在PCB設(shè)計(jì)中，使用接地銅填充就像一把雙刃劍。了解如何在平衡銅層、防止無效銅問題以及提升PCB性能方面做出明智的設(shè)計(jì)決策至關(guān)重要。

銅填充，又稱銅填充或銅多邊形，是指在PCB的某個(gè)區(qū)域填充銅，并自動(dòng)設(shè)置間隙。這一功能非常便捷，且具有重要的電氣用途。它不僅可以快速創(chuàng)建與電源軌相連的大面積區(qū)域，其最常見的用途還是用于在PCB層的未使用空間中填充接地。

關(guān)于是在層中填充未使用區(qū)域?yàn)榻拥剡@一做法先出現(xiàn)，還是執(zhí)行此功能的工具先問世，目前尚不明確。但無論如何，在層的未使用區(qū)域填充接地已成為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)建議，被眾多設(shè)計(jì)師所遵循。

那么，您的設(shè)計(jì)中是否應(yīng)該使用接地填充呢？對于這個(gè)問題，有一個(gè)著名的回答：“視情況而定?！痹诒疚闹?，我們將概述接地填充的一些正確與錯(cuò)誤用法，并解釋這一PCB布局實(shí)踐對電磁兼容性（EMC）的影響。

平衡所有層的銅分布

使用銅填充的一個(gè)原因是平衡PCB所有層上的銅分布。銅具有導(dǎo)熱性，不對稱的銅分布會影響層壓合過程中的熱量分布。使用銅填充有助于在此過程中平衡熱量。圖1展示了銅填充在此方面可發(fā)揮有益作用的一個(gè)實(shí)例。

圖1. 此PCB在背層使用了銅填充來提供接地平面，但頂層并未使用。通過在頂層也應(yīng)用一個(gè)銅填充區(qū)域，可以平衡PCB中的銅分布。

這種方法可能是一把雙刃劍，需要在焊盤和走線周圍留出足夠的間隙。雖然攜帶電源或直流信號的走線通常不會出現(xiàn)問題，但阻抗控制的走線可能會受到影響。用接地銅填充填充一層可能會引入走線與附近填充之間的隨機(jī)互電容，這將改變走線的阻抗（圖2）。

銅填充可能會導(dǎo)致走線阻抗發(fā)生不希望的變化。

圖2. 銅填充可能會導(dǎo)致走線阻抗發(fā)生不希望的變化。

為防止這種情況，應(yīng)在這些走線與銅填充之間設(shè)置更大的間隙。PCB設(shè)計(jì)軟件中的一些阻抗求解器工具可以計(jì)算給定間隙下的正確走線寬度，但在線計(jì)算器可能不太準(zhǔn)確。一個(gè)簡單且保守的規(guī)則是在走線邊緣與銅填充之間應(yīng)用“3W”間隙——即間隙等于走線寬度的三倍。

在雙層PCB中提供接地

在雙層PCB中，大部分空間用于放置元件和信號，因此在實(shí)際操作中不可能在每個(gè)信號旁邊都布置接地走線。最方便的解決方案是在信號層中填充接地銅填充。這可以平衡銅分布，并為大多數(shù)信號在兩層上都提供接地。然后，通過戰(zhàn)略性地放置縫合過孔來連接兩層之間的接地。

這種方法適用于低密度雙層PCB（圖3）。一旦兩層都布滿了走線和元件，可能就沒有太多空間用于接地銅填充了。一些設(shè)計(jì)師可能會填充未使用的區(qū)域，戰(zhàn)略性地放置縫合過孔，然后保持設(shè)計(jì)不變。然而，這通常會導(dǎo)致由于無意中在接地分割上方布線以及噪聲產(chǎn)生元件缺乏接地而導(dǎo)致的過量輻射發(fā)射。

此雙層PCB中的元件密度正好處于可能需要接地平面的臨界值。

圖3. 此雙層PCB中的元件密度正好處于可能需要接地平面的臨界值。

最簡單的解決方案是不依賴接地銅填充，而是使用四層PCB。高密度布線和元件排列受益于具有兩個(gè)內(nèi)部接地平面（或一個(gè)接地平面和一個(gè)電源平面）的四層堆疊，因?yàn)檫@提供了更好的信號完整性和更低的輻射發(fā)射。

銅天線

有時(shí)，銅填充會留下幾乎完全封閉且不會被自動(dòng)縫合過孔工具觸及的銅區(qū)域。請參見下面圖4中的圖像以獲取示例。盡管這些剩余區(qū)域在電氣上與接地相連，但它們作為天線具有電磁干擾（EMI）敏感性。較大的區(qū)域具有較低的諧振頻率，使其在低頻率下也易受EMI影響。依賴自動(dòng)縫合過孔功能來在所有地方連接接地可能會留下這些銅天線，而您的PCB軟件中的設(shè)計(jì)規(guī)則引擎通常會忽略它們。

圖4. 物理上分離的銅填充區(qū)域可能會像天線一樣，成為電磁干擾（EMI）的隱患。

另一個(gè)問題是死銅，即銅填充對象內(nèi)未與接地系統(tǒng)其余部分相連的銅區(qū)域。這種懸浮的銅也會像天線一樣工作。幸運(yùn)的是，這個(gè)問題可以通過在這些小塊銅上放置一兩個(gè)縫合過孔來輕松解決。

平面電容

最后，我們來談?wù)勲娫赐暾?，這也與輻射發(fā)射有關(guān)。帶有大型處理器的高速數(shù)字PCB通常需要大型的電源軌銅填充或整個(gè)電源平面層。此類設(shè)計(jì)通常從如圖5所示的六層堆疊開始。

第4層專門用于電源軌，而第5層使用接地則為這些電源軌提供了顯著的平面電容。

圖5. 第4層專門用于電源軌，而第5層使用接地則為這些電源軌提供了顯著的平面電容。

在這種堆疊中，第5層的接地平面緊鄰第4層的電源平面或電源軌，提供的平面電容有助于在10 MHz至100 MHz范圍內(nèi)進(jìn)行電源傳輸。

第3層是信號層，可能不需要也可能需要控制阻抗。如果第3層的走線密度較低，則用接地銅填充填充該層可為電源分配網(wǎng)絡(luò)提供更多的電容。平面電容的增加可能是顯著的，對于較大的電路板，有時(shí)甚至可能達(dá)到兩倍到四倍。

只要應(yīng)用了足夠的間隙，填充就不會影響走線阻抗。從EMI的角度來看，這會導(dǎo)致電源軌上的瞬態(tài)電壓減小，進(jìn)而降低電路板邊緣的高頻輻射發(fā)射。

接地填充并非解決EMI問題的萬能藥

綜上所述，在所有地方都使用接地銅填充并不是解決所有EMI問題的靈丹妙藥。有時(shí)，接地填充會創(chuàng)造新的問題，或意外地解決現(xiàn)有問題。有時(shí)，盡管存在銅填充，電路板也能正常工作并通過電磁兼容性（EMC）測試。

DENPAFLUX（前身為Mitai）等公司提供的EMC工具提供了至關(guān)重要的見解和指導(dǎo)，有助于您應(yīng)對銅填充的復(fù)雜作用，并克服其他EMC設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)師應(yīng)仔細(xì)考慮接地銅填充的使用，針對可能導(dǎo)致輻射發(fā)射和潛在EMC失敗的PCB特性和電氣條件。