Miedź w produkcji PCB. Czy naprawdę warto?

Na niepewnym gruncie – argumenty przeciwko obszarom wypełnionym miedzią

Ostatnio na liście SI-List, zwanej również SI Reflector (patrz uwagi na końcu artykułu), toczyła się ożywiona dyskusja dotycząca zagadnienia obszarów masy wypełnionych miedzią oraz tego, czy są one korzystne w wielowarstwowych płytkach PCB. W dyskusji padły argumenty z obu stron. Jedna z osób powiedziała, że wypełniony obszar masy obniża EMI, a inna wskazała, że równoważy on miedź i zmniejsza prawdopodobieństwo wypaczenia płytki. Jeszcze inna osoba twierdziła, że to obniża koszty wyprodukowania płytki, podczas gdy osoba obok oświadczyła, że to znacznie utrudnia proces produkcji. 

Ostateczny rezultat jest taki, że stosowanie wypełnionych obszarów masy nie daje żadnych korzyści. W poniższym artykule opiszemy historię tych wypełnień, ich domniemane zalety i wady oraz powody, dla których nie są one uzasadnione. Ponadto artykuł zawiera informacje o wypełnieniu innego typu — wypełnieniu warstwy sygnałowej — oraz jego zastosowaniach i zaletach. 

Historia wypełnionych obszarów masy 

Zasadniczo obszar masy wypełniony miedzią odnosi się do obszaru w warstwie sygnałowej na płytce PCB, który jest wypełniony miedzią. Idea miedzianych wypełnień krąży w branży PCB w zasadzie od zawsze, a swoje korzenie zawdzięcza guru EMC, którzy twierdzili, że wypełnienia masowe zmniejszą EMI. 

Z upływem lat wysunięto szereg domniemanych zalet obszarów masy wypełnionych miedzią, np.: 

• Zapewniają dodatkowe odprowadzanie ciepła. 
• Redukują liczbę trawień, jakie trzeba wykonać w procesie produkcji płytki PCB. 
• Zmniejszają prawdopodobieństwo wypaczenia się płytki PCB. 

Lee Ritchey, założyciel i prezes Speeding Edge, zauważa: „Większość powyższych twierdzeń nie jest prawdziwa. To prawda, że miedziane wypełnienia zmniejszą liczbę wymaganych trawień, ale jest to kwestia tak trywialna, że nie wpływa na cały proces produkcji płytki PCB”. 

Prawdę mówiąc, odnotowano szereg wad stosowania miedzianych wypełnień. Oto przykłady: 

• Anteny typu patch przypominają wypełnienie masowe. Te małe obszary mogą działać jak anteny i emitować zakłócenia. 
• Jeśli warstwa miedzi jest gruba, odprowadzanie ciepła z całego obszaru utrudnia odlutowanie w celu wykonania naprawy oraz serwisu. 
• O ile nie są stosowane przelotki ślepe i zagrzebane, każda przelotka blokuje potencjalne ścieżki, a zszywanie stanowi dodatkowe utrudnienie. 

Ritchey mówi dalej: „Jeśli chodzi o anteny typu patch, to nie przypominają one wypełnienia masowego, jeżeli nie znajdują się nad inną płaszczyzną i nie będą działać jak anteny, jeżeli będą się znajdować nad inną płaszczyzną, np. Vdd lub płaszczyzną masy. To prawda, że gruba warstwa miedzi utrudnia odlutowanie w celu wykonania naprawy oraz serwisu, ale to przy założeniu, że wypełnienie jest połączone z obszarem, gdzie odbywa się lutowanie. W odniesieniu do ostatniego punktu, jak odnotowano w poprzednich artykułach opublikowanych przez Speeding Edge, przelotki zszywające jako całość nie są przydatne, więc nie należy ich włączać do projektu PCB”. 

Ritchey dodaje: „Moja odpowiedź na to wszystko jest taka, że jeśli zbada się miliony sprawnych płytek powstających każdego dnia, które nie mają miedzianych wypełnień, to daje to dobre podstawy, żeby być podejrzliwym. Na podstawie osobistego doświadczenia zdobytego podczas prac przy projektowaniu ponad 5000 płytek mogę powiedzieć, że nigdy nie wykonywaliśmy obszarów masy wypełnionych miedzią i nie odnotowaliśmy żadnego z wyżej wspomnianych problemów związanych z ich niewykonaniem. Co więcej, żaden z tych „ekspertów”, którzy argumentowali za wypełnieniami masowymi, nie był w stanie przedstawić fizycznych dowodów na poparcie swoich tez. Okazuje się, że jest to jeden z tych mitów, które krążą w branży od zawsze. Gdy tylko się wydaje, że udało się zgładzić tego „smoka”, on znowu podnosi łeb. Wynika to stąd, że młodzi inżynierowie, którzy natykają się na tego rodzaju stwierdzenia, starają się znaleźć informacje na poparcie ich prawdziwości”. 

Jedną z kwestii, które trzeba odnotować, jest to, że podczas badania tematyki tego artykułu dokonano rozróżnienia w odniesieniu do skuteczności miedzianych wylewek na płytkach dwuwarstwowych wobec wielowarstwowych. Mówi się, że wypełnienie masowe jest przydatne na płytkach dwuwarstwowych, które nie mają pełnej płaszczyzny odniesienia, a także zmniejsza przesłuchy wynikające ze sprzężenia pojemnościowego. 

Ritchey wyjaśnia: „Jeśli chcemy, żeby linie transmisyjne nie miały problemów ze sprzężeniem, powinny one biec nieprzerwanie przez płaszczyznę. Wypełnianie niewykorzystanej przestrzeni na płytce dwuwarstwowej tzw. masą tego nie zapewnia. Nie ma ciągłości. To smutne, że wielu ludzi myśli, że mają płaszczyznę, gdy zaleją niewykorzystaną przestrzeń miedzią i nazwą to masą. Porozrzucane łaty materiału, które oni nazywają „masą”, nie tworzą płaszczyzny”. 

Powyższe informacje dotyczące płytek dwuwarstwowych podano jako punkt referencyjny. Wszystkie ostatnie działania związane z wypełnieniami masowymi na SI Reflector dotyczyły płytek wielowarstwowych. Jednak niezależnie od tego, czy dana płytka jest dwuwarstwową płytką analogową, czy wielowarstwową płytką cyfrową, zastosowanie wypełnień masowych nie zapewnia znaczących korzyści, a w rzeczywistości może zaszkodzić płytce, jeśli chodzi o jej finalne działanie. 

Wypełnienia warstwy sygnałowej 

Zdarza się, że zalanie niewykorzystanej przestrzeni w warstwie sygnałowej miedzią może utworzyć potrzebną, dodatkową pojemność płaszczyzny. Wypełnienie może stanowić Vdd, jeśli płaszczyzna obok jest masą, albo może stanowić masę, jeśli płaszczyzna obok to Vdd. Zasadniczo niewykorzystaną przestrzeń w warstwie sygnałowej zalewa się miedzią, a następnie łączy z odpowiednią szyną zasilania, tj. masą albo Vdd, aby utworzyć dodatkową pojemność płaszczyzny. Tego typu operacje to codzienność. 

Przykład na rys. 1 przedstawia kartę adaptera Ethernet o dwóch prędkościach w obudowie PCMCIA. Początkowo projekt nie przeszedł pomyślnie testu EMI i był „dziwny”. Jest to symptom powiązany z nieodpowiednią pojemnością płaszczyzny. Dodanie dwóch płaszczyzn nie wchodziło w grę ze względu na grubość oraz koszty. 

_{Rys. 1. Miedź w produkcji płytki PCB PCMCIA z wypełnieniem warstwy sygnałowej}

Ten projekt ma sześć warstw. Są to: Górna warstwa L1; płaszczyzna Vdd L2; warstwa sygnałowa L3; warstwa sygnałowa L4; płaszczyzna masy L5; spodnia warstwa L6. Niewykorzystana przestrzeń w czterech warstwach sygnałowych — L1, L3, L4 oraz L6 — została zalana miedzią. Miedziane wypełnienie było podłączone do odpowiedniej szyny zasilania, żeby stanowić pojemność płaszczyzny.

Wypełnienie w warstwach L1 i L3 jest połączone do masy, ponieważ sąsiednia warstwa, L2, to płaszczyzna Vdd. Wypełnienie w warstwach L4 i L6 jest podłączone do Vdd, ponieważ L5 to płaszczyzna masy. Przed zalaniem warstw sygnałowych miedzią w celu utworzenia dodatkowej pojemności wartość pojemności międzypłaszczyznowej wynosiła 500 pF. Po zalaniu warstw sygnałowych pojemność międzypłaszczyznowa wynosiła 4000 pF lub nF. Rys. 2 przedstawia emisje „przed” (kolor niebieski) oraz emisje „po” (kolor czerwony). Zalanie niewykorzystanej przestrzeni w warstwie sygnałowej tej małej płytki PCB poprawiło emisję i stabilność układów logicznych na tyle, żeby produkt działał prawidłowo. 

_{Rys. 2. Emisje zakłóceń elektromagnetycznych przed i po wypełnieniu warstwy sygnałowej miedzią w produkcji PCB z rys. 1}

Ritchey zauważa: „Są dwie sytuacje, w których stosuję wypełnienie warstwy sygnałowej. Jedna to ta, gdy nie mogę sobie pozwolić na dodanie warstw dla uzyskania właściwej pojemności międzypłaszczyznowej. Tak było w przypadku wspomnianej powyżej karty PCMIA. Druga to ta, gdy rozmiary płytki są tak małe, że akurat nie ma dużej pojemności międzypłaszczyznowej”.

Podsumowanie

Rzekome tezy dotyczące obszarów masy wypełnionych miedzią krążą w branży odkąd zaczęto projektować płytki. Tak naprawdę nie zapewniają one żadnych rzeczywistych korzyści, a wręcz mogą negatywnie wpłynąć na działanie płytki PCB. Drugi typ wypełnienia, wypełnienie warstwy sygnałowej, można zastosować dla uzyskania dodatkowej pojemności międzypłaszczyznowej, jeśli rozmiary płytki są niewielkie lub jeśli pojemność międzypłaszczyznowa wcześniej nie istniała.

Uwaga — SI Reflector

Lista SI-List, tzw. SI Reflector, powstała 16 maja 1994, a na liście adresów e-mail założycieli

było 30 członków. Jest to forum poświęcone integralności sygnału, na którym można zadawać pytania, udzielać odpowiedzi oraz uczestniczyć w debatach i posłuchać branżowych pogaduszek.  Aby zapisać się na listę, przejdź na stronę: http://www.freelists.org/webpage/si-list. 

Aby uzyskać dostęp do archiwalnych postów, przejdź na stronę: http://www.freelists.org/archive/si-list.

Odsyłacze

1. Ritchey, Lee W. i Zasio, John J., „Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volumes 1 and 2.”

Altium Designer^® to doskonałe oprogramowanie do usuwania problemów z wielowarstwowymi płytkami PCB.  Porozmawiaj z ekspertem Altium, aby dowiedzieć się więcej.