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pcb板为什么要做金属化包边?金属化包边有什么作用?

2019-10-31 20:32:03 聚鼎电路科技 1324

pcb板为什么要做金属化包边?金属化包边有什么作用?下面由:pcb板制板厂家(聚鼎电路科技)为您详细介绍一下:关于pcb板做金属包边的相关作用。


       相信在行业内的人士都经常看到很多工控pcb板或者射频pcb板,其pcb板的四周会打上一圈的过孔和铜带的,甚至有些射频pcb板会在四周板边进行金属化包边,这样做的目的是让人以为有内涵么?难道是工程师在装大X么?


       随着各产品的系统速率提高,不仅是高速数字信号的时序、信号的完整性问题尤为的突出,同时因系统从中高速数字信号中产生的电磁干扰,以及电源完整性造成的EMC问题也非常突出。对于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,还降低了系统的抗干扰能力,同时也会向外空间产生很强的电磁辐射,导致系统的电磁辐射发射严重超过EMC的标准,使产品不能通过EMC标准认证。而多层pcb板边的辐射就是比较常见的电磁辐源头。


       当非预期的电流达到接地层和电源层的边缘时,便产生边缘的辐射。这些是非预期的电流可能来自,电源旁路不够充分所产生的接地以及电源的噪声。而感性过孔所产生的圆柱形辐射磁场,其在电路板各层之间的辐射,最终也会在电路板边缘集合。而承载高频信号的带状线回流电流与电路板边缘之间也的太近了。


造成电源噪声的根源通常在于两个方面:

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。


其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(Groundbounce)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,数字集成电路加电工作时,其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,即是”0″和”1″之间的转换。在变化的过程中,门电路中的晶体管将不停地导通和截止,这个时候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的下降,进而引起吱吱吱的噪声。 如同时发生状态转换的输出缓冲器较多时,这个压降就会足够大,导致电源的不完整性问题,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标准测试过不了,达不到EMI认证的标准。


       利用电源平面及地平面之间的谐振腔传播交流噪声,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,也许会传播高速信号的噪声。


       对过孔产生的噪声我知道,pcb板上互联的信号线包括pcb板外层的微带线,及内层处于两平面间的带状线,以及信号换层起连接作用,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,参考平面层叠结构设计可以良好的控制辐射。


        过孔在垂直方向上贯穿了多个叠层,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,其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完全忽略不计了,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,会在两平面形成的谐振腔间横向传播,最终通过pcb板的边缘向外辐射到自由空间中,严重时会造成EMI指标超标。


现在我们知道了对于高频高速pcb板,会在pcb板的板边产生边缘辐射问题,那该如何进行防护呢?


        产生EMC问题的三个要素是:电磁干扰源、耦合途径、敏感设备,敏感设备我们也许控制不了,切断耦合路径比如加个金属的屏蔽设备外壳等,接下来是如何想办法干掉干扰源了。


       首先要优化PCB板上的关键电路的信号走线,避免自身出现EMI问题,多于换层的过孔,可以在关键信号的过孔四周打上接地过孔,为关键的信号过孔提供额外的回流路径。对于减少PCB边缘辐射,之前有说过一个20H规则,20H规则最早乃由W.MichaelKing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。


       我们认为,20H规则已经不适合现在的高频高速PCB设计,之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;如今因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,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。


       而EMI未来的设计,因内缩电源层20H将变的无帮助,且板子愈小则愈高频的辐射会因改变平面天线效应该会变的更严重,所以20H 的理论已不合目前的实际需求了。


        既然20H规则对目前的高频高速PCB设计已经变得毫无效果了,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来进行处理,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,但边缘辐射也得到降低。低成本的实现方法就是在PCB板的四周以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pcb板,其波长进一步变小,而由于pcb板生产工艺的现在,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板四周打屏蔽过孔的方式对于微波板作用已不太明显,这时就需要采用pcb板本金属化包边这种工艺了,将整个pcb板的板边用金属包围起来,从而使微波信号无法从pcb板边对外辐射,采用pcb板边金属化包边工艺,也将会导致pcb板的生产制造成本增加许多。


       对于射频微波pcb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板上的焊接屏蔽腔,pcb在设计时要加上“过孔屏蔽墙”,就是在pcb板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,类似下面的pcb板。


大家感受一下过孔屏蔽墙的设计要求如:

*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


好了以上的分享由:(聚鼎电路科技)pcb线路板制板厂提供,相信大家应该明白:金属化包边有什么作用,pcb板为什么要做金属化包边了吧?


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