Das Design von Leiterplatten ist ein wichtiger Faktor, der die Leistung vieler elektronischer Produkte beeinflusst. Die Herstellung eines zuverlässigen Produkts und der anschließende Markterfolg sind die größte Belohnung für sorgfältige Überlegungen in allen Designfragen. Die Wahl des richtigen Abschirmungshohlraums auf Leiterplattenebene ist nur ein Teil eines erfolgreichen Designs. Auch andere wichtige Aspekte müssen sorgfältig bedacht werden, z. B. die Arbeitsumgebung, die Gesamtzahl der herzustellenden Produkte, die zu verwendende Montagemethode, die geplanten Test- und Prüfverfahren sowie das Layout der Leiterplatte und der Komponenten.
Genau wie bei der Auswahl der Stromversorgung wird die Entscheidung für einen HF-Abschirmungsraum oft erst am Ende des Entwurfsprozesses getroffen. Dadurch bleibt oft zu wenig Platz für den Abschirmungshohlraum. Infolgedessen kann der Hohlraum andere Teile des Entwurfs in Bezug auf die physische Struktur beeinträchtigen.
3DS - Design, Entwicklung, Zeichnung
Der Entwurf und die Entwicklung von Abschirmungshohlräumen und -systemen auf Leiterplattenebene kann in drei Hauptschritte unterteilt werden: Entwurf, Entwicklung und Konstruktion. Aktive Kommunikation und Konsultation zwischen dem Nutzer der Kavität und dem Kavitätenentwurfsteam sind sehr wichtig. Am besten ist es, einen Hohlraumhersteller zu finden, der eine anfängliche Entwurfsberatung, Beratung zur Verwendung, Besuche vor Ort, Entwurf von Prototypen, Herstellung von Mustern, Auswahl der Beschichtung und der Dicke, Verarbeitung, Montage und Überprüfung der Kosteneinsparungen anbieten kann.
Um ein Produkt gewinnbringend zu vermarkten, müssen die Kosten kontrolliert werden. Strukturelles Design, zusammen mit einem detaillierten Designplan und dem Input des Kunden, kann helfen, das ideale Ziel zu erreichen: das gewünschte Ergebnis mit begrenzten Kosten zu erzielen.
Auswahl des Formulars
Bei der Wahl der Form des Hohlraums müssen viele Faktoren berücksichtigt werden. Was genau muss abgeschirmt werden? Was ist die genaue Art der Störquelle? Muss der Kunde die Kavität nach der Montage auf der Leiterplatte für Änderungen, Tests, Inspektionen oder Anpassungen noch öffnen? Wird die Kavität mit Durchsteck- oder Oberflächenmontageverfahren montiert? Wie hoch ist das erwartete Produktionsvolumen? Steht dieses Volumen im Verhältnis zu den Kosten für die Maschinenbestückung? Welche Schaltungsbereiche müssen abgeschirmt oder von anderen Bereichen getrennt werden? Soll für diese Anwendung ein Hohlraum oder mehrere Hohlräume verwendet werden? Wird das Endprodukt in der Verpackung Stoß-, Vibrations- oder Falltests unterzogen?
Formen der Abschirmung
Eine sorgfältige Prüfung der obigen Fragen hilft bei der Auswahl der geeignetsten und wirtschaftlichsten Abschirmungsform für eine bestimmte Anwendung. Für verschiedene Anwendungen können unterschiedliche vierseitige Abschirmungshohlräume gewählt werden.
Ein vierseitiger Abschirmungshohlraum mit Fingerfederabdeckung hat auf allen vier Seiten einen Anschlag. Der Anschlag und die Reihe von Stiften am Rand der Leiterplatte können mit der Leiterplatte durch Handlöten, Wellenlöten oder Reflow-Löten mit Durchgangslöchern verlötet werden. Für diese Art von Hohlraum werden häufig Fingerfederkappen verwendet. Wenn die Zaunhöhe ausreicht, um die Fingerfeder zu halten, dann ist die Fingerfederabdeckung die beste Wahl unter den abnehmbaren Abdeckungen. Fingerfedern in Standardhöhe oder mit niedrigem Profil können je nach Bedarf hergestellt werden. Wenn außerhalb des Zauns nicht genügend Platz für externe Fingerfedern vorhanden ist, sollten interne Fingerfedern gewählt werden. Wenn die äußeren Fingerfedern und die inneren Fingerfedern auf gegenüberliegenden Seiten die gleiche Form haben, können sie auch gemischt verwendet werden.
Ein oberflächenmontierter vierseitiger Hohlraum mit Fingerfedern ist eine weitere Option für einen Abschirmungshohlraum. Diese Art von Kavität ist die gleiche wie eine normale vierseitige Kavität, außer dass sie keine festen Stifte hat. Sie wird häufig entlang einer durchgehenden Linie durch Nahtlöten auf die Leiterplatte gelötet. Bei der Beurteilung des Verhältnisses zwischen Zaunhöhe und Fingerlänge muss der Konstrukteur die Dicke der Lotkehle am Boden des Zauns berücksichtigen.
Eine andere Möglichkeit, einen durchgängig nahtgelöteten Anschlag zu ersetzen, besteht darin, den Anschlag entlang der Leiterplattenkante mit Lücken herzustellen. Bei dieser Methode wird weniger Lot benötigt, um den Zaun an der Leiterplatte zu befestigen. Außerdem bleibt Platz für Leiterbahnen, die durch den Zaun verlaufen können, ohne dass spezielle Durchkontaktierungen für Leiterbahnen oder eine mehrlagige Leiterplatte erforderlich sind. Wenn der Zaun maschinell auf der Leiterplatte montiert wird, muss die Oberflächenmontagetechnik verwendet werden. Dies kann die Verwendung von gestanzten Zaunstrukturen erfordern, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Für eine vierseitige Leiterplattenkavität kann auch ein flacher, umklappbarer Deckel verwendet werden, wie in Abbildung 2 dargestellt. Dieser Deckeltyp hat geringere Produktionskosten, insbesondere in der Entwicklungsphase. Der einzige Schwachpunkt dieser Konstruktion ist, dass eine gute Verbindung zwischen dem Deckel und dem Zaun nicht vollständig gewährleistet werden kann, es sei denn, es werden die Deckelhalteleisten verwendet. Jede Lücke in der Verbindung beeinträchtigt die EMV-Leistung des Hohlraums. Diese Deckelhaltestreifen können entweder gefaltet oder gewickelt sein, wie in Abbildung 2 und Abbildung 3 dargestellt. Beide Arten von Streifen können den Deckel mehr als fünfmal bewegen und austauschen.
Flacher, umklappbarer Deckel
Wenn die tatsächliche Anwendung ein niedriges Profil von Zaun und Deckel erfordert, kann ein Schnappdeckel verwendet werden. Kleine Laschen an der Seitenwand des Deckels passen in kleine Schlitze an der Seitenwand des Zauns. Mit dieser Konstruktion kann die Zaunhöhe auf 1,5 mm reduziert werden. Wie die Deckelhalteleiste und der Spaltdeckel kann auch diese Konstruktion eine gute Verbindung zwischen dem Zaun und dem Deckel nicht vollständig gewährleisten, es sei denn, die Laschen sind fest angebracht. Je mehr Laschen an der Wand angebracht sind, desto schwieriger wird es, den Deckel zu entfernen, wenn nach der Installation eine Reparatur oder Anpassung erforderlich ist.
Einige Konstrukteure ziehen es vor, Bestückungsvorrichtungen aus einer Oberflächenmontagelinie zu verwenden, um den Deckel und das Gitter zu einer Einheit zu machen. In diesem Fall wird der Deckel nur dann geöffnet, wenn Bauteile in der Kavität nachbearbeitet werden müssen. Die Wahl dieses Designs bedeutet, dass kleine Lochreihen auf dem Deckel belassen werden müssen, damit Wärme in den Hohlraum eindringen und die internen elektronischen Bauteile auf die Leiterplatte löten kann, wie in Abbildung 4 dargestellt. Leider verringern diese Löcher die Abschirmungsleistung des Hohlraums um etwa 20 dB.
Wenn die Installation der Kavität nach dem Testen erfolgt oder wenn das Produktionsvolumen der Leiterplatte sehr hoch ist, ist die Wahl einer fünfseitigen Kavität kostengünstiger. Diese Wahl kann durch Lötstifte, punktgeschweißte Ecken, stumpfgeschweißte Ecken oder thermische Reflow-Löcher getroffen werden. Bisher ist die kostengünstigste Art, fünfseitige Kavitäten zu entwickeln und in kleinen Stückzahlen zu produzieren, die Verwendung geformter fünfseitiger Kavitäten. Wie in Abbildung 5 dargestellt, werden diese durch Markierung auf einem flachen Blech hergestellt. Wenn sie auf der Leiterplatte installiert sind, muss der Benutzer sie nur in die gewünschte Form falten.
Abschirmende Materialien
Für die meisten HF-Abschirmungen kann fast jedes Basismaterial, wie Kupfer, Messing, Edelstahl, Aluminium oder Neusilber, zur Herstellung des Abschirmgehäuses verwendet werden. Bei der Montage von Bauteilen auf der Leiterplatte wird häufiger eine Beschichtung als Neusilber verwendet. In der Vergangenheit wurde Glanzverzinnung verwendet. Mit der Anwendung der RoHS-Vorschriften über schädliche Substanzen sind die PCB-Produktionslinien jedoch auf bleifreies Löten umgestiegen. Die Reflow-Temperatur von bleifreiem Lot ist gleich oder sogar höher als der Schmelzpunkt von Glanzzinn. Aus diesem Grund hat sich auch die Verwendung von Neusilber geändert. Natürlich kann auch versilbert oder vergoldet werden, aber die Kosten sind eindeutig zu hoch.
Bei niedrigen Frequenzen werden die Störungen in der Regel durch Magnetfelder verursacht. Obwohl manchmal dickere Stahlbleche oder Phosphorbronze zur Herstellung von Abschirmungshohlräumen verwendet werden, kommen häufiger spezielle Materialien wie Mu-Metall oder HF-Materialien zum Einsatz.
Die Grenzfrequenz für die Herstellung von Abschirmungshohlräumen mit Metallfolie liegt in der Regel bei 3 bis 5 GHz. Wenn die Frequenz über diesen Bereich hinausgeht, wird die Wirksamkeit der Abschirmung durch zwei Effekte eingeschränkt oder ihre Funktion reduziert. Aufgrund der verteilten Kapazität zwischen dem Hohlraum und den elektronischen Bauteilen auf der Leiterplatte kann jede kleine Bewegung im Metall des Hohlraums einen mikrofonischen Effekt hervorrufen. In diesem Frequenzbereich werden für die Abschirmung in der Regel solide verarbeitete Strukturen gewählt, damit diese Effekte vermieden werden können.
Ein weiterer Hochfrequenzeffekt kann bei der Oberschwingungsfrequenz der Betriebsfrequenz des Schaltkreises auftreten, wo der Hohlraum Teil eines Wellenleiters wird. In diesem Fall kann sich der Hohlraum eher wie ein Resonanzhohlraum als wie eine Abschirmung verhalten. Dieser Effekt kann durch Hinzufügen von absorbierendem Material im Inneren des Hohlraums oder durch sorgfältige Wahl der Größe des Hohlraums vermieden werden.
Produktion und Montageplanung
Ein Schlüsselfaktor bei der Gestaltung von Hohlräumen ist die Kenntnis des Produktionsvolumens des endgültigen Bauteils oder Produkts. Diese Entscheidung bestimmt das endgültige Produktionsverfahren und in gewissem Maße auch die Wahl der Abschirmungsform. Wie bereits bei der Konstruktion von Zaundeckeln und fünfseitigen Kavitäten erörtert, ist die Herstellung einer kompletten Einheit wesentlich kostengünstiger als das Zusammenfügen von zwei Teilen zu einer Abschirmung.
Auch die gewählte Produktionsmethode wirkt sich auf die Kosten der Bauteile aus. Vergleichen Sie z. B. die Kosten der photochemischen Bearbeitung (PCM) mit denen des Stanzens oder eines gemischten Verfahrens, bei dem beide Verfahren zum Einsatz kommen. Werden die Bauteile von Hand oder maschinell platziert? Bei der maschinellen Bestückung nehmen die meisten Maschinen die Teile mit einer Vakuumdüse auf, so dass Bestückungsziele erforderlich sind. Einige Maschinen verwenden ein klammerartiges System, um die Teile zu greifen, aber diese Art von Maschinen ist nicht sehr verbreitet.
Bei der maschinellen Bestückung sollte die Koplanaritätsanforderung des Leiterplattenrandes innerhalb von 0,1 mm liegen, um sicherzustellen, dass der Hohlraum während der Bestückung oder beim Eintritt in den Reflow-Ofen auf der Lotpaste liegt.
Gängige Abschirmungsmaterialien für die maschinelle Bearbeitung
Für die meisten HF-Abschirmungen kann fast jedes Basismaterial, wie Kupfer, Messing, Edelstahl, Aluminium oder Neusilber, zur Herstellung der Abschirmung verwendet werden. Bei der Montage von Bauteilen auf der Leiterplatte wird häufiger eine Beschichtung als Neusilber verwendet. In der Vergangenheit wurde Glanzverzinnung verwendet. Mit der Anwendung der RoHS-Vorschriften über schädliche Substanzen wurden die PCB-Produktionslinien jedoch auf bleifreies Löten umgestellt. Die Reflow-Temperatur von bleifreiem Lot ist gleich oder sogar höher als der Schmelzpunkt von Glanzzinn. Aus diesem Grund hat sich auch die Verwendung von Neusilber geändert. Natürlich kann auch versilbert oder vergoldet werden, aber die Kosten sind eindeutig zu hoch. Bei niedrigen Frequenzen werden die Störungen in der Regel durch Magnetfelder verursacht. Obwohl manchmal dickere Stahlbleche oder Phosphorbronze zur Herstellung von Abschirmungshohlräumen verwendet werden, werden häufiger spezielle Materialien wie Mu-Metall oder HF-Materialien eingesetzt.
Die Grenzfrequenz für die Herstellung von Abschirmungshohlräumen mit Metallfolie liegt in der Regel bei 3 bis 5 GHz. Wenn die Frequenz über diesen Bereich hinausgeht, wird die Wirksamkeit der Abschirmung durch zwei Effekte eingeschränkt oder ihre Funktion reduziert. Aufgrund der verteilten Kapazität zwischen dem Hohlraum und den elektronischen Bauteilen auf der Leiterplatte kann jede kleine Bewegung im Metall des Hohlraums einen mikrofonischen Effekt hervorrufen. In diesem Frequenzbereich werden für die Abschirmung in der Regel solide verarbeitete Strukturen gewählt, damit diese Effekte vermieden werden können.
Ein weiterer Hochfrequenzeffekt kann bei der Oberschwingungsfrequenz der Betriebsfrequenz des Schaltkreises auftreten, wo der Hohlraum Teil eines Wellenleiters wird. In diesem Fall kann sich der Hohlraum eher wie ein Resonanzhohlraum als wie eine Abschirmung verhalten. Dieser Effekt kann durch Hinzufügen von absorbierendem Material im Inneren des Hohlraums oder durch sorgfältige Wahl der Größe des Hohlraums vermieden werden.
Abschließende Anmerkungen
Bei den meisten HF-Abschirmungsanwendungen kommt es nicht nur auf die richtige Form der Abschirmung an, sondern auch auf das richtige Material, den richtigen Prozess und die richtige Montagemethode. Ein gutes Design sollte ein Gleichgewicht zwischen Abschirmwirkung, Kosten, Produktionsvolumen und späterem Nachbearbeitungsbedarf herstellen. Bei realen PCB-Projekten ist die beste Lösung oft nicht die komplexeste. Es ist diejenige, die stabil und kostengünstig hergestellt, montiert, getestet und repariert werden kann.
1. Was ist eine Leiterplattenabschirmung und warum ist sie wichtig?
Die Abschirmung von Leiterplatten dient dazu, elektromagnetische Störungen (EMI) zu blockieren. Sie trägt zur Verbesserung der Signalstabilität bei und gewährleistet eine zuverlässige Produktleistung.
2. Welche Arten von PCB-Abschirmungshohlräumen gibt es?
Zu den gängigen Typen gehören vierseitige Abschirmungsdosen, oberflächenmontierte Abschirmungen, Schnappdeckel und fünfseitige Hohlräume. Jeder Typ erfüllt unterschiedliche Design- und Kostenanforderungen.
3. Wie wähle ich den richtigen Abschirmungshohlraum für meine Leiterplatte?
Sie sollten die Störungsquelle, den Platz, das Produktionsvolumen, die Befestigungsmethode und die Frage berücksichtigen, ob die Abschirmung zu Testzwecken entfernt werden muss.
4. Welche Materialien werden für die HF-Abschirmung in Leiterplatten verwendet?
Zu den gängigen Materialien gehören Kupfer, Messing, Edelstahl, Aluminium und Neusilber. Spezielle Materialien wie Mu-Metall werden für die magnetische Abschirmung bei niedrigen Frequenzen verwendet.
5. Beeinflusst das Abschirmungsdesign die Leiterplattenkosten?
Ja. Die Abschirmstruktur, das Material und die Montagemethode wirken sich auf die Kosten aus. Eine einfache integrierte Konstruktion ist in der Regel kostengünstiger.
6. Was ist der Unterschied zwischen der Oberflächenmontage und der Durchgangslochabschirmung?
Eine Abschirmung für die Oberflächenmontage ist einfacher für die automatische Montage. Die Abschirmung durch Bohrungen bietet eine stärkere mechanische Unterstützung, kann aber die Kosten erhöhen.
7. Wie kann ich die EMI-Leistung beim PCB-Design verbessern?
Sie können die EMI-Leistung verbessern, indem Sie die richtige Abschirmung verwenden, das Layout optimieren, Störquellen reduzieren und die richtigen Materialien und Erdungsmethoden wählen.
8. Können Abschirmhohlräume wiederverwendet oder entfernt werden?
Ja. Einige Konstruktionen, wie z. B. die Abdeckungen der Fingerfedern, lassen sich zum Testen, Reparieren oder Einstellen leicht entfernen.
