طراحی برد مدار چاپی عاملی مهم است که بر عملکرد بسیاری از محصولات الکترونیکی تأثیر میگذارد. ساخت یک محصول قابلاعتماد و سپس کسب موفقیت در بازار، بزرگترین پاداش برای تفکر دقیق در هر مسئله طراحی است. انتخاب محفظه شیلدینگ مناسب در سطح برد تنها بخشی از یک طراحی موفق است. مسائل کلیدی دیگر نیز باید با دقت در نظر گرفته شوند، مانند محیط کاری، تعداد کل محصولات تولیدی، روش نصب مورد استفاده، روشهای آزمون و بازرسی برنامهریزیشده، و چیدمان PCB و قطعات.
همانند انتخاب منبع تغذیه، تصمیم برای استفاده از حفرهٔ شیلد RF اغلب در پایان فرایند طراحی گرفته میشود. این امر معمولاً فضای بسیار کمی برای حفرهٔ شیلد باقی میگذارد. در نتیجه، این حفره ممکن است از نظر ساختار فیزیکی بر سایر بخشهای طراحی تأثیر بگذارد.
۳دیاس — طراحی، توسعه، نقشهکشی
طراحی و توسعه حفرهها و سیستمهای شیلدینگ در سطح برد PCB را میتوان به سه مرحله کلیدی تقسیم کرد: طراحی، توسعه و نقشهکشی. ارتباط فعال و مشاوره میان کاربر حفره و تیم طراحی حفره بسیار مهم است. بهترین کار این است که تولیدکنندهای را بیابید که بتواند راهنماییهای اولیه طراحی، مشاوره در مورد کاربرد، بازدید از محل، طراحی نمونه اولیه، تولید نمونه، انتخاب پوشش و ضخامت، پردازش، مونتاژ و بازبینی برای صرفهجویی در هزینهها را ارائه دهد.
برای کسب سود بازار از یک محصول، باید هزینهها کنترل شوند. طراحی ساختار، همراه با یک طرح تفصیلی و نظرات مشتری، میتواند به دستیابی به هدف ایدهآل کمک کند: کسب نتیجهٔ مورد نیاز با هزینهای محدود.
انتخاب فرم
هنگام انتخاب شکل کوییتی، عوامل زیادی باید در نظر گرفته شوند. دقیقاً چه چیزی نیاز به شیلدینگ دارد؟ ماهیت دقیق منبع تداخل چیست؟ آیا پس از نصب کوییتی روی PCB، مشتری همچنان برای تغییرات، تست، بازرسی یا تنظیم به باز کردن آن نیاز خواهد داشت؟ آیا کوییتی با روشهای نصب از طریق سوراخ (through-hole) یا روشهای نصب سطحی (surface mount) نصب میشود؟ حجم تولید مورد انتظار چقدر است؟ آیا این حجم با هزینه قرار دادن روی برد مطابقت دارد؟ کدام نواحی مدار نیاز به شیلدینگ دارند، یا باید از سایر نواحی جدا شوند؟ آیا این کاربرد باید از یک محفظه یا چندین محفظه استفاده کند؟ آیا محصول نهایی در بستهبندی تحت آزمایش ضربه، آزمایش لرزش یا آزمایش سقوط قرار خواهد گرفت؟
فرمهای سپر
برای یک کاربرد خاص، بررسی دقیق سؤالات فوق به انتخاب مناسبترین و اقتصادیترین شکل شیلدینگ کمک میکند. میتوان برای کاربردهای مختلف، حفرههای شیلدینگ چهارطرفه متفاوتی را انتخاب کرد.
یک محفظه شیلدینگ چهار طرفه با درپوش فنری انگشتی در هر چهار طرف دارای حفاظ است. حفاظ و سری پینهای موجود در لبه PCB را میتوان با لحیمکاری دستی، لحیمکاری موج یا ریفلو سوراخگذر به PCB لحیم کرد. از درپوشهای فنری انگشتی اغلب برای این نوع محفظه استفاده میشود. اگر ارتفاع حفاظ برای نگه داشتن فنر انگشتی کافی باشد، درپوش فنری انگشتی بهترین انتخاب در میان درپوشهای قابل جداسازی است. اندازههای فنر انگشتی، مانند ارتفاع استاندارد یا پروفایل کم، میتوانند طبق نیاز ساخته شوند. اگر فضای کافی در خارج از حفاظ برای فنرهای انگشتی خارجی وجود نداشته باشد، باید فنرهای انگشتی داخلی انتخاب شوند. همچنین، اگر فنرهای انگشتی خارجی و داخلی در دو طرف شکل یکسانی داشته باشند، میتوان از آنها به صورت ترکیبی استفاده کرد.
یک حفرهٔ چهارطرفهٔ نصبسطحی با فنرهای انگشتی گزینهای دیگر برای محفظهٔ شیلدینگ است. این نوع حفره مشابه حفرهٔ چهارطرفهٔ معمولی است، با این تفاوت که پینهای ثابت ندارد. معمولاً با لحیمکاری درز (seam soldering) در امتداد یک خط پیوسته به برد مدار چاپی لحیم میشود. هنگام قضاوت در رابطه بین ارتفاع حفاظ و طول فنر، طراح باید ضخامت فیلت لحیم در کف حفاظ را نیز در نظر بگیرد.
یک روش دیگر برای جایگزینی یک حصار لحیمشدهٔ پیوسته این است که حصار را در امتداد لبهٔ برد مدار چاپی با فواصل ایجاد کنیم. این روش مقدار قلع مصرفی برای اتصال حفاظ به PCB را کاهش میدهد. همچنین فضایی برای عبور ردها از مرز حفاظ باقی میگذارد، بدون نیاز به ویای مخصوص فاصله رد یا PCB چندلایه. اگر از قراردهی توسط ماشین برای نصب حفاظ روی PCB استفاده شود، باید از فناوری نصب سطحی بهره برد. این ممکن است نیاز به استفاده از سازههای حفاظ پرسشده داشته باشد، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است.
یک حفره PCB چهارطرفه همچنین میتواند از درپوش تخت تاشو استفاده کند، همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است. این نوع درپوش هزینه تولید کمتری دارد، بهویژه در مرحله توسعه. تنها نقطه ضعف این طراحی این است که نمیتواند بهطور کامل اتصال خوبی بین درپوش و حفاظ را تضمین کند، مگر در مواردی که از نوارهای نگهدارنده درپوش استفاده شود. هرگونه شکاف در اتصال بر عملکرد EMC محفظه تأثیر خواهد گذاشت. این نوارهای نگهدارنده درپوش میتوانند از نوع تاشو یا پیچشی باشند، همانطور که در شکلهای ۲ و ۳ نشان داده شده است. هر دو نوع نوار میتوانند درپوش را برای جابجایی و تعویض بیش از پنج بار نگه دارند.
درپوش تاشو تخت
وقتی کاربرد واقعی به حفاظ و درپوش کمارتفاع نیاز دارد، میتوان از درپوش چفتی استفاده کرد. زبانههای کوچک روی دیوار جانبی درپوش در شکافهای کوچک روی دیوار جانبی حفاظ قرار میگیرند. این طراحی میتواند ارتفاع حفاظ را تا ۱٫۵ میلیمتر کاهش دهد. مانند نوار نگهدارنده درپوش و درپوش با شکاف، این طراحی نیز نمیتواند بهطور کامل اتصال مناسب بین حفاظ و درپوش را تضمین کند، مگر اینکه زبانهها محکم در جای خود ثابت شوند. همچنین هرچه زبانههای بیشتری روی دیوار وجود داشته باشد، جدا کردن درپوش هنگام نیاز به تعمیر یا تنظیم پس از نصب دشوارتر میشود.
برخی طراحان ترجیح میدهند از تجهیزات جایگذاری خط مونتاژ سطحی برای یکپارچه کردن درپوش و فنس استفاده کنند. در این حالت، درپوش تنها زمانی باز میشود که قطعات داخل محفظه نیاز به بازکاری داشته باشند. انتخاب این طراحی به این معناست که باید آرایههای کوچکی از سوراخها روی درپوش باقی بماند تا گرما بتواند وارد محفظه شده و قطعات الکترونیکی داخلی را روی PCB لحیم کند، همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده است. متأسفانه این سوراخها عملکرد شیلدینگ محفظه را حدود ۲۰ دسیبل کاهش میدهند.
وقتی نصب حفره پس از تست انجام میشود یا حجم خروجی PCB بسیار بالا است، انتخاب حفره پنجوجهی از نظر هزینه مقرونبهصرفهتر است. این انتخاب را میتوان با لحیمکاری پینها، جوش نقطهای گوشهها، جوش لببهلب گوشهها یا سوراخهای ریفلو حرارتی انجام داد. تا کنون، کمهزینهترین روش برای توسعه حفرههای پنجوجهی و تولید با حجم کم، استفاده از حفرههای پنجوجهی از پیش شکلدادهشده است. همانطور که در شکل ۵ نشان داده شده، این حفرهها با علامتگذاری روی یک ورق صاف ساخته میشوند. هنگامی که روی PCB نصب میشوند، کاربر تنها نیاز دارد آنها را به شکل مورد نیاز تا کند.
مواد محافظ
برای اکثر شیلدهای RF، تقریباً هر ماده پایهای مانند مس، برنج، فولاد ضد زنگ، آلومینیوم یا نقرهٔ نیکل را میتوان برای ساخت محفظهٔ شیلد استفاده کرد. در فرآیند نصب قطعات روی PCB، آبکاری بیشتر از نقرهٔ نیکل استفاده میشود. در گذشته از آبکاری قلع براق استفاده میشد. با این حال، با اجرای مقررات RoHS در مورد مواد مضر، خطوط تولید PCB به لحیمکاری بدون سرب روی آوردند. دمای ریفلو لحیم بدون سرب با نقطه ذوب قلع براق برابر یا حتی بیشتر است. به همین دلیل، استفاده از نقره نیکل نیز تغییر کرد. البته میتوان از آبکاری نقره یا طلا نیز استفاده کرد، اما هزینه آن به وضوح بسیار بالا است.
در فرکانسهای پایین، تداخل معمولاً ناشی از میدانهای مغناطیسی است. اگرچه گاهی از ورقهای فولادی ضخیمتر یا برنز فسفری برای ایجاد حفرههای محافظ استفاده میشود، اما اغلب از مواد ویژهای مانند مو-متال یا مواد RF بهره گرفته میشود.
محدودهی فرکانسی برای ایجاد حفرههای محافظ با ورق فلزی معمولاً حدود ۳ تا ۵ گیگاهرتز است. اگر فرکانس از این محدوده فراتر رود، دو اثر کارایی محافظت را محدود یا عملکرد آن را کاهش میدهند. بهدلیل ظرفیت توزیعشده بین حفره و قطعات الکترونیکی روی برد مدار چاپی، هر حرکت کوچکی در فلز حفره میتواند اثر میکروفونیک ایجاد کند. در این محدودهی فرکانسی معمولاً برای محافظت از ساختارهای جامد و صلب استفاده میشود تا از این اثرات جلوگیری شود.
یک اثر فرکانس بالا دیگر ممکن است در فرکانس هارمونیکی فرکانس کاری مدار رخ دهد، جایی که فضای حفره بخشی از یک موجراهنما میشود. در این حالت، حفره ممکن است بیشتر مانند یک حفره تشدیدی عمل کند تا یک سپر. میتوان با افزودن ماده جاذب درون حفره یا با انتخاب دقیق اندازه حفره از این اثر جلوگیری کرد.
طراحی تولید و مونتاژ
یک عامل کلیدی در طراحی حفره، آگاهی از حجم تولید قطعه یا محصول نهایی است. این تصمیم روش تولید نهایی و تا حدی انتخاب شکل محافظ را تعیین میکند. همانطور که در بالا برای طراحیهای درپوش حصار و حفرههای پنجوجهی بحث شد، واضح است که ساخت یک واحد کامل بسیار ارزانتر از اتصال دو قطعه برای تشکیل محافظ است.
روش تولید انتخابشده همچنین بر هزینه قطعات تأثیر میگذارد. برای مثال، هزینه ماشینکاری فوتوشیمیایی (PCM) را با پرسکاری یا با روش ترکیبی که از هر دو استفاده میکند مقایسه کنید. آیا قطعات بهصورت دستی قرار داده میشوند یا با ماشین؟ اگر از قراردهی با ماشین استفاده شود، بیشتر دستگاهها قطعات را با نازل خلأ برمیدارند، بنابراین به اهداف قراردهی نیاز است. برخی دستگاهها از سیستم گیرهای برای گرفتن قطعات استفاده میکنند، اما این نوع دستگاه چندان رایج نیست.
برای قرارگیری دستگاه، نیازمندی همصفحهای حفاظ لبه PCB باید در محدوده 0.1 میلیمتر باشد تا اطمینان حاصل شود که حفره هنگام قراردهی یا ورود به کوره ریفلو روی خمیر قلع قرار دارد.
مواد رایج محافظ برای ماشینکاری
برای اکثر شیلدهای RF، تقریباً هر مادهٔ پایهای مانند مس، برنج، فولاد ضدزنگ، آلومینیوم یا نقرهٔ نیکل میتواند برای ساخت شیلد استفاده شود. در فرآیند نصب قطعات روی PCB، آبکاری بیشتر از نقرهٔ نیکل استفاده میشود. در گذشته از آبکاری قلع روشن استفاده میشد. با این حال، با اجرای مقررات RoHS در مورد مواد مضر، خطوط تولید PCB به لحیمکاری بدون سرب روی آوردند. دمای ریفلو لحیم بدون سرب با نقطه ذوب قلع روشن برابر یا حتی بیشتر است. به همین دلیل، نحوه استفاده از نقره نیکل نیز تغییر کرد. البته، آبکاری نقره یا طلا نیز میتواند استفاده شود، اما هزینه آن به وضوح بسیار بالا است. در فرکانسهای پایین، تداخل معمولاً توسط میدانهای مغناطیسی ایجاد میشود. اگرچه گاهی اوقات از ورقهای فولادی ضخیمتر یا برنز فسفری برای ساخت حفرههای محافظ استفاده میشود، اما از مواد خاصی مانند Mu-metal یا مواد RF بیشتر استفاده میشود.
محدودهی فرکانسی برای ایجاد حفرههای محافظ با ورق فلزی معمولاً حدود ۳ تا ۵ گیگاهرتز است. اگر فرکانس از این محدوده فراتر رود، دو اثر کارایی محافظت را محدود یا عملکرد آن را کاهش میدهند. بهدلیل ظرفیت توزیعشده بین حفره و قطعات الکترونیکی روی برد مدار چاپی، هر حرکت کوچکی در فلز حفره میتواند اثر میکروفونیک ایجاد کند. در این محدودهی فرکانسی معمولاً برای محافظت از ساختارهای جامد و صلب استفاده میشود تا از این اثرات جلوگیری شود.
یک اثر فرکانس بالا دیگر ممکن است در فرکانس هارمونیکی فرکانس کاری مدار رخ دهد، جایی که فضای حفره بخشی از یک موجراهنما میشود. در این حالت، حفره ممکن است بیشتر مانند یک حفره تشدیدی عمل کند تا یک سپر. میتوان با افزودن ماده جاذب درون حفره یا با انتخاب دقیق اندازه حفره از این اثر جلوگیری کرد.
یادداشتهای پایانی
برای بیشتر کاربردهای شیلدینگ RF، نکته کلیدی نه تنها انتخاب شکل مناسب شیلد است، بلکه تطبیق ماده، فرآیند و روش مونتاژ مناسب نیز اهمیت دارد. یک طراحی خوب باید بین اثربخشی شیلدینگ، هزینه، حجم تولید و نیازهای بازطراحی بعدی تعادل برقرار کند. در پروژههای واقعی PCB، بهترین راهحل اغلب پیچیدهترین نیست، بلکه آن است که بتوان آن را بهصورت پایدار و با هزینه کم ساخت، مونتاژ، آزمایش و تعمیر کرد.
۱. شیلدینگ PCB چیست و چرا مهم است؟
شیلدینگ PCB برای مسدود کردن تداخل الکترومغناطیسی (EMI) استفاده میشود. این کار به بهبود پایداری سیگنال کمک کرده و عملکرد قابلاعتماد محصول را تضمین میکند.
۲. چه انواع حفرههای شیلد روی PCB در دسترس هستند؟
انواع رایج شامل قوطیهای محافظ چهارطرفه، محافظهای نصب سطحی، درپوشهای چفتشونده و حفرههای پنجطرفه هستند. هر نوع نیازهای مختلف طراحی و هزینه را برآورده میکند.
۳. چگونه حفره شیلدینگ مناسب برای PCB خود را انتخاب کنم؟
باید منبع تداخل، فضا، حجم تولید، روش نصب و اینکه آیا نیاز است محافظ برای تست قابل جدا شدن باشد را در نظر بگیرید.
۴. چه موادی برای شیلدینگ RF در PCB استفاده میشود؟
مواد رایج شامل مس، برنج، فولاد ضدزنگ، آلومینیوم و نقره نیکل هستند. مواد ویژهای مانند مو-متال برای محافظت مغناطیسی در فرکانسهای پایین به کار میروند.
۵. آیا طراحی شیلد بر هزینه PCB تأثیر دارد؟
بله. ساختار، جنس و روش مونتاژ پوشش محافظ همگی بر هزینه تأثیر میگذارند. یک طراحی یکپارچه و ساده معمولاً از نظر هزینه مقرونبهصرفهتر است.
۶. تفاوت بین شیلدینگ سطحی و سوراخگذر چیست؟
شیلدینگ سطحی برای مونتاژ خودکار آسانتر است. شیلدینگ با سوراخهای عبوری پشتیبانی مکانیکی قویتری ارائه میدهد اما ممکن است هزینه را افزایش دهد.
۷. چگونه میتوانم عملکرد EMI را در طراحی PCB بهبود دهم؟
میتوانید با استفاده از شیلدینگ مناسب، بهینهسازی چیدمان، کاهش منابع نویز و انتخاب مواد و روشهای زمین مناسب، عملکرد EMI را بهبود ببخشید.
۸. آیا میتوان حفرههای محافظ را دوباره استفاده کرد یا برداشت؟
بله. برخی طراحیها مانند پوششهای فنر انگشتی امکان جداسازی آسان برای آزمایش، تعمیر یا تنظیم را فراهم میکنند.
