如果你能让电源和接地更靠近，环路电感会小得多，因此传播电感也会更小。” 12、预浸料和核心对称 仅保持电源平面对称不足以达到均匀的铜包层。在分层和厚度问题上匹配预浸料和芯材也很重要。 预浸料和核心对称 13、铜重量 从根本上说，铜重量是板上铜厚度的量度。特定重量的铜在板上一层的一平方英尺区域上滚动。我们使用的标准铜重量是1 盎司或1.37密耳。例如，如果你在1平方英尺的面积上使用1盎司铜，则铜的厚度为1盎司。 铜重量 铜重是电路板载流能力的决定因素。如果你的设计有高电压、电流、电阻或阻抗要求，你可以修改铜厚度。 14、重铜 重铜没有通用的定义。我们确实使用1 盎司作为标准铜重量。但是，如果设计要求超过3 盎司，则它被定义为重铜。 铜的重量越高，走线的载流能力就越高。电路板的热稳定性和机械稳定性也提高了。它现在更能耐受大电流暴露、过高温度和频繁的热循环。所有这些都会削弱常规的电路板设计。 其他优点是∶

高功率密度

同一层上容纳多个铜重物的能力更大

增加散热

15、轻铜 有时，你需要降低铜的重量以达到特定的阻抗，并非总是可以调整走线长度和宽度，因此实现较低的铜厚度是可行的方法之一。你可以使用走线宽度计算器为你的电路板设计正确的走线。 与铜重量的间距 当你使用厚铜包层时，需要调节走线之间的间距。不同的设计师对此有不同的规范。下面是关于铜重量的最小空间要求的示例。 与铜重量的间距
编辑：黄飞