プリント基板の設計は、多くの電子製品の性能を左右する重要な要素である。信頼性の高い製品を作り、市場での成功を勝ち取ることは、あらゆる設計上の問題を慎重に考えることの最大の報酬です。適切な基板レベルのシールドキャビティを選択することは、成功する設計の一部に過ぎません。作業環境、製造する製品の総数、使用する実装方法、計画する試験・検査方法、プリント基板や部品のレイアウトなど、その他の重要な問題も慎重に検討する必要があります。.
電源の選択と同様に、RFシールドキャビティを使用するかどうかの選択は、設計プロセスの最後に行われることが多い。この場合、シールドキャビティのためのスペースが小さすぎることが多い。その結果、キャビティが物理的構造という点で設計の他の部分に影響を及ぼす可能性がある。.
3DS - デザイン、開発、製図
PCB基板レベルのシールドキャビティとシステムの設計と開発は、設計、開発、製図の3つの重要なステップに分けることができます。空洞ユーザーと空洞設計チームとの積極的なコミュニケーションと協議は非常に重要です。初期設計指導、使用上のアドバイス、現場視察、プロトタイプ設計、サンプル製作、コーティングと厚みの選択、加工、組み立て、コスト削減の見直しなどを提供してくれるキャビティ・メーカーを見つけるのがベストです。.
製品から市場利益を得るためには、コストをコントロールしなければならない。構造設計は、詳細な設計計画と顧客からの意見とともに、限られたコストで必要な結果を得るという理想的な目標を達成するのに役立つだろう。.
フォームの選択
キャビティの形状を選ぶ際には、多くの要素を考慮しなければならない。具体的に何をシールドする必要があるのか？干渉源の正確な性質は？キャビティがPCBに実装された後も、変更、テスト、検査、調整のために顧客がキャビティを開ける必要があるのか？キャビティの実装はスルーホール方式ですか、それとも表面実装方式ですか？予想される生産量は？この数量は機械配置のコストに見合うか？どの回路部分にシールドが必要か、あるいは他の部分と分離する必要があるか？このアプリケーションでは、1つのキャビティと複数のキャビティのどちらを使うべきか？最終製品は、衝撃試験、振動試験、落下試験を経て梱包されますか？
遮蔽フォーム
特定の用途について、上記の質問を注意深く検討することは、最も適切で最も経済的な遮蔽形態を選択するのに役立つ。用途に応じて、異なる4面シールドキャビティを選択することができる。.
フィンガースプリングカバー付き4面シールドキャビティは、4面すべてにフェンスがある。フェンスとプリント基板端の一連のピンは、手はんだ、ウェーブはんだ、スルーホールリフローはんだでプリント基板にはんだ付けできる。このタイプのキャビティには、フィンガースプリングカバーがよく使われる。フェンスの高さがフィンガースプリングを保持するのに十分であれば、リムーバブルカバーの中でもフィンガースプリング・カバーが最適です。標準的な高さや薄型など、フィンガースプリングのサイズは必要に応じて作ることができます。もしフェンスの外側に外部フィンガースプリング用の十分なスペースがない場合は、内部フィンガースプリングを選択する必要があります。また、外部フィンガースプリングと内部フィンガースプリングが反対側で同じ形状であれば、混在して使用することも可能です。.
フィンガースプリング付き表面実装4面キャビティもシールドキャビティのオプションである。このタイプのキャビティは、固定ピンがないことを除けば、通常の4面キャビティと同じである。シームはんだでプリント基板に連続的にはんだ付けされることが多い。フェンスの高さとフィンガーの長さの関係を判断する場合、設計者はフェンスの底にあるはんだフィレットの厚さを含める必要があります。.
連続シームはんだ付けフェンスを置き換えるもう一つの方法は、PCBエッジに沿って隙間のあるフェンスを作ることです。この方法では、フェンスをPCBに取り付けるために使用するはんだの量を減らすことができます。また、特別なトレースクリアランスビアや多層PCBを必要とせず、トレースがフェンスの境界を通過するためのスペースが残ります。PCBへのフェンスの取り付けに機械配置を使用する場合は、表面実装技術を使用する必要があります。この場合、図1に示すようなスタンプ・フェンス構造が必要になることがある。.
4面PCBキャビティは、図2に示すように、平らな折り返し蓋を使用することもできる。このタイプの蓋は、特に開発段階での製造コストが低い。この設計の唯一の弱点は、蓋保持ストリップを使用する場合を除き、蓋とフェンスの間の良好な接続を完全に保証できないことである。接続部に隙間があると、キャビティのEMC性能に影響する。ふた保持ストリップには、図2および図3に示すように、折り畳みタイプと巻き付けタイプがあります。どちらのタイプも5回以上の蓋の移動と交換に対応できます。.
フラットな折りたたみ式蓋
実際の用途で薄型のフェンスと蓋が必要な場合は、スナップ式の蓋を使うことができる。蓋の側壁にある小さなタブが、フェンスの側壁にある小さなスロットにはまる。この設計により、フェンスの高さを1.5mmまで下げることができる。蓋保持ストリップや隙間蓋と同様に、このデザインもタブがしっかりと固定されない限り、フェンスと蓋の良好な接続を完全に保証することはできない。また、タブの数が多ければ多いほど、設置後に修理や調整が必要になったときに蓋を外すのが難しくなる。.
設計者の中には、表面実装ラインの配置装置を使用して、蓋とフェンスを一体化することを好む人もいる。この場合、蓋はキャビティ内の部品に手直しが必要なときだけ開ける。この設計を選択するということは、図4に示すように、熱がキャビティに入り、内部の電子部品をプリント基板にはんだ付けできるように、小さな穴のアレイを蓋に残さなければならないことを意味する。残念ながら、これらの穴はキャビティのシールド性能を約20dB低下させる。.
キャビティ設置がテスト後に行われる場合、またはPCB出力量が非常に多い場合は、5面キャビティを選択する方がコスト効率が高くなります。この選択は、はんだピン、スポット溶接コーナー、突合せ溶接コーナー、または熱リフローホールによって行うことができる。これまでのところ、五面キャビティを開発し少量生産する最も低コストな方法は、成形五面キャビティを使用することである。図5に示すように、平らなシートにマーキングして作る。プリント基板に取り付ける際には、必要な形状に折り曲げるだけでよい。.
シールド材
ほとんどのRFシールドでは、銅、真鍮、ステンレス、アルミニウム、洋白など、ほとんどすべての基材を使用してシールド筐体を作ることができます。部品をプリント基板にはんだ付けするための実装工程では、洋白よりもめっきが多く使われる。以前は光沢錫メッキが使われていました。しかし、有害物質に関するRoHS規則の使用により、PCB製造ラインは鉛フリーはんだに切り替えた。鉛フリーはんだのリフロー温度は、光沢錫の融点と同等かそれ以上である。このため、洋白の使用も変化した。もちろん、銀メッキや金メッキも使用できるが、コストが高すぎるのは明らかだ。.
低周波では、干渉は通常磁界によって引き起こされる。厚い鋼板やリン青銅がシールドキャビティに使われることもあるが、ミューメタルやRF材料のような特殊な材料が使われることが多い。.
金属箔でシールドキャビティを作る場合の周波数の限界は、通常3～5GHz程度である。周波数がこの範囲を超えると、2つの影響でシールド効果が制限されたり、機能が低下したりする。キャビティとPCB上の電子部品との間には分布容量があるため、キャビティ金属にわずかな動きがあるとマイクロフォニック効果が発生する。この周波数範囲では、通常、固体加工された構造がシールドに選択されるため、これらの影響を避けることができる。.
もう一つの高周波効果は、回路の動作周波数の高調波周波数で起こり、空洞空間が導波管の一部となる場合がある。この場合、空洞はシールドというより共振空洞のように振る舞うかもしれない。この影響は、キャビティ内部に吸収材を追加するか、キャビティサイズを注意深く選択することで回避できる。.
生産・組立設計
キャビティ設計における重要な要素は、最終的な部品や製品の生産量を知ることである。この決定によって、最終的な生産方法と、ある程度は遮蔽形態の選択が決まる。フェンス・リッド・デザインと5面キャビティについて上述したように、1つの完全なユニットを作る方が、2つの部品を接合してシールドを形成するよりもはるかに安価であることは明らかである。.
選択した製造方法も部品コストに影響する。例えば、光化学機械加工（PCM）とスタンピング、あるいは両方を使用する混合方式のコストを比較します。部品は手作業で配置するのか、それとも機械で配置するのか。機械で配置する場合、ほとんどの機械は真空ノズルで部品をピックアップするので、配置目標が必要になります。クランプ式システムで部品をつかむ機械もありますが、このタイプの機械はあまり一般的ではありません。.
機械配置の場合、PCBエッジフェンスのコプラナリティ要件は、配置中またはリフロー炉に入るときにキャビティがはんだペースト上にあることを確認するために、0.1mm以内でなければなりません。.
機械加工用シールド材
ほとんどのRFシールドでは、銅、真鍮、ステンレス、アルミニウム、洋白など、ほぼすべての基材をシールドに使用できます。部品をプリント基板にはんだ付けするための実装工程では、洋白よりもめっきがよく使われる。以前は光沢錫メッキが使われていました。しかし、有害物質に関するRoHS規制の使用により、PCB製造ラインは鉛フリーはんだに切り替えた。鉛フリーはんだのリフロー温度は、光沢錫の融点と同等かそれ以上である。このため、洋白の使用も変化した。もちろん、銀メッキや金メッキも使用できるが、コストが高すぎるのは明らかだ。低周波では、干渉は通常磁界によって引き起こされる。厚めの鋼板やリン青銅でシールドキャビティを作ることもあるが、ミューメタルやRF素材といった特殊な素材を使うことが多くなっている。.
金属箔でシールドキャビティを作る場合の周波数の限界は、通常3～5GHz程度である。周波数がこの範囲を超えると、2つの影響でシールド効果が制限されたり、機能が低下したりする。キャビティとPCB上の電子部品との間には分布容量があるため、キャビティ金属にわずかな動きがあるとマイクロフォニック効果が発生する。この周波数範囲では、通常、固体加工された構造がシールドに選択されるため、これらの影響を避けることができる。.
もう一つの高周波効果は、回路の動作周波数の高調波周波数で起こり、空洞空間が導波管の一部となる場合がある。この場合、空洞はシールドというより共振空洞のように振る舞うかもしれない。この影響は、キャビティ内部に吸収材を追加するか、キャビティサイズを注意深く選択することで回避できる。.
最終ノート
ほとんどのRFシールド用途において、重要なのは正しいシールド形状を選択するだけでなく、正しい材料、プロセス、組み立て方法をマッチングさせることである。良い設計は、シールド効果、コスト、生産量、後の手直しの必要性のバランスをとる必要があります。実際のPCBプロジェクトでは、最良のソリューションは最も複雑なものではないことが多い。安定した低コストで製造、組み立て、テスト、修理ができるものです。.
1.PCBシールドとは何ですか？
PCBシールドは、電磁干渉（EMI）を遮断するために使用されます。信号の安定性を向上させ、信頼性の高い製品性能を保証します。.
2.PCBシールドキャビティにはどのような種類がありますか？
一般的なタイプには、4面シールド缶、表面実装シールド、スナップオンリッド、5面キャビティなどがある。それぞれのタイプは、異なるデザインとコストのニーズに適合します。.
3.PCBに適したシールドキャビティはどのように選べばよいですか？
干渉源、スペース、生産量、取り付け方法、テストのためにシールドを取り外す必要があるかどうかなどを考慮する必要がある。.
4.PCBのRFシールドにはどのような材料が使われていますか？
一般的な素材としては、銅、真鍮、ステンレス、アルミニウム、洋白などがある。低周波の磁気シールドにはミューメタルのような特殊素材が使われる。.
5.シールド設計はPCBコストに影響しますか？
遮蔽構造、材料、組み立て方法はすべてコストに影響します。通常、シンプルな一体型設計の方が費用対効果は高い。.
6.表面実装シールドとスルーホールシールドの違いは何ですか？
表面実装シールドは自動組立が容易である。スルーホールシールドは機械的なサポートが強いが、コストが上がる可能性がある。.
7.PCB設計でEMI性能を向上させるには？
適切なシールドを使用し、レイアウトを最適化し、ノイズ源を減らし、適切な材料と接地方法を選択することで、EMI性能を向上させることができます。.
8.遮蔽キャビティは再利用できますか？
フィンガースプリングカバーのように、テストや修理、調整のために簡単に取り外せるデザインもあります。.
