Allegro学习笔记之2——覆铜

 所谓覆铜，就是将PCB上闲置的空间作为基准面，然后用固体铜填充，这些铜区又称为灌铜。

敷铜的意义：

1)减小地线阻抗，提高抗干扰能力；

2)降低压降，提高电源效率；

3)与地线相连，还可以减小环路面积。

4)也出于让PCB 焊接时尽可能不变形的目的，大部分PCB 生产厂家也会要求PCB 设计者在PCB 的空旷区域填充铜皮或者网格状的地线。

不过敷铜如果处理的不当，那将得不赏失

这是一个实测的案例，测量结果是利用EMSCAN 电磁干扰扫描系统 (http://www.emscan.com.cn )获得的，EMSCAN 能使我们实时看清电磁场的分布。

在一块多层PCB 上，工程师把PCB 的周围敷上了一圈铜，如图1 所示。在这个敷铜的处理上，工程师仅在铜皮的开始部分放置了几个过孔，把这个铜皮连接到了地层上，其他地方没有打过孔。

在高频情况下，印刷电路板上的布线的分布电容会起作用，当长度大于噪声频率相应波长的1/20 时，就会产生天线效应，噪声就会通过布线向外发射。

     从上面这个实际测量的结果来看，PCB 上存在一个22.4MHz 的干扰源，而敷设的铜皮对这个信号很敏感，作为“接收天线”接收到了这个信号，同时，该铜皮又作为“发射天线”向外部发射很强的电磁干扰信号。我们知道，频率与波长的关系为f＝ C/λ。

式中f 为频率，单位为Hz，λ为波长，单位为m，C 为光速，等于3×108 米/秒

对于22.4MHz 的信号，其波长λ为：3×108/22.4M=13 米。λ/20 为65cm。

本PCB 的敷铜太长，超过了65cm，从而导致产生天线效应。

目前，我们的PCB 中，普遍采用了上升沿小于1ns 的芯片。假设芯片的上升沿为1ns，其产生的电磁干扰的频率会高达fknee = 0.5/Tr ＝500MHz。

对于500MHz 的信号，其波长为60cm，λ/20=3cm。

也就是说，PCB上3cm 长的布线，就可能形成“天线”。所以，在高频电路中，千万不要认为，把地线的某个地方接了地，这就是“地线”。一定要以小于λ/20 的间距，在布线上打过孔，与多层板的地平面“良好接地”。

注意问题：

那么我们在敷铜中，为了让敷铜达到我们预期的效果，那么敷铜方面需要注意那些问题：  

✍        如果PCB的地较多，有SGND、AGND、GND，等等，就要根据PCB板面位置的不同，分别以最主要的“地”作为基准参考来覆铜，数字地和模拟地分开来敷铜自不多言，同时在覆铜之前，首先加粗相应的电源连线：5.0V、3.3V等等，这样一来，就形成了多个不同形状的多变形结构。  

✍        对不同地的单点连接，做法是通过0欧电阻或者磁珠或者电感连接；

✍        晶振附近的覆铜，电路中的晶振为一高频发射源，做法是在环绕晶振敷铜，然后将晶振的外壳另行接地。

✍        孤岛（死区）问题，如果觉得很大，那就定义个地过孔添加进去也费不了多大的事。 

✍        在开始布线时，应对地线一视同仁，走线的时候就应该把地线走好，不能依*于覆铜后通过添加过孔来消除为连接的地引脚，这样的效果很不好。 

✍        在板子上最好不要有尖的角出现（<=180度），因为从电磁学的角度来讲，这就构成的一个发射天线！对于其他总会有一影响的只不过是大还是小而已，我建议使用圆弧的边沿线。

✍        多层板中间层的布线空旷区域，不要敷铜。因为你很难做到让这个敷铜“良好接地” 

✍        设备内部的金属，例如金属散热器、金属加固条等，一定要实现“良好接地”。 

✍        三端稳压器的散热金属块，一定要良好接地。 晶振附近的接地隔离带，一定要良好接地。

总之：PCB 上的敷铜，如果接地问题处理好了，肯定是“利大于弊”，它能减少信号线的回流面积，减小信号对外的电磁干扰。  

大面积的敷铜(实心覆铜)和网格铜哪个好？

45度网格覆铜        90度网格覆铜           实心覆铜

在ProtelDXP中，只要 Track Width>=Grid Size为实心覆铜；

Track Width实心覆铜优点：具备了加大电流和屏蔽双重作用

        缺点：如果过波峰焊时，板子就可能会翘起来，甚至会起泡。

    解决办法：一般也会开几个槽,缓解铜箔起泡

网格覆铜优点：从散热的角度说，网格有好处（它降低了铜的受热面）又起到了一定的电磁屏蔽的作用。

        缺点：单纯的网格敷铜主要还是屏蔽作用,加大电流的作用被降低了。网格是使由交错方向的走线组成的，我们知道对于电路来说，走线的宽度对于电路板的工作频率是有其相应的“电长度“的（实际尺寸除以工作频率对应的数字频率可得，具体可见相关书籍），当工作频率不是很高的时候，或许网格线的作用不是很明显，一旦电长度和工作频率匹配时，就非常糟糕了，你会发现电路根本就不能正常工作，到处都在发射干扰系统工作的信号。

建议：因此高频电路对抗干扰要求高的多用网格，低频电路有大电流的电路等常用完整的铺铜。( 低频频率为30~300kHz，中频频率为300~3000kHz，高频频率为3~30MHz，频率范围在30~300MHz的为甚高频，在300~1000MHz的为特高频。相对于低频信号，高频信号变化非常快、有突变；低频信号变化缓慢、波形平滑。）

在Allegro中覆铜

动态覆铜(Static)和静态覆铜(Dynamic)

所谓动态就是能自动避让元件或者过孔；

所谓静态就是要手动避让。

铺铜的主要步骤是建立Shape.

一、用Shape覆铜

    我们先学习一下如何建立Shape,可以在菜单栏上看到Shape

Shape菜单详解

动态覆铜

在Top层覆铜

    覆铜区域的绘制可以通过

     Shape——Polygon(绘制多边形，包括圆弧)

     Shape——Rectangular（绘制矩形）

     Shape——Circular（绘制圆）

     在选择这三个命令时要对Option栏进行设置。

Class:因为是进行同批区域的设置，所以必须设置为Etch

Subclass:需要进行覆铜的布线层(通常为TOP和BOTTOM层)

Shape Fill Type:选择需要覆铜的类型

✍        Dynamic copper（动态覆铜）

✍        Static Solid（静态实铜）

✍        Static Crasshatch（静态网格状覆铜）

✍        Unfilled（不填充）适用于绘制board outline,package geometry,room等，不能用于Etch

Defer performing dynamic fill:不立即进行覆铜。这样生成的覆铜区域将只保留边界而不会进行填充。

Assign net name:铜皮所属网络。点击右边的按钮，可以从网络列表中选取。一般都将铜皮连到电源或地网络。

Shape grid:栅格设置。一般的说覆铜用的栅格可以比布线用的栅格粗糙。

Segment Type:设置shape——Polygon命令走线时的拐角。

   覆铜区域绘制完后，Allegro立刻按照有关的参数设置进行覆铜。

    按照上图设置(Shape Fill Type选择Dynamic copper)对TOP层进行动态覆铜。

覆铜前                      动态覆铜后

Shape Fill Type选择Static Solid，对TOP层进行静态覆铜(实心铜皮)。

 静态覆铜Static Solid

可以看出，动态覆铜(Dynamic copper)对过孔自动避让，而静态实铜(Static Solid)对过孔不避让，这回出现错误。

两种都统类型Dynamic copper和Static Solid都是覆实心铜，如果要覆空心铜的话，Shape Fill Type Static Crasshatch（静态网格状覆铜），此时可以对网格覆铜的线宽和间距进行设置。

在Allegroz中选择Shape——Global Dynamic Params…，打开如下图所示对话框。

Shape Fill页用于设置铜皮的填充方式

Dynamic Fill:动态填充

✍  Smooth  自动填充，避让并对所有的动态铜皮进行DRC检查，并产生具有光绘质量的输出

✍  Rough    可以观察铜皮的连接情况，而没有对铜皮的边沿及导热连接进行光滑。不进行具有光绘质量的输出。在需要的情况通过Dyawing Option对话框中的Updata to Smooth 生成最后的铜皮。

在Create Artwork是会出现下面错误提示

✍        Disabled   先不进行自动填充和避让操作，在需要的时候通过Drawing Option对话框中的   Updata to Smooth生成最后铜皮

Xhatch style选择铜皮的填充模式(对于Static Crasshatch)

Hatch Set 设置网格的线宽和间距

          Line with填充连线的线宽，必须小于或者等于Border width指定的线宽。

          Spacing 填充连线的中心到中心的间距。

          Angle 交叉填充线之间的夹角。

          Origin X,Y 设置填充线的坐标原点。

          Border width  铜皮边界的线宽，必须大于或者等于Line width.

 Thermal relief connects选项卡

   其中Use fixed thermal width of:设置覆铜与过孔、导线的安全距离。

二、使用Z-copy命令为GND地层建立Shape

    选择Shape菜单中的Select Shape or Void，然后用鼠标选中刚才在TOP层的覆铜，再点击Edit-Z-Copy。Option设置如下

其中Subclass选上要填充的层，这样，顶层的铜皮就会复制一份形状一样的到底层了。

删除死铜

   Shape——Delete Island或在执行Command>island_delete

   在设计图上覆铜区域点击，点击到死铜的话就会被删除，点击连接到NET的，不会删除。

选中覆铜

   如果要修改覆铜的连接NET或修改覆铜的大小形状。可选择Shape——Select Shape or Void

   Option与Shape——Polygon(绘制多边形，包括圆弧)时是一样的

可以修改覆铜的大小形状

删除覆铜

Delete或在菜单栏选择，Find面板中选择Shape，在PCB设计区选中要删除的覆铜，这样覆铜就会被删除掉。

    有人说加大敷铜可以加大散热面，其实，对于此我不以为然。我说过铜是一种散热吸热快的金属，如果加大散热面要靠加大敷铜的面积的话，那就没有必要给很多的器件加热片了，我想大家对于计算机都颇有心得，一定攒过电脑，大家知道主板可别是cup等器件要用散热片，其实对于散热问题的考虑，我个人觉得和那里的道理是一样的，我就布罗嗦了。补充一点，把敷铜作为散热片是不合适的，岂不想金属的电阻率是随着温度的升高而升高的，我们把铜面积做大就是为了减小阻抗，如一散热器不是得不得不偿失。

    使用网格自然有它的好处，但也不是说网格就一定比敷铜好。从散热的角度说，网格有好处（它降低了铜的受热面）又起到了一定的电磁屏蔽的作用。但是需要指出的是，网格是使由交错方向的走线组成的，我们知道对于电路来说，走线的宽度对于电路板的工作频率是有其相应的“电长度“的（实际尺寸除以工作频率对应的数字频率可得，具体可见相关书籍），当工作频率不是很高的时候，或许网格线的作用不是很明显，一旦电长度和工作频率匹配时，就非常糟糕了，可以说不能再糟糕了！！你会发现电路根本就不能正常工作，到处都在发射干扰系统工作的信号。所以对于使用网格的同仁，我的建议是根据设计的电路板工作情况选择，不要死抱着一种东西不放。

    又有人说在敷铜上打过孔助于散热，至少目前我还没见有这方面的论证。而且我个人认为，敷铜就不该考虑让他散热（理由见前）。我们在敷铜上打过孔而且是大量的密集的（几个毫米就一个）的原因不是为了散热，而是为了降低阻抗，在高频电路中，铜的感抗是惊人的！！有这样一个事实：1个厘米左右的10mil的铜线工作在200mhz时，其感抗可高达几个欧姆！！对于布线有所了解的人知道有“共地线阻抗“一说。当电路工作在高频时，敷铜就是最大的共地线如不处理就会产生很大影响，但是敷铜又是一种很有效的电磁屏蔽的方法。所以在实际中我们就采用大量打过孔的办法解决电抗的问题。或许有人还不能理解为什么多打过孔会改善，要仔细分析起来很麻烦，因为打过孔对板子的电器性能影响很大，影响分布电容，板间电容等等参数，打个不合适的比方吧，打两个过孔就好像把正反的两的电阻并联起来，其等效阻抗不就小很多？--这只是打比方，不要当真..:>

   还有，敷铜时要注意，在板子上最好不要有尖的角出现（《=180度），因为

从电磁学的角度来讲，这就构成的一个发射天线！！对于其他总会有一影响的只不过是大还是小而已，我建议使用圆弧的边沿线。

  以上是我的一点体会，不到，请柬量。