Thiết kế bảng mạch in là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của nhiều sản phẩm điện tử. Việc tạo ra một sản phẩm đáng tin cậy và sau đó gặt hái thành công trên thị trường chính là phần thưởng lớn nhất cho sự cân nhắc kỹ lưỡng trong từng vấn đề thiết kế. Việc lựa chọn khoang che chắn phù hợp ở cấp độ bảng mạch chỉ là một phần của thiết kế thành công. Các vấn đề quan trọng khác cũng cần được xem xét cẩn thận, chẳng hạn như môi trường làm việc, tổng số lượng sản phẩm cần sản xuất, phương pháp lắp đặt sẽ sử dụng, các phương pháp kiểm tra và kiểm định đã lên kế hoạch, cũng như bố trí của PCB và các linh kiện.
Cũng giống như việc lựa chọn nguồn điện, quyết định sử dụng khoang che chắn sóng vô tuyến thường được đưa ra vào giai đoạn cuối của quá trình thiết kế. Điều này thường khiến không gian dành cho khoang che chắn trở nên quá hẹp. Do đó, khoang che chắn có thể ảnh hưởng đến các phần khác của thiết kế về mặt cấu trúc vật lý.
3DS — Thiết kế, Phát triển, Vẽ kỹ thuật
Quá trình thiết kế và phát triển các khoang và hệ thống che chắn ở cấp độ bảng mạch in (PCB) có thể được chia thành ba bước chính: thiết kế, phát triển và lập bản vẽ. Sự trao đổi và tham vấn tích cực giữa người sử dụng khoang và đội ngũ thiết kế khoang là rất quan trọng. Tốt nhất là nên tìm một nhà sản xuất khoang có thể cung cấp hướng dẫn thiết kế ban đầu, tư vấn về cách sử dụng, thăm hiện trường, thiết kế mẫu thử, sản xuất mẫu, lựa chọn lớp phủ và độ dày, gia công, lắp ráp, cũng như đánh giá các phương án tiết kiệm chi phí.
Để thu được lợi nhuận từ một sản phẩm, cần phải kiểm soát chi phí. Thiết kế kết cấu, kết hợp với bản vẽ thiết kế chi tiết và ý kiến đóng góp của khách hàng, có thể giúp đạt được mục tiêu lý tưởng: đạt được kết quả mong muốn với chi phí hợp lý.
Chọn biểu mẫu
Khi lựa chọn hình dạng của khoang, cần phải xem xét nhiều yếu tố. Cụ thể cần che chắn những gì? Bản chất chính xác của nguồn nhiễu là gì? Sau khi khoang được lắp đặt trên bảng mạch in (PCB), khách hàng có còn cần phải mở nó ra để thực hiện các thay đổi, kiểm tra, kiểm định hoặc điều chỉnh không? Khoang được lắp đặt bằng phương pháp lỗ xuyên hay phương pháp hàn bề mặt? Khối lượng sản xuất dự kiến là bao nhiêu? Khối lượng này có phù hợp với chi phí lắp đặt máy không? Những khu vực mạch nào cần được che chắn hoặc cần được tách biệt khỏi các khu vực khác? Ứng dụng này nên sử dụng một khoang hay nhiều khoang? Sản phẩm cuối cùng có trải qua thử nghiệm va đập, thử nghiệm rung động hoặc thử nghiệm rơi trong quá trình đóng gói không?
Các hình thức che chắn
Đối với một ứng dụng cụ thể, việc xem xét kỹ lưỡng các câu hỏi trên sẽ giúp lựa chọn hình thức che chắn phù hợp và tiết kiệm nhất. Có thể lựa chọn các khoang che chắn bốn mặt khác nhau tùy theo từng ứng dụng.
Một khoang che chắn bốn mặt có nắp lò xo ngón tay được trang bị hàng rào ở cả bốn phía. Hàng rào và dãy chốt ở mép bảng mạch in (PCB) có thể được hàn vào PCB bằng phương pháp hàn tay, hàn sóng hoặc hàn nóng chảy qua lỗ. Nắp lò xo ngón tay thường được sử dụng cho loại khoang này. Nếu chiều cao của hàng rào đủ để giữ lò xo ngón tay, thì nắp lò xo ngón tay là lựa chọn tốt nhất trong số các loại nắp có thể tháo rời. Kích thước lò xo ngón tay, chẳng hạn như chiều cao tiêu chuẩn hoặc cấu hình thấp, có thể được chế tạo theo nhu cầu. Nếu không có đủ không gian bên ngoài hàng rào cho lò xo ngón tay bên ngoài, thì nên chọn lò xo ngón tay bên trong. Ngoài ra, nếu lò xo ngón tay bên ngoài và lò xo ngón tay bên trong có cùng hình dạng ở hai mặt đối diện, chúng có thể được sử dụng kết hợp.
Một khoang bốn mặt gắn bề mặt có lò xo ngón tay là một lựa chọn khác cho khoang che chắn. Loại khoang này giống như khoang bốn mặt thông thường, ngoại trừ việc nó không có chân cắm cố định. Nó thường được hàn vào bảng mạch in (PCB) dọc theo một đường liên tục bằng phương pháp hàn đường nối. Khi đánh giá mối quan hệ giữa chiều cao hàng rào và chiều dài ngón tay, nhà thiết kế phải tính đến độ dày của lớp hàn ở đáy hàng rào.
Một cách khác để thay thế hàng rào hàn liên tục là tạo hàng rào dọc theo mép PCB với các khe hở. Phương pháp này giúp giảm lượng hàn được sử dụng để gắn hàng rào vào PCB. Nó cũng tạo ra khoảng trống để các đường dẫn đi qua ranh giới hàng rào, mà không cần các lỗ thông đặc biệt để tạo khoảng trống cho đường dẫn hoặc PCB nhiều lớp. Nếu sử dụng phương pháp đặt máy để lắp hàng rào lên PCB, thì phải sử dụng công nghệ lắp đặt bề mặt. Điều này có thể yêu cầu sử dụng các cấu trúc hàng rào được dập khuôn, như thể hiện trong Hình 1.
Một khoang PCB bốn mặt cũng có thể sử dụng nắp gập phẳng, như thể hiện trong Hình 2. Loại nắp này có chi phí sản xuất thấp hơn, đặc biệt là trong giai đoạn phát triển. Điểm yếu duy nhất của thiết kế này là không thể đảm bảo hoàn toàn sự kết nối tốt giữa nắp và thành khoang, trừ khi sử dụng các dải giữ nắp. Bất kỳ khe hở nào trong kết nối sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất EMC của khoang. Các dải giữ nắp này có thể là loại gấp hoặc loại quấn, như thể hiện trong Hình 2 và Hình 3. Cả hai loại dải này đều có thể hỗ trợ nắp di chuyển và thay thế hơn năm lần.
Nắp gập phẳng
Khi ứng dụng thực tế yêu cầu hàng rào và nắp có chiều cao thấp, có thể sử dụng nắp lắp ráp nhanh. Các mấu nhỏ trên thành bên của nắp khớp vào các khe nhỏ trên thành bên của hàng rào. Thiết kế này có thể giảm chiều cao hàng rào xuống còn 1,5 mm. Giống như dải giữ nắp và nắp khe hở, thiết kế này cũng không thể đảm bảo hoàn toàn sự kết nối tốt giữa hàng rào và nắp, trừ khi các mấu được cố định chắc chắn tại vị trí. Ngoài ra, càng có nhiều mấu trên thành, việc tháo nắp ra sẽ càng khó khăn hơn khi cần sửa chữa hoặc điều chỉnh sau khi lắp đặt.
Một số nhà thiết kế ưa chuộng việc sử dụng thiết bị đặt linh kiện từ dây chuyền lắp ráp bề mặt để ghép nắp và vách ngăn thành một khối thống nhất. Trong trường hợp này, nắp chỉ được mở ra khi cần sửa chữa các linh kiện bên trong khoang. Việc lựa chọn thiết kế này có nghĩa là phải để lại các dãy lỗ nhỏ trên nắp để nhiệt có thể đi vào khoang và hàn các bộ phận điện tử bên trong lên PCB, như thể hiện trong Hình 4. Thật không may, các lỗ này sẽ làm giảm hiệu suất che chắn của khoang khoảng 20 dB.
Khi việc lắp đặt khuôn được thực hiện sau khi thử nghiệm, hoặc khi sản lượng PCB rất cao, việc lựa chọn khuôn năm mặt sẽ mang lại hiệu quả chi phí cao hơn. Lựa chọn này có thể được thực hiện thông qua các chân hàn, các góc hàn điểm, các góc hàn đối đầu hoặc các lỗ hàn nhiệt. Cho đến nay, cách tiết kiệm chi phí nhất để phát triển các khoang năm mặt và sản xuất với số lượng nhỏ là sử dụng các khoang năm mặt đã được định hình sẵn. Như thể hiện trong Hình 5, các khoang này được tạo ra bằng cách đánh dấu trên một tấm phẳng. Khi lắp đặt chúng lên PCB, người dùng chỉ cần gấp chúng thành hình dạng cần thiết.
Vật liệu che chắn
Đối với hầu hết các ứng dụng che chắn sóng vô tuyến (RF), hầu như bất kỳ vật liệu nền nào, chẳng hạn như đồng, đồng thau, thép không gỉ, nhôm hoặc bạc niken, đều có thể được sử dụng để chế tạo vỏ che chắn. Trong quá trình lắp ráp để hàn các linh kiện lên bảng mạch in (PCB), mạ kim loại thường được sử dụng nhiều hơn so với bạc niken. Trước đây, mạ thiếc sáng được sử dụng. Tuy nhiên, với việc áp dụng các quy định RoHS về các chất độc hại, các dây chuyền sản xuất PCB đã chuyển sang hàn không chì. Nhiệt độ nóng chảy của hàn không chì bằng hoặc thậm chí cao hơn điểm nóng chảy của thiếc sáng. Do đó, việc sử dụng bạc niken cũng thay đổi. Tất nhiên, mạ bạc hoặc mạ vàng cũng có thể được sử dụng, nhưng chi phí rõ ràng là quá cao.
Ở tần số thấp, nhiễu thường do từ trường gây ra. Mặc dù đôi khi người ta sử dụng các tấm thép dày hơn hoặc đồng phốt-pho để chế tạo các khoang che chắn, nhưng các vật liệu đặc biệt như Mu-metal hoặc vật liệu RF lại được sử dụng phổ biến hơn.
Giới hạn tần số khi chế tạo các khoang che chắn bằng lá kim loại thường nằm trong khoảng 3 đến 5 GHz. Nếu tần số vượt quá dải này, hai hiện tượng sẽ làm giảm hiệu quả che chắn hoặc làm suy giảm chức năng của nó. Do điện dung phân bố giữa khoang che chắn và các linh kiện điện tử trên bảng mạch in (PCB), bất kỳ chuyển động nhỏ nào của kim loại trong khoang cũng có thể gây ra hiệu ứng vi âm. Trong dải tần số này, người ta thường lựa chọn các cấu trúc gia công liền khối để che chắn, nhờ đó có thể tránh được những hiện tượng này.
Một hiện tượng tần số cao khác có thể xảy ra tại tần số hài của tần số hoạt động mạch, khi đó không gian khoang trở thành một phần của ống dẫn sóng. Trong trường hợp này, khoang có thể hoạt động giống như một khoang cộng hưởng hơn là một lớp chắn. Có thể tránh được hiện tượng này bằng cách thêm vật liệu hấp thụ vào bên trong khoang hoặc bằng cách lựa chọn cẩn thận kích thước của khoang.
Thiết kế sản xuất và lắp ráp
Một yếu tố quan trọng trong thiết kế khuôn là phải nắm rõ khối lượng sản xuất của chi tiết hoặc sản phẩm cuối cùng. Quyết định này sẽ quyết định phương pháp sản xuất cuối cùng và, ở một mức độ nào đó, việc lựa chọn hình thức che chắn. Như đã thảo luận ở trên về thiết kế nắp hàng rào và khuôn năm mặt, rõ ràng việc chế tạo một đơn vị hoàn chỉnh sẽ rẻ hơn nhiều so với việc ghép hai bộ phận lại với nhau để tạo thành lớp che chắn.
Phương pháp sản xuất được lựa chọn cũng ảnh hưởng đến chi phí linh kiện. Ví dụ, hãy so sánh chi phí của gia công quang hóa (PCM) với gia công dập, hoặc với phương pháp kết hợp sử dụng cả hai. Các linh kiện sẽ được lắp đặt bằng tay hay bằng máy? Nếu sử dụng lắp đặt bằng máy, hầu hết các máy đều nhặt linh kiện bằng vòi hút chân không, do đó cần có các điểm định vị. Một số máy sử dụng hệ thống kẹp để kẹp linh kiện, nhưng loại máy này không phổ biến lắm.
Đối với quá trình lắp ráp linh kiện, yêu cầu về độ đồng phẳng của hàng rào cạnh PCB phải nằm trong khoảng 0,1 mm để đảm bảo lỗ hàn nằm trên lớp keo hàn trong quá trình lắp ráp hoặc khi đưa vào lò nung lại.
Các vật liệu làm lá chắn thông dụng trong gia công cơ khí
Đối với hầu hết các ứng dụng che chắn sóng vô tuyến (RF), hầu như bất kỳ vật liệu nền nào, chẳng hạn như đồng, đồng thau, thép không gỉ, nhôm hoặc bạc niken, đều có thể được sử dụng để chế tạo lớp che chắn. Trong quá trình lắp ráp để hàn các linh kiện lên bảng mạch in (PCB), mạ sáng thường được sử dụng nhiều hơn so với bạc niken. Trước đây, mạ thiếc sáng được sử dụng. Tuy nhiên, với việc áp dụng các quy định RoHS về chất độc hại, các dây chuyền sản xuất PCB đã chuyển sang hàn không chì. Nhiệt độ nóng chảy của hàn không chì bằng hoặc thậm chí cao hơn điểm nóng chảy của thiếc sáng. Do đó, việc sử dụng bạc niken cũng thay đổi. Tất nhiên, mạ bạc hoặc mạ vàng cũng có thể được sử dụng, nhưng chi phí rõ ràng là quá cao. Ở tần số thấp, nhiễu thường do từ trường gây ra. Mặc dù đôi khi người ta sử dụng tấm thép dày hơn hoặc đồng phốt pho để chế tạo khoang che chắn, nhưng các vật liệu đặc biệt như Mu-metal hoặc vật liệu RF thường được sử dụng nhiều hơn.
Giới hạn tần số khi chế tạo các khoang che chắn bằng lá kim loại thường nằm trong khoảng 3 đến 5 GHz. Nếu tần số vượt quá dải này, hai hiện tượng sẽ làm giảm hiệu quả che chắn hoặc làm suy giảm chức năng của nó. Do điện dung phân bố giữa khoang che chắn và các linh kiện điện tử trên bảng mạch in (PCB), bất kỳ chuyển động nhỏ nào của kim loại trong khoang cũng có thể gây ra hiệu ứng vi âm. Trong dải tần số này, người ta thường lựa chọn các cấu trúc gia công liền khối để che chắn, nhờ đó có thể tránh được những hiện tượng này.
Một hiện tượng tần số cao khác có thể xảy ra tại tần số hài của tần số hoạt động mạch, khi đó không gian khoang trở thành một phần của ống dẫn sóng. Trong trường hợp này, khoang có thể hoạt động giống như một khoang cộng hưởng hơn là một lớp chắn. Có thể tránh được hiện tượng này bằng cách thêm vật liệu hấp thụ vào bên trong khoang hoặc bằng cách lựa chọn cẩn thận kích thước của khoang.
Lời kết
Đối với hầu hết các ứng dụng che chắn sóng vô tuyến (RF), yếu tố then chốt không chỉ nằm ở việc lựa chọn hình dạng lớp che chắn phù hợp, mà còn phải kết hợp đúng vật liệu, quy trình và phương pháp lắp ráp. Một thiết kế tốt cần phải cân bằng giữa hiệu quả che chắn, chi phí, khối lượng sản xuất và nhu cầu sửa chữa sau này. Trong các dự án PCB thực tế, giải pháp tối ưu thường không phải là giải pháp phức tạp nhất, mà là giải pháp có thể được sản xuất, lắp ráp, kiểm tra và sửa chữa một cách ổn định và tiết kiệm chi phí.
1. Che chắn PCB là gì và tại sao nó lại quan trọng?
Lớp chắn trên bảng mạch in (PCB) được sử dụng để ngăn chặn nhiễu điện từ (EMI). Nó giúp cải thiện độ ổn định của tín hiệu và đảm bảo hiệu suất hoạt động đáng tin cậy của sản phẩm.
2. Có những loại khoang che chắn PCB nào?
Các loại phổ biến bao gồm vỏ che chắn bốn mặt, vỏ che chắn gắn bề mặt, nắp đậy cài khớp và khoang che chắn năm mặt. Mỗi loại phù hợp với các yêu cầu thiết kế và chi phí khác nhau.
3. Làm thế nào để chọn khoang che chắn phù hợp cho bảng mạch in (PCB) của tôi?
Bạn nên xem xét nguồn nhiễu, không gian, khối lượng sản xuất, phương pháp lắp đặt, và liệu tấm chắn có cần tháo rời được để kiểm tra hay không.
4. Những vật liệu nào được sử dụng để che chắn sóng vô tuyến (RF) trên bảng mạch in (PCB)?
Các vật liệu thông dụng bao gồm đồng, đồng thau, thép không gỉ, nhôm và bạc niken. Các vật liệu đặc biệt như Mu-metal được sử dụng để che chắn từ trường tần số thấp.
5. Thiết kế lớp chắn có ảnh hưởng đến chi phí PCB không?
Đúng vậy. Cấu trúc, vật liệu và phương pháp lắp ráp của lớp bảo vệ đều ảnh hưởng đến chi phí. Một thiết kế tích hợp đơn giản thường mang lại hiệu quả chi phí cao hơn.
6. Sự khác biệt giữa che chắn gắn bề mặt và che chắn lỗ xuyên là gì?
Việc che chắn trên bề mặt thuận tiện hơn cho quá trình lắp ráp tự động. Che chắn qua lỗ mang lại độ vững chắc cơ học cao hơn nhưng có thể làm tăng chi phí.
7. Làm thế nào để cải thiện hiệu suất EMI trong thiết kế PCB?
Bạn có thể cải thiện hiệu suất EMI bằng cách sử dụng lớp che chắn phù hợp, tối ưu hóa bố trí mạch, giảm thiểu các nguồn nhiễu, cũng như lựa chọn vật liệu và phương pháp nối đất thích hợp.
8. Các khoang che chắn có thể được tái sử dụng hoặc tháo dỡ không?
Đúng vậy. Một số thiết kế, chẳng hạn như nắp lò xo ngón tay, cho phép tháo lắp dễ dàng để kiểm tra, sửa chữa hoặc điều chỉnh.
