《電子技術(shù)應(yīng)用》
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PCB板級屏蔽腔和系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)
摘要: 印刷電路板設(shè)計是影響許多電子產(chǎn)品功效的重要因素。生產(chǎn)出可靠的產(chǎn)品并成功占領(lǐng)市場,是對仔細考慮所有設(shè)計問題的最大回報。選擇適當(dāng)?shù)陌寮壠帘吻恢皇浅晒υO(shè)計的一個方面,同時還應(yīng)仔細考慮如工作環(huán)境,待生產(chǎn)產(chǎn)
關(guān)鍵詞: PCB設(shè)計軟件 PCB 屏蔽
Abstract:
Key words :

  印刷電路板設(shè)計是影響許多電子產(chǎn)品功效的重要因素。生產(chǎn)出可靠的產(chǎn)品并成功占領(lǐng)市場,是對仔細考慮所有設(shè)計問題的最大回報。選擇適當(dāng)?shù)陌寮?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/屏蔽" title="屏蔽" target="_blank">屏蔽腔只是成功設(shè)計的一個方面,同時還應(yīng)仔細考慮如工作環(huán)境,待生產(chǎn)產(chǎn)品的總量,使用的安裝方法,計劃采用的測試和檢驗方法,以及印刷電路板和元件的布局這些關(guān)鍵問題。

  就像電源選擇一樣,經(jīng)常在設(shè)計過程的最后才決定是否選用射頻干擾屏蔽腔,這往往使得沒有足夠空間加入屏蔽腔,從而造成腔體在物理結(jié)構(gòu)上影響到設(shè)計的其他區(qū)域。

  3DS——設(shè)計,開發(fā),繪制

  PCB板級屏蔽腔和系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)可以歸結(jié)為三個關(guān)鍵步驟:設(shè)計、開發(fā)和繪制。腔體用戶和腔體設(shè)計團隊間的積極交流和咨詢至關(guān)重要。應(yīng)該找這樣的腔體制造商,他能提供初始設(shè)計指南,使用建議,現(xiàn)場參觀,原型設(shè)計,樣品生產(chǎn),涂料和厚度選擇,加工,組裝以及對節(jié)省成本的重新評估。要獲得產(chǎn)品的市場盈利必須要限制成本。結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)合詳細的設(shè)計方案以及顧客的意見可能能實現(xiàn)理想的目標(biāo),即“用有限的成本取得想要的成果”。

  形式選擇

  當(dāng)選擇使用的腔體形式時,必須考慮多種因素。要屏蔽的究竟是什么?屏蔽干擾源的準(zhǔn)確性質(zhì)是什么?把腔體安裝在PCB板上以后,顧客是否還需要打開腔體進行修改,測試,檢查或調(diào)整?腔體是通過過孔安裝還是表面安裝?產(chǎn)品的預(yù)期產(chǎn)量有多大,這個產(chǎn)量是否與機器放置的成本相符?有哪些回路區(qū)域需要進行屏蔽,或是與其它區(qū)域單獨分開?這種應(yīng)用中應(yīng)該采用一個腔體還是多個腔體?最終產(chǎn)品是否要經(jīng)歷撞擊測試,振動測試或包裝落摔測試?

  屏蔽形式

  對于某種特定的應(yīng)用,仔細考慮上述問題有助于選擇最為適當(dāng),經(jīng)濟的屏蔽形式。對于不同的應(yīng)用要求可以選擇不同的四面屏蔽腔。具有指狀彈簧蓋子的四面屏蔽腔在其四面都有圍欄,通過手焊,波峰焊或通孔再流焊將這些圍欄和PCB邊緣的系列管腳焊接就能把腔體焊在PCB板上。指狀彈簧蓋子經(jīng)常用于這種類型的腔體。如果圍欄高度足夠容納指簧,那么指狀彈簧蓋子是可拆卸蓋子中的最佳選擇。指狀彈簧的尺寸,如標(biāo)準(zhǔn)的高度或者低剖面,能夠根據(jù)需求進行生產(chǎn)。如果圍欄外沒有足夠的空間放置外部指簧,則應(yīng)選用內(nèi)部指簧。而且,對于在相反面具有相同形式的外部指簧和內(nèi)部指簧,則能混合使用。

  具有指狀彈簧的表面安裝四面腔體是屏蔽腔的另一選擇。這種類型的腔體除了沒有固定管腳,其他與普通四面腔體相同。經(jīng)常采用縫焊將其沿著一段連續(xù)的走線焊接到PCB板上。當(dāng)判斷圍欄高度與指簧長度關(guān)系時,設(shè)計者需將圍欄底部焊錫圓角厚度考慮在內(nèi)。替代連續(xù)縫焊圍欄的另一方法是將PCB邊緣的圍欄做成有缺口。這種方法減少了將圍欄焊在PCB板上的焊料量,還為走線穿過圍欄邊界提供了間隙,而不需采用特定的走線間隙過孔或多層PCB板。如果采用機器安裝圍欄到 PCB板上,需要采用貼裝技術(shù)。這可能需要結(jié)合使用沖壓形式的圍欄結(jié)構(gòu)(圖1)。

  


 

  四面的PCB腔體還可采用平面折疊蓋子,如圖2所示。這種類型的蓋子生產(chǎn)成本更低,特別是在開發(fā)階段。這種設(shè)計的唯一缺點是不能保證蓋子和圍欄的有效連接,除了采用蓋子固定貼條的地方。任何連接的缺口都會影響到腔體的電磁兼容性能。這種蓋子固定貼條可以是折疊型的也可以是纏繞型的,如圖2和圖3所示。這兩種類型的貼條都能用于蓋子5次以上的移動和更換。

  

平面折疊蓋子

 

  當(dāng)實際應(yīng)用需要圍欄和蓋子具有低剖面時,可以采用點扣蓋子。蓋子邊壁上的小塊插入了圍欄邊壁上的小縫。這種設(shè)計選擇能將圍欄高度降低到1.5mm。與選用貼條和縫隙蓋子一樣,這種設(shè)計也不能保證圍欄和蓋子的有效連接,除非用小塊扣牢位置。而且,壁上小塊越多,安裝蓋子后進行必要修復(fù)或調(diào)整時拆卸蓋子就越困難。

  有的設(shè)計者更喜歡用表面安裝生產(chǎn)線的貼裝設(shè)備將蓋子和圍欄合為整體。只有在重新加工腔體內(nèi)元件時才打開蓋子。選擇這種設(shè)計意味著蓋子上必須留有陣列小孔,以便熱量能進入腔體將內(nèi)部的電子元件焊接在PCB上,如圖4所示。不幸的是,這些小孔會將腔體的屏蔽性能降低20dB左右。

  當(dāng)測試后才進行腔體安裝,或PCB板的產(chǎn)量很大時,選擇五面腔體更節(jié)省成本。這種選擇能通過焊接管腳,點焊角或?qū)附菍崿F(xiàn),也可通過熱回流孔完成加工安裝。迄今為止開發(fā)五面腔體和進行少量生產(chǎn)最省錢的方法是選用曲線加工五面腔體。如圖5所示,它是通過在平板上加標(biāo)識完成。當(dāng)將它們安裝在PCB板上時,用戶只需將其折疊成想要的形狀即可。

  

 

  屏蔽材料

  對于大多數(shù)射頻屏蔽,幾乎任何一種基底材料,如銅,黃銅,不銹鋼,鋁或鎳黃銅都能制作屏蔽體。將元件焊接到PCB板的安裝過程中,更多采用電鍍而不是鎳黃銅。傳統(tǒng)上曾采用光亮鍍錫,然而隨著RoHS指令關(guān)于有害物質(zhì)規(guī)定的執(zhí)行,PCB板生產(chǎn)線改為無鉛焊接,這種焊接的回流溫度等于甚至超過光亮錫的熔點。因此也改變了對鎳黃銅的使用。當(dāng)然也可選用鍍銀或鍍金加工,但是成本明顯過高。低頻時干擾一般是磁場影響,盡管有時會采用較厚的鋼板或磷青銅做成屏蔽腔,但更多的還是采用Mu金屬等特殊材料或射頻材料制作屏蔽腔。

  用金屬薄膜制做屏蔽腔的頻率限制一般是3~5GHz,如果超出這個頻率范圍有兩個效應(yīng)會限制屏蔽效能或其有效性。由于腔體和PCB板上電子元件間的分布電容作用,腔體金屬內(nèi)的任何微小移動都會產(chǎn)生顫噪效應(yīng)。在這個頻段,屏蔽體通常選用固體加工形式,從而克服了上述效應(yīng)。

  可能在回路工作頻率的諧波頻率處,腔體的空腔成為波導(dǎo)的一部分,此時會產(chǎn)生另一種高頻效應(yīng)。這種效應(yīng)導(dǎo)致腔體更像一個諧振腔而不是屏蔽體。能通過在腔體內(nèi)添加吸波材料或仔細選擇腔體尺寸避免這種效應(yīng)。

  生產(chǎn)和組裝設(shè)計

  腔體設(shè)計的一個關(guān)鍵因素是了解最終元件或產(chǎn)品的生產(chǎn)量。這個判斷會決定最后生產(chǎn)方法的選擇,在某種程度上也會決定屏蔽形式的選擇。正如上面討論過的圍欄-蓋子設(shè)計以及五面腔體,很明顯生產(chǎn)一個整體要比將兩塊合起來形成屏蔽體便宜很多。

  選擇的生產(chǎn)方法也會影響到元件成本。例如,比較光化機(PCM)相對沖壓加工或兩種方法混合加工的成本。元件是手工安裝還是機器安裝?如果選用機器安裝,由于大多數(shù)機器采用真空吸頭吸起元件,則需要采用貼裝靶。雖然有的機器采用鉗子類型的系統(tǒng)抓起元件,但這種類型的機器并不常見。

  對于機器安裝,PCB邊緣圍欄的共面性要求在0.1mm以上以保證在安裝或進入回流爐時腔體處于焊膏上。

  機器加工一般屏蔽材料

  對于大多數(shù)射頻屏蔽,幾乎任何一種基底材料,如銅,黃銅,不銹鋼,鋁或鎳黃銅都能制作屏蔽體。將元件焊接到PCB板的安裝過程中,更多采用電鍍而不是鎳黃銅。傳統(tǒng)上曾采用光亮鍍錫,然而隨著RoHS指令關(guān)于有害物質(zhì)規(guī)定的執(zhí)行,PCB板生產(chǎn)線改為無鉛焊接,這種焊接的回流溫度等于甚至超過光亮錫的熔點。因此也改變了對鎳黃銅的使用。當(dāng)然也可選用鍍銀或鍍金加工,但是成本明顯過高。低頻時干擾一般是磁場影響,盡管有時會采用較厚的鋼板或磷青銅做成屏蔽腔,但更多的還是采用Mu金屬等特殊材料或射頻材料制作屏蔽腔。

  用金屬薄膜制做屏蔽腔的頻率限制一般是3~5GHz,如果超出這個頻率范圍有兩個效應(yīng)會限制屏蔽效能或其有效性。由于腔體和PCB板上電子元件間的分布電容作用,腔體金屬內(nèi)的任何微小移動都會產(chǎn)生顫噪效應(yīng)。在這個頻段,屏蔽體通常選用固體加工形式,從而克服了上述效應(yīng)。

  可能在回路工作頻率的諧波頻率處,腔體的空腔成為波導(dǎo)的一部分,此時會產(chǎn)生另一種高頻效應(yīng)。這種效應(yīng)導(dǎo)致腔體更像一個諧振腔而不是屏蔽體。能通過在腔體內(nèi)添加吸波材料或仔細選擇腔體尺寸避免這種效應(yīng)。

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