AD学习笔记（17）——Polygons

在PCB设计领域，Polygons（多边形覆铜）是指在电路板特定层上创建的大面积铜箔区域，主要用于接地、电源分配或信号屏蔽。其核心作用是优化电路性能、散热效率和制造可靠性。

一、功能解析

1. 基本定义

   • 多边形覆铜：通过绘制闭合多边形轮廓，在PCB层（如顶层、底层或内层）填充铜箔，形成连续导电区域。
   • 常见类型：
     • 地平面（GND Plane）：提供低阻抗回流路径，减少信号干扰。
     • 电源平面（Power Plane）：为元件分配特定电压（如3.3V、5V）。
     • 信号屏蔽层：包裹敏感信号线（如RF走线），降低EMI。

2. 物理形态

   • 实心铜（Solid Fill）：完全填充的铜区域，散热和导电性能最佳。
   • 网格铜（Hatched Fill）：由网格状铜条组成，减少热应力，适用于手工焊接。

二、核心作用

1. 改善信号完整性

   • 地平面回流：高频信号沿地平面最短路径返回源端，减少环路面积。例如，差分信号线下方需保持完整地平面，避免阻抗突变。
   • 降低串扰：相邻信号线间的地平面可抑制电场耦合，如DDR数据线与地平面的间距需≤5mil。

2. 散热优化

   • 热传导：铜的导热系数（401 W/m·K）远高于FR-4基板（0.3 W/m·K），覆铜可快速扩散元件热量。例如，功率MOSFET的散热焊盘通过过孔连接到大面积覆铜。
   • 典型案例：某LED驱动板通过底层整面地平面覆铜，使LED结温降低15°C。

3. 电源分配与阻抗控制

   • 低阻抗路径：电源平面的大面积铜箔可降低电源网络阻抗，例如5V平面的阻抗需控制在≤50mΩ。
   • 去耦电容布局：在电源平面与地平面间放置高频电容（如0.1μF），形成低阻抗回路。

4. 增强机械强度

   • 铜箔可提高PCB抗弯曲能力，减少因外力导致的基板开裂风险，尤其适用于薄板（如0.8mm厚度）设计。

三、设计与实现

1. 操作流程（以Altium Designer为例）

   放置 → 多边形覆铜 → 选择层（如Top Layer）→ 绘制闭合轮廓 → 设置网络（如GND）
   

   • 填充模式：通过Properties面板选择Solid或Hatched模式。
   • 安全间距：设置与其他铜区域的距离（如10mil），避免短路。

2. 过孔阵列（Thermal Vias）

   • 在发热元件下方布置密集过孔（如0.3mm内径，0.6mm外径），连接顶层与底层覆铜，形成热通道。例如，某BGA封装IC底部需放置≥20个过孔。

3. 孤岛处理

   • 孤立的小面积覆铜可能成为EMI辐射源，需通过“移除死铜（Remove Dead Copper）”功能删除无连接的铜区。

四、注意事项

1. 制造工艺限制

   • 最小线宽/间距：国内PCB厂常规工艺支持≥4mil线宽，覆铜间距需≥6mil以确保蚀刻质量。
   • 阻焊层设计：覆铜区域需添加阻焊开窗（Solder Mask Expansion），避免焊膏粘连。

2. 热应力管理

   • 大面积实心铜在焊接时易导致局部过热，可采用网格铜或十字形连接（Thermal Relief）减少热冲击。例如，电源平面与焊盘的连接采用45°十字桥接，桥宽≥10mil。

3. DFM检查

   • 使用Gerber Viewer验证覆铜区域是否存在锐角（需≥90°）、未连接铜岛等问题，避免生产缺陷。

五、对比与扩展

参数	实心覆铜	网格覆铜
散热效率	高（铜覆盖率100%）	中（铜覆盖率约60%）
焊接可靠性	低（易造成虚焊）	高（热应力分散）
EMI抑制能力	优	良
适用场景	高频电路、散热要求高	手工焊接、低频电路

合理使用多边形覆铜是PCB设计的关键技能，需根据电路类型（模拟/数字/RF）、散热需求和制造工艺灵活调整覆铜策略。现代EDA工具（如Altium、KiCad）提供了丰富的覆铜编辑功能，可通过DRC规则自动检查覆铜质量，确保设计符合电气和物理要求。