Im PCB-Design Im Prozess ist die Kupferummantelung ein wichtiger Aspekt, und verschiedene PCB-Designsoftware bietet eine intelligente Kupferummantelungsfunktion, die ungenutzte Bereiche auf der Leiterplatte mit Kupfer bedeckt. Die Bedeutung der Kupferummantelung liegt in der Reduzierung der Erdimpedanz, der Verbesserung der Entstörungsfähigkeit, der Verringerung des Spannungsabfalls in Stromleiterbahnen, der Verbesserung der Leistungseffizienz und der Verbindung mit der Erde zur Minimierung der Schleifenfläche.
Unter PCB-Kupferbeschichtung versteht man den mit Kupfer gefüllten Bereich in der PCB-Schicht. Diese Schicht kann sich auf der Ober- oder Unterseite oder auf einer beliebigen Innenschicht des Leiterplattenstapels befinden. Die Kupferummantelung der Leiterplatte kann zur Erdung, Referenzierung oder Isolierung bestimmter Komponenten oder Schaltkreise vom Rest der Schicht verwendet werden. Nachdem Layout und Routing abgeschlossen sind, gibt es oft viele freie Bereiche auf der Oberfläche unserer Leiterplatte. Wir nutzen GND oder ein Stromnetz, um diese Bereiche mit einer massiven Kupferschicht abzudecken.
In digitalen Schaltkreisen gibt es große Mengen scharfer Impulsströme, daher ist eine Reduzierung der Erdimpedanz umso notwendiger. Es wird allgemein angenommen, dass für Schaltkreise, die ausschließlich aus digitalen Geräten bestehen, eine großflächige Erdung erfolgen sollte. Bei einigen analogen Schaltkreisen kann die durch die Kupferummantelung gebildete Erdungsschleife jedoch elektromagnetische Kopplungsstörungen verursachen, die den Gewinn nicht wert sind.
Vorteile der Leiterplattenverkupferung:
- Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV): Große Kupferflächen auf dem Boden oder an der Stromversorgung können elektromagnetische Störungen abschirmen, die Entstörungsfähigkeit des Schaltkreises verbessern und die EMV-Anforderungen erfüllen.
- Anforderungen an die Leiterplattenherstellung: Die Verkupferung trägt dazu bei, die Gleichmäßigkeit der Galvanisierung sicherzustellen, verringert die Verformung der Leiterplatte während der Laminierung und verbessert die Fertigungsqualität von Leiterplatten.
- Signalintegrität: Bietet einen vollständigen Rückweg für hochfrequente digitale Signale, reduziert die Gleichstrom-Netzwerkverkabelung und verbessert die Stabilität und Zuverlässigkeit der Signalübertragung.
- Wärmeableitung: Eine ordnungsgemäße Kupferbeschichtung kann die Wärmeableitungsleistung von Leiterplatten verbessern, die Betriebstemperaturen der Komponenten senken und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Systems erhöhen.
Nachteile:
1. Schnelle Wärmeableitung, schwieriges Löten: Eine vollständige Abdeckung der Bauteilstifte mit Kupferbeschichtung kann zu einer schnellen Wärmeableitung führen, was das Entlöten und Nacharbeiten erschwert. Kupfer hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit, was zu einer schnellen Wärmeableitung beim Löten führt und den Lötprozess beeinträchtigt. Daher sollte das Design die Wärmeableitung minimieren, indem „kreuzförmige Lötpads“ verwendet werden, um das Löten zu erleichtern.
2. Signalschwäche und Interferenzen: Die Kupferbeschichtung rund um den Antennenabschnitt kann zu Signalschwächung und Interferenzen führen und die Signalerfassung beeinträchtigen. Die Impedanz der Kupferbeschichtung kann sich auch auf die Leistung von Verstärkerschaltungen auswirken, daher wird in diesen Bereichen generell auf eine Kupferbeschichtung verzichtet.
3 Verarbeitungskomplexität: Bei der Kupferbeschichtung müssen die Auswirkungen jedes einzelnen Beschichtungsbereichs während des Designprozesses berücksichtigt werden. Unsachgemäßes Design kann die Verarbeitungskomplexität erhöhen, z. B. die Notwendigkeit von Querverbindungen, um Probleme bei der Wärmeableitung zu vermeiden. Dieser Aspekt ist jedoch minimal und kann vernachlässigt werden, da moderne Prozesse ausgereift sind und Leiterplattenhersteller dadurch keine Kostensteigerungen verzeichnen werden.
Großflächige Verkupferung (Massivverkupferung) und Rasterverkupferung:
Verkupferung gibt es im Allgemeinen in zwei Grundformen: Massivverkupferung und Gitterverkupferung
- Großflächige Verkupferung:
Es dient einem doppelten Zweck: der Erhöhung des Stroms und der Abschirmung. Allerdings kann es beim Wellenlöten zu Verformungen oder sogar Blasenbildung auf der Platine kommen. In solchen Fällen ist es üblich, mehrere Schlitze zu schaffen, um Luftblasen in der Kupferfolie zu reduzieren.
- Maschenverkupferung:
Es dient hauptsächlich als Abschirmfunktion. Da die Querschnittsfläche der Kupferfolie verringert ist, ist ihre Stromtragfähigkeit im Vergleich zur Vollverkupferung relativ schwächer.
Bei der Wahl der Methode der PCB-Verkupferung haben sowohl die Maschenverkupferung als auch die Massivverkupferung je nach Designanforderungen und Anwendungsszenarien ihre Vor- und Nachteile. Hier ist ein Vergleich zwischen ihnen:
- Maschenverkupferung:
- Die Netzstruktur kann die Komplexität der Leiterplattenherstellung erhöhen und erfordert insbesondere mehr Aufmerksamkeit bei Design und Verarbeitung. Solange das Netz jedoch nicht zu klein ist und nicht zu viel fragmentiertes Kupfer hinzugefügt wird, sind die Auswirkungen minimal.
- Bei einigen Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitssignalen kann die Mesh-Kupferbeschichtung den Signalübertragungsverlust erhöhen, was zu Problemen mit der Signalintegrität führt. Wenn die Verkupferung als Referenzebene für das PCB-Routing dient, ist es besser, auf die Verwendung einer Maschenverkupferung zu verzichten und sich für eine vollständige ebene Verkupferung zu entscheiden, um eine vollständige Referenzebene zu erhalten.
- Es kann das Gewicht der Leiterplatte reduzieren, insbesondere bei großen Leiterplatten, und so zur Gesamtgewichtsreduzierung beitragen. Im Allgemeinen sind die Auswirkungen minimal.
- Es ist flexibler im Umgang mit Wärmeausdehnung und mechanischer Belastung und reduziert die Auswirkungen der Leiterplattenverformung unter Hitze und Belastung.
- Im Vergleich zur Maschenverkupferung erhöht die Vollverkupferung das Gewicht der Leiterplatte, da mehr Kupfermaterial verwendet wird.
- Es bietet maximale Leitfähigkeit und Erdungsanschlüsse und ist somit die ideale Wahl für Anwendungen, die eine hohe Leitfähigkeit erfordern.
- Bei einigen PCB-Designs für Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitssignale trägt die Bereitstellung einer vollständigen Referenzebene und die massive Kupferbeschichtung dazu bei, Signalübertragungsverluste zu reduzieren und die Signalintegrität zu verbessern.
- In manchen Fällen kann eine massive Kupferbeschichtung eine bessere Abschirmwirkung erzielen und elektromagnetische Störungen reduzieren.
Abschirmwirkungen der großflächigen Verkupferung (Massivverkupferung) und der Maschenverkupferung:
Sowohl die Massivverkupferung als auch die Maschenverkupferung haben bestimmte Abschirmeffekte, aber welche besser ist, hängt von den spezifischen Anwendungsszenarien und Designanforderungen ab.
Abschirmwirkung der Massivverkupferung:
Durch die massive Verkupferung wird mehr Kupfermaterial bereitgestellt, was insbesondere bei niederfrequenten und statischen elektromagnetischen Störungen eine bessere Abschirmwirkung bieten kann.
Eine massive Kupferbeschichtung kann eine vollständig leitfähige Abschirmschicht bilden, die den gesamten Bereich abdeckt, den Eintritt und die Ausbreitung externer elektromagnetischer Wellen blockiert und so Störungen reduziert.
Durch die massive Kupferbeschichtung können interne Schaltkreise besser umschlossen und abgeschirmt werden, wodurch die Auswirkungen elektromagnetischer Strahlung auf die Umgebung und andere Schaltkreise verringert werden.
Abschirmwirkung der Maschenverkupferung:
Obwohl die Maschenverkupferung eine gewisse Abschirmwirkung bietet, kann ihre Abschirmwirkung etwas geringer sein als die der Vollverkupferung.
Die Maschenverkupferung hinterlässt normalerweise Lücken, sodass elektromagnetische Wellen teilweise eindringen oder durchdringen können, sodass die Abschirmwirkung auf Hochfrequenz- oder Hochgeschwindigkeitssignale möglicherweise relativ gering ist.
Obwohl eine gewisse Abschirmwirkung erzielt wird, reduziert die Maschenverkupferung jedoch den Einsatz und das Gewicht von Kupfermaterialien.
Bezüglich des Wärmeableitungseffekts der Massivverkupferung und Maschenverkupferung:
Viele Online-Ansprüche sind unbegründet. Erstens wissen wir, dass die Hauptwärmequelle auf der Leiterplatte der integrierte Schaltkreis ist, der Wärme über die Leiterplatte ableiten kann. Anschließend wird die Leiterplatte mit dem Lötpad verbunden, wodurch die Wärme vom integrierten Schaltkreis abgeleitet wird. Daher ist die Wärmeableitung umso besser, je größer die Fläche der Kupferfolie ist.
Im Hinblick auf die Wärmeableitung übertrifft die Massivverkupferung in der Regel die Maschenverkupferung. Hier ist ein Vergleich zwischen den beiden:
Wärmeableitungseffekt der Massivverkupferung:
Durch die massive Kupferbeschichtung wird mehr Kupfermaterial bereitgestellt, was eine bessere Wärmeleitung ermöglicht, was zu einer allgemein besseren Wärmeableitungsleistung führt.
Die massive Kupferbeschichtung bildet einen kontinuierlichen Wärmeleitungspfad, der eine gleichmäßige Wärmeverteilung über den gesamten verkupferten Bereich ermöglicht und so die Betriebstemperatur der Komponenten effektiv senkt.
Wärmeableitungseffekt der Maschenverkupferung:
Während die Maschenverkupferung in gewissem Maße auch zur Wärmeableitung beitragen kann, kann ihre Wärmeableitungswirkung im Vergleich zur Vollverkupferung etwas geringer sein.
Die Maschenverkupferung kann durch Lücken in der Wärmeableitung beeinträchtigt werden, und der Wärmeleitungspfad ist möglicherweise nicht so kontinuierlich wie bei einer Vollverkupferung, was zu einer relativ schlechteren Wärmeableitung führt.
Wenn die Wärmeableitung ein kritischer Faktor im Design ist und eine hervorragende Wärmeableitungsleistung auf der Leiterplatte erforderlich ist, ist eine massive Kupferbeschichtung oft die bessere Wahl. Bei Anwendungen, bei denen die Anforderungen an die Wärmeableitung jedoch nicht besonders streng sind oder bei denen eine leichte Bauweise erforderlich ist, kann die Netzverkupferung ebenfalls eine praktikable Option sein. Es kann bis zu einem gewissen Grad für eine Wärmeableitung sorgen und das Gewicht der Leiterplatte reduzieren.