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PCB板金属化包边的作用

time : 2019-10-31 09:48       作者:凡亿pcb

经常看到很多工控板或者射频板在PCB板的四周会打上一圈的过孔和铜带,甚至有些射频板会在四周板边进行金属化包边,这样做是啥套路?难道是攻城狮在装13吗?
现今,随着系统速率的提高,不仅仅是高速数字信号的时序、信号完整性问题突出,同时因系统中高速数字信号产生的电磁干扰及电源完整性造成的EMC问题也非常突出。高速数字信号产生的电磁干扰不仅会造成系统内部的严重互扰,降低系统的抗干扰能力,同时也会向外空间产生很强的电磁辐射,引起系统的电磁辐射发射严重超过EMC标准,使得产品不能通过EMC标准认证。多层PCB的板边辐射就是比较常见的电磁辐射源。
当非预期的电流达到接地层和电源层的边缘时,便发生边缘辐射。这些非预期的电流可能源自:
   ·电源旁路不充分所产生的接地和电源噪声。
   ·感性过孔所产生的圆柱形辐射磁场,它在电路板各层之间辐射,最终在电路板边缘会合。
   ·承载高频信号的带状线回流电流与电路板边缘靠得太近。
金属化包边
 造成电源噪声的根源主要在于两个方面:一是器件高速开关状态下,瞬态的交变电流过大;二是电流回路上存在的电感。从表现形式上来看又可以分为三类:
   ·同步开关噪声(SSN),有时被称为ΔI噪声,地弹(Ground
bounce)现象也可归于此类;
   ·非理想电源阻抗影响;
   ·谐振及边缘效应。
在高速数字电路中,当数字集成电路加电工作时,它内部的门电路输出会发生从高到低或者从低到高的状态转换,即”0″和”1″间的转换。在变化的过程冲,门电路中的晶体管将不停地导通和截止,这时会有电流从所接电源流入门电路,或从门电路流入地平面,使电源平面或地平面上的电流产生不平衡,从而产生一个瞬间变化的电流△I。
这个电流在流经回流路径上存在的电感时会形成交流电压降,进而引起噪声。 如果同时发生状态转换的输出缓冲器较多时,这个压降足够大,从而导致电源完整性问题,将这种噪声称为同步开关噪声(Simultaneous Switch Noise)SSN。
电源交流噪声会在电源层及地层之间,利用这两个平面的谐振腔模式传导交流噪声,传到平面边缘就会辐射到自由空间中,这会导致产品EMI过不了认证。
  上图为Simultaneous Switching Noise (SSN)利用电源平面及地平面之间的谐振腔传播交流噪声的示意图,当然这样的谐振腔不只传播SSN的交流噪声,在信号完整性没做好的情况下,也会传播高速信号的噪声。
对于过孔产生的噪声,我们知道,PCB上互联的信号线包括pcb外层的微带线及内层处于两平面间的带状线以及信号换层起连接作用的电镀过孔(过孔细分为通孔、盲孔、埋孔),处于表层的微带线和处于两平面间的带状线通过良好的参考平面层叠结构设计可以良好的控制辐射。
   而过孔在垂直方向上贯穿多个叠层,当高频信号传输线通过过孔换层时,不但传输线的阻抗发生的变化,信号回流路径的参考平面也发生了变化,当信号的频率相对较低时,通孔对信号传输的影响可以忽略不计,但是当信号频率上升到射频或者微波频段时,由于过孔的参考平面变化造成电流返回路径的变化,该过孔会产生的TEM波,会在在两平面形成的谐振腔间横向传播,最终通过pcb的边缘向外辐射到自由空间中,造成EMI指标超标。
  OK,现在我们知道了对于高频高速PCB,会在PCB的板边产生边缘辐射问题,那如何进行防护呢?
  产生EMC问题的三个要素是:电磁干扰源、耦合途径、敏感设备
敏感设备我们控制不了,切断耦合路径比如加个金属屏蔽设备外壳等,老wu这里不讲,就剩下如何想办法干掉干扰源了。
首先要优化PCB上的关键信号走线,避免自身出现EMI问题,多于换层的过孔,我们可以在关键信号的过孔四周打上接地过孔,为关键信号的过孔提供额外的回流路径。
嗯,对于减少PCB边缘辐射,之前老wu听说过一个20H规则,20H规则最早乃由W。Michael
King于1980年所提出,并由Mark.I.Montrose 于其著作中阐述,而受经营重视,并经常被列为重要的EMI设计规则,其中 H 指的是板子的厚度,即电源平面比地平面内缩个20H的距离。
为了降低边缘辐射这效应,电源平面应较相邻之地平面内缩,电源平面内缩约10H 则效果不明显;电源平面内缩20H 时,则吸收70%边际通量边界(Flux Boundary);电源平面内缩100H 时,则可吸收98%的边际通量边界;因而内缩电源层能有效抑制边际效应所造成的辐射。
老wu认为,20H规则已经不适合现在的高频高速PCB设计,以前的印刷电路板面积较大,内缩而造成的平面天线共振频率上升较不明显;现今因PCB板面较小,内缩电源层设计的辐射强度随着不同内缩电源层尺寸共振点变化较显著,而造成高频会出现较高的辐射能量。
使用内缩20H 的方式并无法完全解决辐射的下降,虽然,430MHz 以下频率有改善,而40H 则对590MHz 以下频率有改善,但因面积缩小使得共振频率变高,对于共振频率更高频段之辐射抑制是无帮助的。
EMI 未来的设计,因内缩电源层 20H 将无帮 助,且板子愈小则愈高频的辐射会因改变平面天线 效应而更严重,所以 20H 的理论已不合目前的实际需求。
既然20H规则对目前的高频高速PCB设计已经变得无效了,那对于干掉pcb板边辐射这个干扰源来说,就得采用屏蔽结构对边缘进行处理,从而将噪声反射回内层空间中,这会增加这些层上的电压噪 声,但边缘辐射得到降低。
低成本的实现方法就是在PCB的四周以1/20波长孔间距打上一圈接地过孔,形成接地过孔护盾,防止TME波对外辐射。
而对于微波电路板,其波长进一步变小,而由于PCB生产工艺现在,孔与孔之间的间距不能做的很小,此时已1/20波长的间距在PCB四周打屏蔽过孔的方式对于微波板作用已经不太明显,这时就需要采用PCB版本金属化包边工艺,将整个板边用金属包围起来,从而使微波信号无法从PCB板边辐**去,当然,采用板边金属化包边工艺,也将会导致PCB的生产制造成本增加许多。
对于射频微波板,某些敏感电路,以及有强烈辐射源的电路可以设计一个在PCB上焊接的屏蔽腔,PCB在设计时要加上“过孔屏蔽墙”,就是在PCB上与屏蔽腔壁紧贴的部位加上接地的过孔。这样就形成了一个个相对隔离的区域,类似下边的PCB,大家感受一下
过孔屏蔽墙的设计要求如下:
·有两排以上的过孔;
·两排过孔相互错开;
·同一排的过孔间距要小于λ/20;
·接地的PCB铜箔与屏蔽腔壁压接的部位禁止有阻焊