PCB板级屏蔽设计

中心议题：

• PCB板级屏蔽设计
• 板级设计的灵活性

解决方案：

• 采用热成型屏蔽体
• 采用框盖技术

电子设备越来越小,用户的需求也各具特点,这使得印刷电路板的设计越来越复杂-更不用说完成的设计不仅要满足功能性测试,还要满足美国联邦通信委员会和其他法规规定的兼容性测试。一个新的电子设备典型设计流程如下:首先由市场组根据市场需求确定所需特征,然后由产业工程师设计产品的主要特征,如用户界面,平台规模,腔体设计以及机械元件。最后由元件和PCB板工程师根据这些规范进行回路和元件的布局。

许多设计工程师首先考虑的是屏蔽要求,即通过将噪声元件放在离敏感元件尽可能远的地方以减小潜在的干扰;然而,他们也意识到如果产品未能通过检测实验室的认证测试,他们不得不通过在PCB板上加屏蔽腔以提供屏蔽。为了给屏蔽腔留出足够的空间,他们只好把最大的元件放在一起以最好地利用这些屏蔽腔。但是这种思路需要根据屏蔽体形状和屏蔽要求进行PCB板设计,而无法寻求空间利用的最大化和功能的优化设计。

通过采用热成型板级屏蔽体(图1)代替传统屏蔽技术,设计工程师能够根据功能要求将元件和电路置于PCB板上,而不必根据已有屏蔽腔的固定形状进行设计。工程师利用这些热成型屏蔽体,就能够基于电路和元件功能进行板级设计,而不再受限于传统屏蔽腔的形状。选用单个热成型屏蔽腔具有很多特别的好处,能为板级设计,一体化和性能增加很大的灵活性。

板级设计的灵活性

当今的客户希望有各种形状和尺寸的电子设备,这种需求就需要特定的腔体设计和PCB板形状。现成的元件和腔体一般是方形或矩形的,而在非规则的PCB板上放置方形屏蔽腔会对工程师在PCB板上放置元件的能力造成影响。不论PCB板尺寸如何,热成型屏蔽体都能够按照任意的PCB板成形,而不会增加制造屏蔽体的复杂性。选择热成型屏蔽体的设计者在项目开始阶段可以更多的关注于有效板级设计,而不会受限于电磁干扰屏蔽体的外形和构造。例如,图2为一个圆形的PCB板及用于满足法规和功能要求相应的热成型,多腔体屏蔽体。如果采用传统的屏蔽技术,这种类型的PCB板就需要7个独立的屏蔽腔,因此会占用更多的空间。


图1.具有球形焊料走线的热成型屏蔽体可以保证产品具有可靠的性能

而且,热成型屏蔽体将所需的空间最小化到单个屏蔽体大小。当PCB板上有多个屏蔽腔时,每个腔体都需要独立的走线接地,与此不同,如果PCB板采用热成型的多腔体屏蔽腔,该腔体就能够通过一排球形焊料连接到接地平面。通过对比发现,如果工程师准备使用两个单独的屏蔽腔,那么每个腔体都需要自己的接地线,并且腔体之间要留有间隔。但如果采用热成型、多腔屏蔽体,则只需要在腔体之间设置一根独立的接地线即可(图3)。



图2a.具有7个腔体的圆形PCB板

图2b.置于PCB板上的热成型多腔屏蔽体

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热成型屏蔽体带来的设计灵活性确保了能够对其他必要特征进行设计,如设计避免耦合的过孔,电缆和连接的接入点,以及用于冷却的气孔。具有这种灵活性,设计时就能将元件和电路放在最优的位置,而不用首先考虑屏蔽的要求。

一体化的灵活性

热成型板级屏蔽体的设计和构造以各种方式增加了腔体内的可用空间。如果选用现成的元件和屏蔽腔,则需要留出足够的空间以避免PCB板上最高的元件与腔体内表面发生短路。但如果采用热成型屏蔽体则不需要这个附加的空间,因为热成型屏蔽体是由轻的金属化塑料制成,因此腔体内表面不导电。


图3.传统的屏蔽腔需要为每个腔体提供单独的接地线,并且腔体之间要留有空间以避免可能的短路,然而热成型多腔屏蔽体只需要一根独立的焊线就可以保证最大的屏蔽效果

而且,传统的屏蔽体高度一般是均匀的,因此某区域屏蔽体的高度由该屏蔽区域的最高元件决定。然而,热成型屏蔽体使设计工程师能够灵活的变化腔体内屏蔽体的高度,这增加了在z轴方向设计的灵活性,周围也能容纳更多的元件和腔体部件。

性能

如果PCB板上有多个区域需要屏蔽,有的工程师会采用框盖技术。虽然这种技术能将每个腔体与外界干扰屏蔽开来,但外框与盖子的内部开孔对于干扰非常敏感。热成型多腔屏蔽体能让各个腔体对外界干扰的屏蔽效果保持一致。实际上,用于安装这些屏蔽体的球形焊料有两厘米的接触点,这确保了产品的性能能高达12GHz,并且球形提供了两层的接触,有一定的冗余。另一方面,框盖屏蔽体通过凹陷保证接触,这一般需要5毫米的空间。而且,盖子一般是刚性的,移动不灵活,而且盖子的翻转通常会破坏电气接触,因此框盖技术并不能提供与热成型屏蔽体相同的可靠性能。


图4.手持式电脑上的PCB板采用了热成型多腔屏蔽体

构造热成型屏蔽体的材料一般既牢固又灵活。材料的灵活性避免了屏蔽体在接触点施力,这使得在跌落测试和震动测试中,屏蔽体都能保持与PCB板之间具有良好的接触。

一个案例

一个提供自动信息和数据采集及移动计算系统的知名电子公司设计了一款新型的具有扫描能力的手持抗震电脑。这个新模型比以前的模型多了电压计来集成多达五个不同的无线电发射机,而容纳它们的腔体体积却更小。设计过程开始前,这个公司的设计者就决定选用热成型板级屏蔽体-这个设计选择使在PCB板上放置多级元件成为可能(图4)。通过这种方法,设计者增加了产品的多功能性,而且还将模型尺寸减小了7%,并且新产品成功通过了新手持式抗震设备上市所需进行的测试。

如果成品需要通过兼容性测试并在最终用户手里可靠使用,很有必要对PCB板上所有元件进行有效的屏蔽。板级设计者经常使用传统的金属屏蔽腔或框盖技术对元件进行屏蔽。虽然这些选择可能会提供有效的屏蔽,但它们的金属构造,尺寸和刚性经常会给成品的尺寸和功能带来限制。选择质量轻的金属化胶膜屏蔽体,易于热成型成任意形状,这使设计者更多的关注于对可靠的产品进行最优化的设计,并很好满足最终用户的期望。