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1、PCB板板级屏蔽蔽腔：一一种极为为重要的的设计元元件上网时间间：20009-09-22 来来源：慧慧聪电子子网中心议题题： 级屏蔽腔腔设计解决方案案： 在腔体内内添加吸吸波材料料 了解最终终元件或或产品的的生产量量 使用PCCM的方方法来制制作屏蔽蔽腔体印刷设计计是影响响许多电电子产品品功效的的重要因因素。生生产出可可靠的产产品并成成功占领领市场，是是对仔细细考虑所所有设计计问题的的最大回回报。选选择适当当的板级级屏蔽腔腔只是成成功设计计的一个个方面，同同时还应应仔细考考虑如工工作环境境，待生生产产品品的总量量，使用用的安装装方法，计计划采用用的测试试和检验验方法，以以及印刷刷电路板板和元件件
2、的布局局这些关关键问题题。电电磁干扰扰与兼容容杂志志就这个个问题请请教美国国最知名名专家AALANNWARRNERR先生做做了解释释。就像像电源选选择一样样，经常常在设计计过程的的最后才才决定是是否选用用射频干干扰屏蔽蔽腔，这这往往使使得没有有足够空空间加入入屏蔽腔腔，从而而造成腔腔体在物物理结构构上影响响到设计计的其他他区域。3DS设计，开发，绘制PCB板级屏蔽腔和系统的设计开发可以归结为三个关键步骤：设计、开发和绘制。腔体用户和腔体设计团队间的积极交流和咨询至关重要。应该找这样的腔体制造商，他能提供初始设计指南，使用建议，现场参观，原型设计，样品生产，涂料和厚度选择，加工，组装以及对节省成
3、本的重新评估。要获得产品的市场盈利必须要限制成本。结构设计结合详细的设计方案以及顾客的意见可能能实现理想的目标，即“用有限的成本取得想要的成果”。形式选择当选择使用的腔体形式时，必须考虑多种因素。要屏蔽的究竟是什么？屏蔽干扰源的准确性质是什么？把腔体安装在PCB板上以后，顾客是否还需要打开腔体进行修改，测试，检查或调整？腔体是通过过孔安装还是表面安装？产品的预期产量有多大，这个产量是否与机器放置的成本相符？有哪些回路区域需要进行屏蔽，或是与其它区域单独分开？这种应用中应该采用一个腔体还是多个腔体？最终产品是否要经历撞击测试，振动测试或包装落摔测试？屏蔽形式对于某种特定的应用，仔细考虑上述问题有
4、助于选择最为适当，经济的屏蔽形式。对于不同的应用要求可以选择不同的四面屏蔽腔。具有指状弹簧盖子的四面屏蔽腔在其四面都有围栏，通过手焊，波峰焊或通孔再流焊将这些围栏和PCB边缘的系列管脚焊接就能把腔体焊在PCB板上。指状弹簧盖子经常用于这种类型的腔体。如果围栏高度足够容纳指簧，那么指状弹簧盖子是可拆卸盖子中的最佳选择。指状弹簧的尺寸，如标准的高度或者低剖面，能够根据需求进行生产。如果围栏外没有足够的空间放置外部指簧，则应选用内部指簧。而且，对于在相反面具有相同形式的外部指簧和内部指簧，则能混合使用。具有指状弹簧的表面安装四面腔体是屏蔽腔的另一选择。这种类型的腔体除了没有固定管脚，其他与普通四面腔
5、体相同。经常采用缝焊将其沿着一段连续的走线焊接到PCB板上。当判断围栏高度与指簧长度关系时，设计者需将围栏底部圆角厚度考虑在内。替代连续缝焊围栏的另一方法是将PCB边缘的围栏做成有缺口。这种方法减少了将围栏焊在PCB板上的量，还为走线穿过围栏边界提供了间隙，而不需采用特定的走线间隙过孔或多层PCB板。如果采用机器安装围栏到PCB板上，需要采用贴装技术。这可能需要结合使用冲压形式的围栏结构（图1）。 冲压形形式的围围栏结构构四面的PPCB腔腔体还可可采用平平面折叠叠盖子，如如图2所示。这这种类型型的盖子子生产成成本更低低，特别别是在开开发阶段段。这种种设计的的唯一缺缺点是不不能保证证盖子和和围栏
6、的的有效连连接，除除了采用用盖子固固定贴条条的地方方。任何何连接的的缺口都都会影响响到腔体体的电磁磁兼容性性能。这这种盖子子固定贴贴条可以以是折叠叠型的也也可以是是缠绕型型的，如如图2和图3所示。这这两种类类型的贴贴条都能能用于盖盖子5次以上上的移动动和更换换。 当实际际应用需需要围栏栏和盖子子具有低低剖面时时，可以以采用点点扣盖子子。盖子子边壁上上的小块块插入了了围栏边边壁上的的小缝。这这种设计计选择能能将围栏栏高度降降低到11.5mmm。与与选用贴贴条和缝缝隙盖子子一样，这这种设计计也不能能保证围围栏和盖盖子的有有效连接接，除非非用小块块扣牢位位置。而而且，壁壁上小块块越多，安安装盖子子后
7、进行行必要修修复或调调整时拆拆卸盖子子就越困困难。有有的设计计者更喜喜欢用表表面安装装生产线线的贴装装设备将将盖子和和围栏合合为整体体。只有有在重新新加工腔腔体内元元件时才才打开盖盖子。选选择这种种设计意意味着盖盖子上必必须留有有阵列小小孔，以以便热量量能进入入腔体将将内部的的焊接在在PCBB上，如如图4所示。不不幸的是是，这些些小孔会会将腔体体的屏蔽蔽性能降降低200dB左左右。 当测测试后才才进行腔腔体安装装，或的的产量很很大时，选选择五面面腔体更更节省成成本。这这种选择择能通过过焊接管管脚，点点焊角或或对焊角角实现，也也可通过过热回流流孔完成成加工安安装。迄迄今为止止开发五五面腔体体和进
8、行行少量生生产最省省钱的方方法是选选用曲线线加工五五面腔体体。如图图5所示，它它是通过过在平板板上加标标识完成成。当将将它们安安装在PPCB板板上时，用用户只需需将其折折叠成想想要的形形状即可可。屏蔽蔽材料对对于大多多数射频频屏蔽，几几乎任何何一种基基底材料料，如铜铜，黄铜铜，不锈锈钢，铝铝或镍黄黄铜都能能制作屏屏蔽体。将将元件焊焊接到PPCB板板的安装装过程中中，更多多采用电电镀而不不是镍黄黄铜。传传统上曾曾采用光光亮镀锡锡，然而而随着RRoHSS指令关关于有害害物质规规定的执执行，PPCB板板生产线线改为无无铅焊接接，这种种焊接的的回流温温度等于于甚至超超过光亮亮锡的熔熔点。因因此也改改变
9、了对对镍黄铜铜的使用用。当然然也可选选用镀银银或镀金金加工，但但是成本本明显过过高。低低频时干干扰一般般是磁场场影响，尽尽管有时时会采用用较厚的的钢板或或磷青铜铜做成屏屏蔽腔，但但更多的的还是采采用Muu金属等等特殊材材料或射射频材料料制作屏屏蔽腔。用金属薄薄膜制做做屏蔽腔腔的频率率限制一一般是335GHHz，如如果超出出这个频频率范围围有两个个效应会会限制屏屏蔽效能能或其有有效性。由由于腔体体和上间的分分布作用用，腔体体金属内内的任何何微小移移动都会会产生颤颤噪效应应。在这这个频段段，屏蔽蔽体通常常选用固固体加工工形式，从从而克服服了上述述效应。可能在回路工作频率的谐波频率处，腔体的空腔成为
10、波导的一部分，此时会产生另一种高频效应。这种效应导致腔体更像一个谐振腔而不是屏蔽体。能通过在腔体内添加吸波材料或仔细选择腔体尺寸避免这种效应。生产和组装设计腔体设计的一个关键因素是了解最终元件或产品的生产量。这个判断会决定最后生产方法的选择，在某种程度上也会决定屏蔽形式的选择。正如上面讨论过的围栏-盖子设计以及五面腔体，很明显生产一个整体要比将两块合起来形成屏蔽体便宜很多。选择的生产方法也会影响到元件成本。例如，比较光化机（PCM）相对冲压加工或两种方法混合加工的成本。元件是手工安装还是机器安装？如果选用机器安装，由于大多数机器采用真空吸头吸起元件，则需要采用贴装靶。虽然有的机器采用钳子类型的
11、系统抓起元件，但这种类型的机器并不常见。对于机器安装，PCB边缘围栏的共面性要求在0.1mm以上以保证在安装或进入回流炉时腔体处于上。机器加工一般屏蔽材料对于大多数射频屏蔽，几乎任何一种基底材料，如铜，黄铜，不锈钢，铝或镍黄铜都能制作屏蔽体。将元件焊接到PCB板的安装过程中，更多采用电镀而不是镍黄铜。传统上曾采用光亮镀锡，然而随着RoHS指令关于有害物质规定的执行，PCB板生产线改为无铅焊接，这种焊接的回流温度等于甚至超过光亮锡的熔点。因此也改变了对镍黄铜的使用。当然也可选用镀银或镀金加工，但是成本明显过高。低频时干扰一般是磁场影响，尽管有时会采用较厚的钢板或磷青铜做成屏蔽腔，但更多的还是采用
12、Mu金属等特殊材料或射频材料制作屏蔽腔。用金属薄膜制做屏蔽腔的频率限制一般是35GHz，如果超出这个频率范围有两个效应会限制屏蔽效能或其有效性。由于腔体和PCB板上电子元件间的分布电容作用，腔体金属内的任何微小移动都会产生颤噪效应。在这个频段，屏蔽体通常选用固体加工形式，从而克服了上述效应。可能在回路工作频率的谐波频率处，腔体的空腔成为波导的一部分，此时会产生另一种高频效应。这种效应导致腔体更像一个谐振腔而不是屏蔽体。能通过在腔体内添加吸波材料或仔细选择腔体尺寸避免这种效应。生产和组装设计腔体设计的一个关键因素是了解最终元件或产品的生产量。这个判断会决定最后生产方法的选择，在某种程度上也会决定
13、屏蔽形式的选择。正如上面讨论过的围栏-盖子设计以及五面腔体，很明显生产一个整体要比将两块合起来形成屏蔽体便宜很多。选择的生产方法也会影响到元件成本。例如，比较光化机（PCM）相对冲压加工或两种方法混合加工的成本。元件是手工安装还是机器安装？如果选用机器安装，由于大多数机器采用真空吸头吸起元件，则需要采用贴装靶。虽然有的机器采用钳子类型的系统抓起元件，但这种类型的机器并不常见。对于机器安装，PCB边缘围栏的共面性要求在0.1mm以上以保证在安装或进入回流炉时腔体处于焊膏上。机器加工一般在返工之后，可以使用带有指状弹簧的盖子，或者是焊接一个平的折叠封闭盖子到PCB上，把暴露出来的区域重新闭合起来。
14、这个方法可以避免最困难的工作：拆除整个屏蔽体（有可能造成PCB损坏）；也可以不用为了避免最麻烦的修理工作来拆除整个单元。鉴于高容量产品不断增加的复杂性和成本，以及环境指令（例如WEEE：报废电子电气设备指令）的实施，一个带有穿孔的返工接触区是一个值得认真考虑的选择。最后，如果有很多分开的PCB区域必须与外部屏蔽，或者相互之间需要隔离，以避免串扰问题，可以采用多模穴封平圈。 PCB板级屏蔽腔元件制造方法有很多种方法可以使用金属制造屏蔽壳，包括光化机（PCM）、激光切割、冲压，以及一些混合方法。选择方法的时候主要是考虑屏蔽壳的技术需求，最终的产量，项目对器件价格的限制。PCM实际上采用了和制造裸的
15、光化法同样的流程，不同之处在于采用金属片而不是铁壳的绝缘体。这个过程包括制造一个平口成型产品。采用CAD后，要先进行蚀刻和考虑弯曲余度，再采用两种光工具（一种用于金属的两面）用于标绘。两种工具刻划产品的外形的过程是一样的。刻划金属一个侧面的弯线，徽标，连接或者孔缝细节，两种工具采用的方法不同。金属片要先预涂光阻膜，然后暴露在光工具的紫外光下。不需要的光阻膜会被去除，以便于蚀刻。PCM有一些优点，加工和工具修改花费较低，整个过程所需要的时间较短。弯线可以被很精确的蚀刻出来，例如，135，90或者45度，如图7。整个过程没有毛边和金属应力，磁和其他金属特性不变。可以很方便的用于复杂的设计，产品有缝
16、，轨道限界孔，徽标和其他细节不会增加最后的费用，这可以使设计者随意设计他们想要的东西。一个可以用来替换PCM的选择是激光塑形。它用于规模生产小型金属外壳时，价格并不便宜，弯线的精度也不高。但在处理很厚材料的大型屏蔽壳时很不错，例如19英寸的齿条罩。纽扣和螺旋压力机可以简单地单面塑形，但是多面同时塑形和金属切割必须要用强力压力机。小型压力机可以用于手工操作一个成套冲模。大型压力机采用机器操作，可以处理更大，多级的加工。一个成套冲模由一对钻孔机和底座组成，当他们被压在一起就会在材料上打一个洞，或者把材料压制成想要的形状。钻孔机和底座可以移除，钻孔机可以在冲击过程中临时附在冲击工具的末端垂直上下运动
17、。尽管屏蔽壳的材料相对较薄，仍然需要大压力机。因为生产电子产品的复杂结构需要指数级增长的压力加工。这些加工需要大型机床以得到巨大的力量，这种一个可以用来替换PCM的选择是激光塑形。它用于规模生产小型金属外壳时，价格并不便宜，弯线的精度也不高。但在处理很厚材料的大型屏蔽壳时很不错，例如19英寸的齿条罩。纽扣和螺螺旋压力力机可以以简单地地单面塑塑形，但但是多面面同时塑塑形和金金属切割割必须要要用强力力压力机机。小型型压力机机可以用用于手工工操作一一个成套套冲模。大大型压力力机采用用机器操操作，可可以处理理更大，多多级的加加工。 级级屏蔽腔腔一个成成套冲模模由一对对钻孔机机和底座座组成，当当他们被被
18、压在一一起就会会在材料料上打一一个洞，或或者把材材料压制制成想要要的形状状。钻孔孔机和底底座可以以移除，钻钻孔机可可以在冲冲击过程程中临时时附在冲冲击工具具的末端端垂直上上下运动动。尽管管屏蔽壳壳的材料料相对较较薄，仍仍然需要要大压力力机。因因为生产产电子产产品的复复杂结构构需要指指数级增增长的压压力加工工。这些些加工需需要大型型机床以以得到巨巨大的力力量，这这种线穿穿越了PPCB表表面的腔腔体分界界面。对对于多层层PCBB板，常常用的设设计是将将PCBB射频地地放在外外层，将将信号走走线限制制在内层层。组装装今天，将将射频干干扰屏蔽蔽腔安装到到PCBB板上已已成为成成品组装装质量的的一个越越
19、来越重重要的因因素。压压制腔体体通常不不能紧接接PCBB板表面面。现在在已采用用多种方方法克服服这个问问题。方方法之一一是采用用预热，并并在回流流时在腔腔体上放放置重物物，但这这种技术术也存在在问题。加加重的腔腔体会影影响到组组装的回回流特性性，并容容易导致致冷却和和使用时时的焊接接完整性性问题。用用PCMM生产的的屏蔽腔腔不会产产生这些些严重的的共面性性问题，因因为PCCM没有有对材料料施加压压力。一一旦电镀镀和组装装完，用用PCMM技术生生产的腔腔体四边边的安装装面都能能够达到到要求的的平坦度度。克服服任何共共面问题题的另一一手段是是采用厚厚度经过过选择的的印刷。在在一个印印刷通带带，为屏
20、屏蔽腔选用增增厚的焊焊膏和其其他更大大的元件件，有助助于消除除元件共共面的相相关问题题。这种种技术提提供了更更结实的的焊带，增增加了机机械强度度，有助助于防止止填料浮浮空的相相关问题题。焊膏经常常印在独独立的区区域，但但是回流流不充分分就会产产生造成成焊料的的悬空和和气孔，这这就需要要进行返返工。一一个明显显的解决决方案是是从一开开始就确确保焊膏膏不会有有这些麻麻烦的大大缺口。可以生产整体焊膏来进行没有浮空的回焊。将实心金属条重新放置在有适当网孔图案的焊膏模板里面，该模板将独立的焊缝连在一起，这让焊料和焊剂在粘剂里面充分混合（图8）。这种改进的焊膏有助于产生一种表面张力，确保焊膏流经所有区域并
21、在腔体底部周围产生相同的焊带。PCB板和屏蔽腔最开始有着良好的焊接罩面漆。回流加热时加入印刷焊膏经常促使焊料沿着屏蔽腔上移而脱离PCB板。这种结果除了影响美观，还可能不能提供焊带要求的屏蔽度或机械强度。焊料移动这种问题的一种特殊解决方案是采用回流标志线（RPL）。这个例子中，标志线并不在外壳上，而是在腔体壁上。特别地，腔体壁上电镀涂层的中断不仅能使焊料最小程度的上移，而且确保了焊带强度和最大的容积。这避免了气孔，缺口和腔体壁外观不整齐相关的种种问题。传统方法的另一问题，包括图9所示相邻缝隙间的网格，是它经常产生孤立的粘合焊膏，而不总是有效传递整体焊料，所以可能需要再返工。如图10所示的增强性图
22、案设计，含有确保整体分布的焊膏能涂在PCB板上的金属网孔。焊剂和焊膏的存在有助于回流过程的有效进行。 然而将腔体或其他大元件安装到PCB板上时，另一个常见的问题是要放置足够多的焊膏在PCB板的表面以容纳腔体内和腔体外的小螺距元件。这要求能通过采用多层模板实现，分配在板上的焊膏量是模板厚度和缝隙尺寸的函数，如图11和图12所示。电子设备和射频应用普遍存在于我们今天的日常生活，而且各种管理机构的法规指令日益变化，这意味着考虑PCB上独立元件和相邻回路间的辐射干扰前所未有的重要。对辐射干扰的屏蔽应与产品的其他设计因素联合考虑，并且最好在早期进行考虑，以避免为满足初始电磁兼容测试要求而进行PCB布局修改和设备重新设计的昂贵成本。需要考虑的其他问题包括产品测试，生产时的屏蔽处理，其它管理指令，如RoHS条例和成本等。