Printkortdesign er en vigtig faktor, der påvirker mange elektroniske produkters ydeevne. At lave et pålideligt produkt og derefter få succes på markedet er den største belønning for omhyggelig overvejelse af alle designspørgsmål. At vælge den rigtige afskærmningskavitet på printkortniveau er kun en del af et vellykket design. Andre vigtige spørgsmål skal også overvejes nøje, f.eks. arbejdsmiljøet, det samlede antal produkter, der skal fremstilles, den monteringsmetode, der skal bruges, de planlagte test- og inspektionsmetoder og layoutet af printkortet og komponenterne.
Ligesom ved valg af strømforsyning træffes valget om at bruge et RF-afskærmningshulrum ofte i slutningen af designprocessen. Det efterlader ofte for lidt plads til afskærmningskaviteten. Som følge heraf kan hulrummet påvirke andre dele af designet med hensyn til fysisk struktur.
3DS - Design, udvikling, tegning
Design og udvikling af afskærmningskaviteter og -systemer på printkortniveau kan opdeles i tre vigtige trin: design, udvikling og udarbejdelse. Aktiv kommunikation og konsultation mellem brugeren af hulrummet og hulrumsdesignteamet er meget vigtig. Det er bedst at finde en producent af hulrum, der kan give indledende designvejledning, råd om brug, besøg på stedet, prototypedesign, prøveproduktion, valg af belægning og tykkelse, forarbejdning, montering og gennemgang af omkostningsbesparelser.
For at få markedsoverskud ud af et produkt skal omkostningerne kontrolleres. Strukturelt design kan sammen med en detaljeret designplan og kundeinput hjælpe med at nå det ideelle mål: at få det nødvendige resultat med begrænsede omkostninger.
Valg af formular
Når man vælger kavitetens form, er der mange faktorer, der skal tages i betragtning. Hvad er det helt præcist, der skal afskærmes? Hvad er den nøjagtige karakter af interferenskilden? Når kaviteten er monteret på printkortet, skal kunden så stadig åbne den for at foretage ændringer, test, inspektion eller justering? Monteres kaviteten ved hjælp af gennemgående eller overflademonterede metoder? Hvad er den forventede produktionsmængde? Svarer denne mængde til omkostningerne ved maskinplacering? Hvilke kredsløbsområder har brug for afskærmning eller skal adskilles fra andre områder? Skal denne applikation bruge en eller flere kaviteter? Skal det endelige produkt gennemgå stødtest, vibrationstest eller faldtest i emballagen?
Afskærmende former
Til en bestemt anvendelse hjælper en omhyggelig gennemgang af ovenstående spørgsmål med at vælge den mest hensigtsmæssige og mest økonomiske afskærmningsform. Der kan vælges forskellige firesidede afskærmningskaviteter til forskellige anvendelser.
Et firesidet afskærmningshulrum med fingerfjederdæksel har et hegn på alle fire sider. Hegnet og rækken af stifter ved PCB-kanten kan loddes til PCB'et ved håndlodning, bølgelodning eller reflow-lodning gennem hullet. Fingerfjederdæksler bruges ofte til denne type hulrum. Hvis hegnshøjden er tilstrækkelig til at holde fingerfjederen, er fingerfjederdækslet det bedste valg blandt de aftagelige dæksler. Fingerfjederstørrelser, f.eks. standardhøjde eller lavprofil, kan fremstilles efter behov. Hvis der ikke er plads nok uden for hegnet til udvendige fingerfjedre, bør man vælge indvendige fingerfjedre. Hvis de udvendige fingerfjedre og de indvendige fingerfjedre har samme form på modsatte sider, kan de også bruges sammen.
Et overflademonteret firesidet hulrum med fingerfjedre er en anden mulighed for afskærmende hulrum. Denne type hulrum er det samme som et normalt firesidet hulrum, bortset fra at det ikke har faste stifter. Den loddes ofte til printkortet langs en kontinuerlig linje ved hjælp af sømlodning. Når man vurderer forholdet mellem hegnets højde og fingerlængden, skal designeren medregne tykkelsen af loddefileten i bunden af hegnet.
En anden måde at erstatte et loddehegn med kontinuerlig søm er at lave hegnet langs PCB-kanten med huller. Denne metode reducerer mængden af loddemetal, der bruges til at fastgøre hegnet til printkortet. Den giver også plads til, at sporene kan passere gennem hegnets afgrænsning, uden at der er brug for særlige sporafstandsvias eller et flerlags printkort. Hvis der bruges maskinplacering til at montere hegnet på printkortet, skal der bruges overflademonteringsteknologi. Det kan kræve brug af stemplede fence-strukturer, som vist i figur 1.
Et firesidet PCB-kavitet kan også bruge et fladt fold-over-låg, som vist i figur 2. Denne type låg har lavere produktionsomkostninger, især i udviklingsfasen. Den eneste svaghed ved dette design er, at det ikke fuldt ud kan garantere en god forbindelse mellem låget og hegnet, undtagen hvor der anvendes lågholderstrimler. Ethvert hul i forbindelsen vil påvirke hulrummets EMC-præstation. Disse lågholderstrimler kan enten være foldede eller indpakkede, som vist i figur 2 og figur 3. Begge typer strips kan understøtte låget, når det skal flyttes og udskiftes mere end fem gange.
Fladt låg, der kan klappes op
Når den virkelige anvendelse kræver en lav profil på hegn og låg, kan man bruge et snap-on-låg. Små tapper på lågets sidevæg passer ind i små åbninger på hegnets sidevæg. Dette design kan reducere hegnets højde til 1,5 mm. Ligesom låglisten og spaltelåget kan dette design heller ikke helt garantere en god forbindelse mellem hegnet og låget, medmindre fligene sidder godt fast. Og jo flere flige, der er på væggen, jo sværere bliver det at fjerne låget, når der er behov for reparation eller justering efter installationen.
Nogle designere foretrækker at bruge placeringsudstyr fra en overflademonteringslinje til at lave låget og afskærmningen til en enhed. I dette tilfælde åbnes låget kun, når komponenterne inde i kaviteten skal bearbejdes. Når man vælger dette design, betyder det, at der skal være små huller på låget, så varmen kan komme ind i kaviteten og lodde de interne elektroniske dele på printkortet, som vist i figur 4. Desværre vil disse huller reducere hulrummets afskærmningsevne med ca. 20 dB.
Når hulrummet installeres efter testning, eller når PCB-outputvolumen er meget høj, er det mere omkostningseffektivt at vælge et femsidet hulrum. Dette valg kan træffes med loddestifter, punktsvejsehjørner, stumpsvejsehjørner eller termiske reflow-huller. Indtil videre er den billigste måde at udvikle femsidede hulrum og producere små mængder på at bruge formede femsidede hulrum. Som vist i figur 5 laves disse ved at markere på et fladt ark. Når de er installeret på printkortet, behøver brugeren kun at folde dem til den ønskede form.
Afskærmende materialer
Til de fleste RF-afskærmninger kan næsten ethvert basismateriale, som f.eks. kobber, messing, rustfrit stål, aluminium eller nysølv, bruges til at lave afskærmningskabinettet. I monteringsprocessen til lodning af komponenter på printkortet bruges plettering oftere end nysølv. Tidligere brugte man blank fortinning. Men med brugen af RoHS-reglerne om skadelige stoffer skiftede PCB-produktionslinjerne til blyfri lodning. Reflow-temperaturen for blyfri loddemetal er lig med eller endda højere end smeltepunktet for blank tin. På grund af dette ændrede brugen af nysølv sig også. Selvfølgelig kan forsølvning eller forgyldning også bruges, men omkostningerne er helt klart for høje.
Ved lave frekvenser forårsages interferens normalt af magnetfelter. Selvom tykkere stålplader eller fosforbronze nogle gange bruges til at lave afskærmende hulrum, bruges der oftere specielle materialer som Mu-metal eller RF-materialer.
Frekvensgrænsen for at lave afskærmende hulrum med metalfolie er normalt omkring 3 til 5 GHz. Hvis frekvensen går ud over dette område, vil to effekter begrænse afskærmningens effektivitet eller reducere dens funktion. På grund af den fordelte kapacitans mellem hulrummet og de elektroniske komponenter på printkortet kan enhver lille bevægelse i hulrumsmetallet skabe en mikrofonisk effekt. I dette frekvensområde vælges normalt solidt forarbejdede strukturer til afskærmning, så disse effekter kan undgås.
En anden højfrekvent effekt kan opstå ved den harmoniske frekvens for kredsløbets driftsfrekvens, hvor hulrummet bliver en del af en bølgeleder. I dette tilfælde kan hulrummet opføre sig mere som et resonanshulrum end som et skjold. Denne effekt kan undgås ved at tilføje absorberende materiale inde i hulrummet eller ved omhyggeligt at vælge hulrummets størrelse.
Produktions- og monteringsdesign
En nøglefaktor i kavitetsdesignet er at kende produktionsmængden af den endelige komponent eller det endelige produkt. Denne beslutning vil bestemme den endelige produktionsmetode og til en vis grad valget af afskærmningsform. Som diskuteret ovenfor for fence-lid-designs og femsidede hulrum er det klart, at det er meget billigere at lave en komplet enhed end at sætte to dele sammen for at danne skjoldet.
Den valgte produktionsmetode påvirker også komponentomkostningerne. Sammenlign f.eks. omkostningerne ved fotokemisk bearbejdning (PCM) med stansning eller med en blandet metode, hvor man bruger begge dele. Skal komponenterne placeres manuelt eller maskinelt? Hvis der anvendes maskinel placering, samler de fleste maskiner delene op med en vakuumdyse, så der er brug for placeringsmål. Nogle maskiner bruger et klemmesystem til at gribe fat i delene, men denne type maskine er ikke særlig almindelig.
Ved maskinplacering skal kravet om koplanaritet for PCB-kanthegnet være inden for 0,1 mm for at sikre, at hulrummet er på loddepastaen under placering, eller når det kommer ind i reflow-ovnen.
Almindelige skjoldmaterialer til maskinbearbejdning
Til de fleste RF-afskærmninger kan næsten ethvert basismateriale, som f.eks. kobber, messing, rustfrit stål, aluminium eller nysølv, bruges til at lave afskærmningen. I monteringsprocessen til lodning af komponenter på printkortet bruges plettering oftere end nysølv. Tidligere brugte man blank fortinning. Men med anvendelsen af RoHS-reglerne om skadelige stoffer gik PCB-produktionslinjerne over til blyfri lodning. Reflow-temperaturen for blyfri loddemetal er lig med eller endda højere end smeltepunktet for blank tin. På grund af dette ændrede brugen af nysølv sig også. Selvfølgelig kan forsølvning eller forgyldning også bruges, men omkostningerne er helt klart for høje. Ved lav frekvens skyldes interferens normalt magnetfelter. Selvom tykkere stålplader eller fosforbronze nogle gange bruges til at lave afskærmende hulrum, bruges der oftere specielle materialer som Mu-metal eller RF-materialer.
Frekvensgrænsen for at lave afskærmende hulrum med metalfolie er normalt omkring 3 til 5 GHz. Hvis frekvensen går ud over dette område, vil to effekter begrænse afskærmningens effektivitet eller reducere dens funktion. På grund af den fordelte kapacitans mellem hulrummet og de elektroniske komponenter på printkortet kan enhver lille bevægelse i hulrumsmetallet skabe en mikrofonisk effekt. I dette frekvensområde vælges normalt solidt forarbejdede strukturer til afskærmning, så disse effekter kan undgås.
En anden højfrekvent effekt kan opstå ved den harmoniske frekvens for kredsløbets driftsfrekvens, hvor hulrummet bliver en del af en bølgeleder. I dette tilfælde kan hulrummet opføre sig mere som et resonanshulrum end som et skjold. Denne effekt kan undgås ved at tilføje absorberende materiale inde i hulrummet eller ved omhyggeligt at vælge hulrummets størrelse.
Afsluttende noter
For de fleste anvendelser af RF-afskærmning er nøglen ikke kun at vælge den rigtige skærmform, men også at matche det rigtige materiale, den rigtige proces og den rigtige samlingsmetode. Et godt design skal afbalancere afskærmningseffekt, omkostninger, produktionsmængde og senere behov for omarbejdning. I virkelige printkortprojekter er den bedste løsning ofte ikke den mest komplekse. Det er den, der kan fremstilles, samles, testes og repareres på en stabil og billig måde.
1. Hvad er PCB-afskærmning, og hvorfor er det vigtigt?
PCB-afskærmning bruges til at blokere elektromagnetisk interferens (EMI). Det hjælper med at forbedre signalstabiliteten og sikrer pålidelig produktydelse.
2. Hvilke typer PCB-afskærmningshulrum findes der?
Almindelige typer omfatter firesidede afskærmningsdåser, overflademonterede afskærmninger, snap-on-låg og femsidede hulrum. Hver type passer til forskellige design- og omkostningsbehov.
3. Hvordan vælger jeg det rigtige afskærmningshulrum til mit printkort?
Du skal overveje interferenskilde, plads, produktionsmængde, monteringsmetode, og om skærmen skal kunne tages af til test.
4. Hvilke materialer bruges til RF-afskærmning i printkort?
Almindelige materialer er kobber, messing, rustfrit stål, aluminium og nysølv. Særlige materialer som Mu-metal bruges til lavfrekvent magnetisk afskærmning.
5. Påvirker afskærmningsdesignet PCB-omkostningerne?
Ja. Afskærmningsstrukturen, materialet og monteringsmetoden påvirker alle omkostningerne. Et enkelt integreret design er normalt mere omkostningseffektivt.
6. Hvad er forskellen mellem overflademontering og afskærmning gennem huller?
Overflademonteret afskærmning er lettere at montere automatisk. Afskærmning gennem huller giver stærkere mekanisk støtte, men kan øge omkostningerne.
7. Hvordan kan jeg forbedre EMI-præstationen i PCB-design?
Du kan forbedre EMI-præstationen ved at bruge korrekt afskærmning, optimere layout, reducere støjkilder og vælge de rigtige materialer og jordingsmetoder.
8. Kan afskærmningskaviteter genbruges eller fjernes?
Ja. Nogle designs, som f.eks. fingerfjederdæksler, gør det nemt at fjerne dem for at teste, reparere eller justere dem.
