中心議題：

• PCB板級屏蔽腔設計

解決方案：

• 在腔體內(nèi)添加吸波材料
• 了解最終元件或產(chǎn)品的生產(chǎn)量
• 使用PCM的方法來制作屏蔽腔體

印刷電路板設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計問題的最大回報。選擇適當?shù)陌寮壠帘吻恢皇浅晒υO計的一個方面，同時還應仔細考慮如工作環(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。《電磁干擾與兼容》雜志就這個問題請教美國最知名專家ALANWARNER先生做了解釋。

就像電源選擇一樣，經(jīng)常在設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)上影響到設計的其他區(qū)域。

3DS——設計，開發(fā)，繪制

PCB板級屏蔽腔和系統(tǒng)的設計開發(fā)可以歸結(jié)為三個關(guān)鍵步驟：設計、開發(fā)和繪制。腔體用戶和腔體設計團隊間的積極交流和咨詢至關(guān)重要。應該找這樣的腔體制造商，他能提供初始設計指南，使用建議，現(xiàn)場參觀，原型設計，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)設計結(jié)合詳細的設計方案以及顧客的意見可能能實現(xiàn)理想的目標，即“用有限的成本取得想要的成果”。

形式選擇

當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？這種應用中應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

對于某種特定的應用，仔細考慮上述問題有助于選擇最為適當，經(jīng)濟的屏蔽形式。對于不同的應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，如標準的高度或者低剖面，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。當判斷圍欄高度與指簧長度關(guān)系時，設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）。


                                           

                                                                      沖壓形式的圍欄結(jié)構(gòu)[page]

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。

                                                 

當實際應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或調(diào)整時拆卸蓋子就越困難。

有的設計者更喜歡用表面安裝生產(chǎn)線的貼裝設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識完成。當將它們安裝在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。
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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。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。

可能在回路工作頻率的諧波頻率處，腔體的空腔成為波導的一部分，此時會產(chǎn)生另一種高頻效應。這種效應導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。

生產(chǎn)和組裝設計

腔體設計的一個關(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。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。

可能在回路工作頻率的諧波頻率處，腔體的空腔成為波導的一部分，此時會產(chǎn)生另一種高頻效應。這種效應導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。

生產(chǎn)和組裝設計

腔體設計的一個關(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。機器加工一般在返工之后，可以使用帶有指狀彈簧的蓋子，或者是焊接一個平的折疊封閉蓋子到PCB上，把暴露出來的區(qū)域重新閉合起來。這個方法可以避免最困難的工作：拆除整個屏蔽體（有可能造成PCB損壞）；也可以不用為了避免最麻煩的修理工作來拆除整個單元。

鑒于高容量產(chǎn)品不斷增加的復雜性和成本，以及環(huán)境指令（例如WEEE：報廢電子電氣設備指令）的實施，一個帶有穿孔的返工接觸區(qū)是一個值得認真考慮的選擇。最后，如果有很多分開的PCB區(qū)域必須與外部屏蔽，或者相互之間需要隔離，以避免串擾問題，可以采用多模穴封平圈。
                                         
                                                                          PCB板級屏蔽腔

元件制造方法

有很多種方法可以使用金屬制造屏蔽殼，包括光化機（PCM）、激光切割、沖壓，以及一些混合方法。選擇方法的時候主要是考慮屏蔽殼的技術(shù)需求，最終的產(chǎn)量，項目對器件價格的限制。

PCM實際上采用了和制造裸線路板的光化法同樣的流程，不同之處在于采用金屬片而不是鐵殼的絕緣體。這個過程包括制造一個平口成型產(chǎn)品。采用CAD后，要先進行蝕刻和考慮彎曲余度，再采用兩種光工具（一種用于金屬的兩面）用于標繪。兩種工具刻劃產(chǎn)品的外形的過程是一樣的。刻劃金屬一個側(cè)面的彎線，徽標，連接或者孔縫細節(jié)，兩種工具采用的方法不同。金屬片要先預涂光阻膜，然后暴露在光工具的紫外光下。不需要的光阻膜會被去除，以便于蝕刻。

PCM有一些優(yōu)點，加工和工具修改花費較低，整個過程所需要的時間較短。彎線可以被很精確的蝕刻出來，例如，135，90或者45度，如圖7。整個過程沒有毛邊和金屬應力，磁和其他金屬特性不變。可以很方便的用于復雜的設計，產(chǎn)品有縫，軌道限界孔，徽標和其他細節(jié)不會增加最后的費用，這可以使設計者隨意設計他們想要的東西。

一個可以用來替換PCM的選擇是激光塑形。它用于規(guī)模生產(chǎn)小型金屬外殼時，價格并不便宜，彎線的精度也不高。但在處理很厚材料的大型屏蔽殼時很不錯，例如19英寸的齒條罩。

紐扣和螺旋壓力機可以簡單地單面塑形，但是多面同時塑形和金屬切割必須要用強力壓力機。小型壓力機可以用于手工操作一個成套沖模。大型壓力機采用機器操作，可以處理更大，多級的加工。

一個成套沖模由一對鉆孔機和底座組成，當他們被壓在一起就會在材料上打一個洞，或者把材料壓制成想要的形狀。鉆孔機和底座可以移除，鉆孔機可以在沖擊過程中臨時附在沖擊工具的末端垂直上下運動。盡管屏蔽殼的材料相對較薄，仍然需要大壓力機。因為生產(chǎn)電子產(chǎn)品的復雜結(jié)構(gòu)需要指數(shù)級增長的壓力加工。這些加工需要大型機床以得到巨大的力量，這種一個可以用來替換PCM的選擇是激光塑形。它用于規(guī)模生產(chǎn)小型金屬外殼時，價格并不便宜，彎線的精度也不高。但在處理很厚材料的大型屏蔽殼時很不錯，例如19英寸的齒條罩。[page]

紐扣和螺旋壓力機可以簡單地單面塑形，但是多面同時塑形和金屬切割必須要用強力壓力機。小型壓力機可以用于手工操作一個成套沖模。大型壓力機采用機器操作，可以處理更大，多級的加工。

                                                            
                                                                             PCB板級屏蔽腔

一個成套沖模由一對鉆孔機和底座組成，當他們被壓在一起就會在材料上打一個洞，或者把材料壓制成想要的形狀。鉆孔機和底座可以移除，鉆孔機可以在沖擊過程中臨時附在沖擊工具的末端垂直上下運動。盡管屏蔽殼的材料相對較薄，仍然需要大壓力機。因為生產(chǎn)電子產(chǎn)品的復雜結(jié)構(gòu)需要指數(shù)級增長的壓力加工。這些加工需要大型機床以得到巨大的力量，這種線穿越了PCB表面的腔體分界面。對于多層PCB板，常用的設計是將PCB射頻地放在外層，將信號走線限制在內(nèi)層。

組裝

今天，將射頻干擾屏蔽腔安裝到PCB板上已成為成品組裝質(zhì)量的一個越來越重要的因素。壓制腔體通常不能緊接PCB板表面?，F(xiàn)在已采用多種方法克服這個問題。方法之一是采用預熱，并在回流時在腔體上放置重物，但這種技術(shù)也存在問題。加重的腔體會影響到組裝的回流特性，并容易導致冷卻和使用時的焊接完整性問題。用PCM生產(chǎn)的屏蔽腔不會產(chǎn)生這些嚴重的共面性問題，因為PCM沒有對材料施加壓力。一旦電鍍和組裝完，用PCM技術(shù)生產(chǎn)的腔體四邊的安裝面都能夠達到要求的平坦度。

克服任何共面問題的另一手段是采用厚度經(jīng)過選擇的印刷焊膏。在一個印刷通帶，為屏蔽腔選用增厚的焊膏和其他更大的元件，有助于消除元件共面的相關(guān)問題。這種技術(shù)提供了更結(jié)實的焊帶，增加了機械強度，有助于防止填料浮空的相關(guān)問題。
焊膏經(jīng)常印在獨立的區(qū)域，但是焊料回流不充分就會產(chǎn)生造成焊料的懸空和氣孔，這就需要進行返工。一個明顯的解決方案是從一開始就確保焊膏不會有這些麻煩的大缺口。

可以生產(chǎn)整體焊膏來進行沒有浮空的回焊。將實心金屬條重新放置在有適當網(wǎng)孔圖案的焊膏模板里面，該模板將獨立的焊縫連在一起，這讓焊料和焊劑在粘劑里面充分混合（圖8）。這種改進的焊膏有助于產(chǎn)生一種表面張力，確保焊膏流經(jīng)所有區(qū)域并在腔體底部周圍產(chǎn)生相同的焊帶。

PCB板和屏蔽腔最開始有著良好的焊接罩面漆。回流加熱時加入印刷焊膏經(jīng)常促使焊料沿著屏蔽腔上移而脫離PCB板。這種結(jié)果除了影響美觀，還可能不能提供焊帶要求的屏蔽度或機械強度。

焊料移動這種問題的一種特殊解決方案是采用回流標志線（RPL）。這個例子中，標志線并不在外殼上，而是在腔體壁上。特別地，腔體壁上電鍍涂層的中斷不僅能使焊料最小程度的上移，而且確保了焊帶強度和最大的容積。這避免了氣孔，缺口和腔體壁外觀不整齊相關(guān)的種種問題。

傳統(tǒng)方法的另一問題，包括圖9所示相鄰縫隙間的網(wǎng)格，是它經(jīng)常產(chǎn)生孤立的粘合焊膏，而不總是有效傳遞整體焊料，所以可能需要再返工。如圖10所示的增強性圖案設計，含有確保整體分布的焊膏能涂在PCB板上的金屬網(wǎng)孔。焊劑和焊膏的存在有助于回流過程的有效進行。

                                                         
然而將腔體或其他大元件安裝到PCB板上時，另一個常見的問題是要放置足夠多的焊膏在PCB板的表面以容納腔體內(nèi)和腔體外的小螺距元件。這要求能通過采用多層模板實現(xiàn)，分配在板上的焊膏量是模板厚度和縫隙尺寸的函數(shù)，如圖11和圖12所示。

電子設備和射頻應用普遍存在于我們今天的日常生活，而且各種管理機構(gòu)的法規(guī)指令日益變化，這意味著考慮PCB上獨立元件和相鄰回路間的輻射干擾前所未有的重要。對輻射干擾的屏蔽應與產(chǎn)品的其他設計因素聯(lián)合考慮，并且最好在早期進行考慮，以避免為滿足初始電磁兼容測試要求而進行PCB布局修改和設備重新設計的昂貴成本。需要考慮的其他問題包括產(chǎn)品測試，生產(chǎn)時的屏蔽處理，其它管理指令，如RoHS條例和成本等。