PCB板級屏蔽腔及系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)簡介

印刷電路板設(shè)計(jì)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(xì)考慮所有設(shè)計(jì)問題的最大回報(bào)。選擇適當(dāng)?shù)陌寮壠帘吻恢皇浅晒υO(shè)計(jì)的一個(gè)方面，同時(shí)還應(yīng)仔細(xì)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(jì)劃采用的測試和檢驗(yàn)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(jì)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(jì)的其他區(qū)域。

3DS——設(shè)計(jì)，開發(fā)，繪制

PCB板級屏蔽腔和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)可以歸結(jié)為三個(gè)關(guān)鍵步驟：設(shè)計(jì)、開發(fā)和繪制。腔體用戶和腔體設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(jì)指南，使用建議，現(xiàn)場參觀，原型設(shè)計(jì)，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(jì)結(jié)合詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案以及顧客的意見可能能實(shí)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(shí)，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(jìn)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(gè)產(chǎn)量是否與機(jī)器放置的成本相符?有哪些回路區(qū)域需要進(jìn)行屏蔽，或是與其它區(qū)域單獨(dú)分開?這種應(yīng)用中應(yīng)該采用一個(gè)腔體還是多個(gè)腔體?最終產(chǎn)品是否要經(jīng)歷撞擊測試，振動(dòng)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(xì)考慮上述問題有助于選擇最為適當(dāng)，經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(shí)，設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)的唯一缺點(diǎn)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(dòng)和更換。

當(dāng)實(shí)際應(yīng)用需要圍欄和蓋子具有低剖面時(shí)，可以采用點(diǎn)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(jì)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(jì)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(jìn)行必要修復(fù)或調(diào)整時(shí)拆卸蓋子就越困難。

有的設(shè)計(jì)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(shí)才打開蓋子。選擇這種設(shè)計(jì)意味著蓋子上必須留有陣列小孔，以便熱量能進(jìn)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(jìn)行腔體安裝，或PCB板的產(chǎn)量很大時(shí)，選擇五面腔體更節(jié)省成本。這種選擇能通過焊接管腳，點(diǎn)焊角或?qū)附菍?shí)現(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(jìn)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(shí)，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(diǎn)。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(shí)干擾一般是磁場影響，盡管有時(shí)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(gè)頻率范圍有兩個(gè)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(dòng)都會產(chǎn)生顫噪效應(yīng)。在這個(gè)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(shí)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(gè)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(xì)選擇腔體尺寸避免這種效應(yīng)。

生產(chǎn)和組裝設(shè)計(jì)

腔體設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素是了解最終元件或產(chǎn)品的生產(chǎn)量。這個(gè)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(jì)以及五面腔體，很明顯生產(chǎn)一個(gè)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(jī)(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(jī)器安裝?如果選用機(jī)器安裝，由于大多數(shù)機(jī)器采用真空吸頭吸起元件，則需要采用貼裝靶。雖然有的機(jī)器采用鉗子類型的系統(tǒng)抓起元件，但這種類型的機(jī)器并不常見。

對于機(jī)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(jìn)入回流爐時(shí)腔體處于焊膏上。

機(jī)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(diǎn)。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(shí)干擾一般是磁場影響，盡管有時(shí)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(gè)頻率范圍有兩個(gè)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(dòng)都會產(chǎn)生顫噪效應(yīng)。在這個(gè)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(shí)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(gè)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(xì)選擇腔體尺寸避免這種效應(yīng)。