PCB板级屏蔽腔：一种极为重要的设计元件

中心议题：

• PCB板级屏蔽腔设计

解决方案：

• 在腔体内添加吸波材料
• 了解最终元件或产品的生产量
• 使用PCM的方法来制作屏蔽腔体

印刷电路板设计是影响许多电子产品功效的重要因素。生产出可靠的产品并成功占领市场，是对仔细考虑所有设计问题的最大回报。选择适当的板级屏蔽腔只是成功设计的一个方面，同时还应仔细考虑如工作环境，待生产产品的总量，使用的安装方法，计划采用的测试和检验方法，以及印刷电路板和元件的布局这些关键问题。《电磁干扰与兼容》杂志就这个问题请教美国最知名专家ALANWARNER先生做了解释。

就像电源选择一样，经常在设计过程的最后才决定是否选用射频干扰屏蔽腔，这往往使得没有足够空间加入屏蔽腔，从而造成腔体在物理结构上影响到设计的其他区域。

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焊锡圆角厚度考虑在内。

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板上的焊料量，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）。


                                           

                                                                      冲压形式的围栏结构

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四面的PCB腔体还可采用平面折叠盖子，如图2所示。这种类型的盖子生产成本更低，特别是在开发阶段。这种设计的唯一缺点是不能保证盖子和围栏的有效连接，除了采用盖子固定贴条的地方。任何连接的缺口都会影响到腔体的电磁兼容性能。这种盖子固定贴条可以是折叠型的也可以是缠绕型的，如图2和图3所示。这两种类型的贴条都能用于盖子5次以上的移动和更换。

                                                 

当实际应用需要围栏和盖子具有低剖面时，可以采用点扣盖子。盖子边壁上的小块插入了围栏边壁上的小缝。这种设计选择能将围栏高度降低到1.5mm。与选用贴条和缝隙盖子一样，这种设计也不能保证围栏和盖子的有效连接，除非用小块扣牢位置。而且，壁上小块越多，安装盖子后进行必要修复或调整时拆卸盖子就越困难。

有的设计者更喜欢用表面安装生产线的贴装设备将盖子和围栏合为整体。只有在重新加工腔体内元件时才打开盖子。选择这种设计意味着盖子上必须留有阵列小孔，以便热量能进入腔体将内部的电子元件焊接在PCB上，如图4所示。不幸的是，这些小孔会将腔体的屏蔽性能降低20dB左右。

                                                    

当测试后才进行腔体安装，或PCB板的产量很大时，选择五面腔体更节省成本。这种选择能通过焊接管脚，点焊角或对焊角实现，也可通过热回流孔完成加工安装。迄今为止开发五面腔体和进行少量生产最省钱的方法是选用曲线加工五面腔体。如图5所示，它是通过在平板上加标识完成。当将它们安装在PCB板上时，用户只需将其折叠成想要的形状即可。

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Mu金属等特殊材料或射频材料制作屏蔽腔。

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用金属薄膜制做屏蔽腔的频率限制一般是3～5GHz，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3～5GHz，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。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线路板的光化法同样的流程，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，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。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。

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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。

                                                            
                                                                             PCB板级屏蔽腔

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。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，这种线穿越了PCB表面的腔体分界面。对于多层PCB板，常用的设计是将PCB射频地放在外层，将信号走线限制在内层。

组装

今天，将射频干扰屏蔽腔安装到PCB板上已成为成品组装质量的一个越来越重要的因素。压制腔体通常不能紧接PCB板表面。现在已采用多种方法克服这个问题。方法之一是采用预热，并在回流时在腔体上放置重物，但这种技术也存在问题。加重的腔体会影响到组装的回流特性，并容易导致冷却和使用时的焊接完整性问题。用PCM生产的屏蔽腔不会产生这些严重的共面性问题，因为PCM没有对材料施加压力。一旦电镀和组装完，用PCM技术生产的腔体四边的安装面都能够达到要求的平坦度。

克服任何共面问题的另一手段是采用厚度经过选择的印刷焊膏。在一个印刷通带，为屏蔽腔选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关问题。这种技术提供了更结实的焊带，增加了机械强度，有助于防止填料浮空的相关问题。
焊膏经常印在独立的区域，但是焊料回流不充分就会产生造成焊料的悬空和气孔，这就需要进行返工。一个明显的解决方案是从一开始就确保焊膏不会有这些麻烦的大缺口。

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。