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

要遵循的重要設計規范之一是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部軌道斷裂的電路板不規則加熱造成的損壞。

2、散熱器

銅用作發電電路的散熱層，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生變形的風險區域。

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（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，銅箔和基板會發生不同的機械膨脹和壓縮。這會導致它們的膨脹系數出現偏差。隨后，板上產生的內應力導致翹曲。

根據應用，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（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的結果。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。這會在該位置產生空隙。

3）弓和扭曲的測量

根據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%。基于此標準，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。考慮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。

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 上有寬銅區域的地方，明智的做法是將它們設計為網格而不是實心平面，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域，則對稱的相對層應填充微小的銅網格以平衡。這些微小的銅網格不會連接到任何網絡，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生小開口。樹脂將通過銅牢固地粘合到層壓板上。這會產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。

為動態或靜態柔性板提供機械支撐。

孵化的銅平面

2）網格形式的大銅區域

如果可能，你的電路板上的大面積銅區域應始終是網格。這通常可以在布局程序中設置。例如，Eagle 程序將網格區域稱為“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。“網格”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（網格）銅填充無銅區域

無銅區域應填充（網格）銅。

優勢：

實現了鍍通孔壁的更好的均勻性。

防止電路板扭曲和彎曲。

4）銅區設計實例

銅區設計實例

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。可以制造不對稱層堆積，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。

其他優點是∶

均勻的電鍍電流，所有跡線的蝕刻量都相同。

調節介電層厚度。

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，環路電感會小得多，因此傳播電感也會更小。”

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。電路板的熱穩定性和機械穩定性也提高了。它現在更能耐受大電流暴露、過高溫度和頻繁的熱循環。所有這些都會削弱常規的電路板設計。

其他優點是∶

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，需要調節走線之間的間距。不同的設計師對此有不同的規范。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