中心議題：

• PCB板級屏蔽設(shè)計(jì)
• 板級設(shè)計(jì)的靈活性

解決方案：

• 采用熱成型屏蔽體
• 采用框蓋技術(shù)

電子設(shè)備越來越小,用戶的需求也各具特點(diǎn),這使得印刷電路板的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜-更不用說完成的設(shè)計(jì)不僅要滿足功能性測試,還要滿足美國聯(lián)邦通信委員會和其他法規(guī)規(guī)定的兼容性測試。一個(gè)新的電子設(shè)備典型設(shè)計(jì)流程如下:首先由市場組根據(jù)市場需求確定所需特征,然后由產(chǎn)業(yè)工程師設(shè)計(jì)產(chǎn)品的主要特征,如用戶界面,平臺規(guī)模,腔體設(shè)計(jì)以及機(jī)械元件。最后由元件和PCB板工程師根據(jù)這些規(guī)范進(jìn)行回路和元件的布局。

許多設(shè)計(jì)工程師首先考慮的是屏蔽要求,即通過將噪聲元件放在離敏感元件盡可能遠(yuǎn)的地方以減小潛在的干擾;然而,他們也意識到如果產(chǎn)品未能通過檢測實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)證測試,他們不得不通過在PCB板上加屏蔽腔以提供屏蔽。為了給屏蔽腔留出足夠的空間,他們只好把最大的元件放在一起以最好地利用這些屏蔽腔。但是這種思路需要根據(jù)屏蔽體形狀和屏蔽要求進(jìn)行PCB板設(shè)計(jì),而無法尋求空間利用的最大化和功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

通過采用熱成型板級屏蔽體(圖1)代替?zhèn)鹘y(tǒng)屏蔽技術(shù),設(shè)計(jì)工程師能夠根據(jù)功能要求將元件和電路置于PCB板上,而不必根據(jù)已有屏蔽腔的固定形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)。工程師利用這些熱成型屏蔽體,就能夠基于電路和元件功能進(jìn)行板級設(shè)計(jì),而不再受限于傳統(tǒng)屏蔽腔的形狀。選用單個(gè)熱成型屏蔽腔具有很多特別的好處,能為板級設(shè)計(jì),一體化和性能增加很大的靈活性。

板級設(shè)計(jì)的靈活性

當(dāng)今的客戶希望有各種形狀和尺寸的電子設(shè)備,這種需求就需要特定的腔體設(shè)計(jì)和PCB板形狀。現(xiàn)成的元件和腔體一般是方形或矩形的,而在非規(guī)則的PCB板上放置方形屏蔽腔會對工程師在PCB板上放置元件的能力造成影響。不論P(yáng)CB板尺寸如何,熱成型屏蔽體都能夠按照任意的PCB板成形,而不會增加制造屏蔽體的復(fù)雜性。選擇熱成型屏蔽體的設(shè)計(jì)者在項(xiàng)目開始階段可以更多的關(guān)注于有效板級設(shè)計(jì),而不會受限于電磁干擾屏蔽體的外形和構(gòu)造。例如,圖2為一個(gè)圓形的PCB板及用于滿足法規(guī)和功能要求相應(yīng)的熱成型,多腔體屏蔽體。如果采用傳統(tǒng)的屏蔽技術(shù),這種類型的PCB板就需要7個(gè)獨(dú)立的屏蔽腔,因此會占用更多的空間。


圖1.具有球形焊料走線的熱成型屏蔽體可以保證產(chǎn)品具有可靠的性能

而且,熱成型屏蔽體將所需的空間最小化到單個(gè)屏蔽體大小。當(dāng)PCB板上有多個(gè)屏蔽腔時(shí),每個(gè)腔體都需要獨(dú)立的走線接地,與此不同,如果PCB板采用熱成型的多腔體屏蔽腔,該腔體就能夠通過一排球形焊料連接到接地平面。通過對比發(fā)現(xiàn),如果工程師準(zhǔn)備使用兩個(gè)單獨(dú)的屏蔽腔,那么每個(gè)腔體都需要自己的接地線,并且腔體之間要留有間隔。但如果采用熱成型、多腔屏蔽體,則只需要在腔體之間設(shè)置一根獨(dú)立的接地線即可(圖3)。



圖2a.具有7個(gè)腔體的圓形PCB板

圖2b.置于PCB板上的熱成型多腔屏蔽體
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熱成型屏蔽體帶來的設(shè)計(jì)靈活性確保了能夠?qū)ζ渌匾卣鬟M(jìn)行設(shè)計(jì),如設(shè)計(jì)避免耦合的過孔,電纜和連接的接入點(diǎn),以及用于冷卻的氣孔。具有這種靈活性,設(shè)計(jì)時(shí)就能將元件和電路放在最優(yōu)的位置,而不用首先考慮屏蔽的要求。

一體化的靈活性

熱成型板級屏蔽體的設(shè)計(jì)和構(gòu)造以各種方式增加了腔體內(nèi)的可用空間。如果選用現(xiàn)成的元件和屏蔽腔,則需要留出足夠的空間以避免PCB板上最高的元件與腔體內(nèi)表面發(fā)生短路。但如果采用熱成型屏蔽體則不需要這個(gè)附加的空間,因?yàn)闊岢尚推帘误w是由輕的金屬化塑料制成,因此腔體內(nèi)表面不導(dǎo)電。


圖3.傳統(tǒng)的屏蔽腔需要為每個(gè)腔體提供單獨(dú)的接地線,并且腔體之間要留有空間以避免可能的短路,然而熱成型多腔屏蔽體只需要一根獨(dú)立的焊線就可以保證最大的屏蔽效果

而且,傳統(tǒng)的屏蔽體高度一般是均勻的,因此某區(qū)域屏蔽體的高度由該屏蔽區(qū)域的最高元件決定。然而,熱成型屏蔽體使設(shè)計(jì)工程師能夠靈活的變化腔體內(nèi)屏蔽體的高度,這增加了在z軸方向設(shè)計(jì)的靈活性,周圍也能容納更多的元件和腔體部件。

性能

如果PCB板上有多個(gè)區(qū)域需要屏蔽,有的工程師會采用框蓋技術(shù)。雖然這種技術(shù)能將每個(gè)腔體與外界干擾屏蔽開來,但外框與蓋子的內(nèi)部開孔對于干擾非常敏感。熱成型多腔屏蔽體能讓各個(gè)腔體對外界干擾的屏蔽效果保持一致。實(shí)際上,用于安裝這些屏蔽體的球形焊料有兩厘米的接觸點(diǎn),這確保了產(chǎn)品的性能能高達(dá)12GHz,并且球形提供了兩層的接觸,有一定的冗余。另一方面,框蓋屏蔽體通過凹陷保證接觸,這一般需要5毫米的空間。而且,蓋子一般是剛性的,移動(dòng)不靈活,而且蓋子的翻轉(zhuǎn)通常會破壞電氣接觸,因此框蓋技術(shù)并不能提供與熱成型屏蔽體相同的可靠性能。


圖4.手持式電腦上的PCB板采用了熱成型多腔屏蔽體

構(gòu)造熱成型屏蔽體的材料一般既牢固又靈活。材料的靈活性避免了屏蔽體在接觸點(diǎn)施力,這使得在跌落測試和震動(dòng)測試中,屏蔽體都能保持與PCB板之間具有良好的接觸。

一個(gè)案例

一個(gè)提供自動(dòng)信息和數(shù)據(jù)采集及移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)的知名電子公司設(shè)計(jì)了一款新型的具有掃描能力的手持抗震電腦。這個(gè)新模型比以前的模型多了電壓計(jì)來集成多達(dá)五個(gè)不同的無線電發(fā)射機(jī),而容納它們的腔體體積卻更小。設(shè)計(jì)過程開始前,這個(gè)公司的設(shè)計(jì)者就決定選用熱成型板級屏蔽體-這個(gè)設(shè)計(jì)選擇使在PCB板上放置多級元件成為可能(圖4)。通過這種方法,設(shè)計(jì)者增加了產(chǎn)品的多功能性,而且還將模型尺寸減小了7%,并且新產(chǎn)品成功通過了新手持式抗震設(shè)備上市所需進(jìn)行的測試。

如果成品需要通過兼容性測試并在最終用戶手里可靠使用,很有必要對PCB板上所有元件進(jìn)行有效的屏蔽。板級設(shè)計(jì)者經(jīng)常使用傳統(tǒng)的金屬屏蔽腔或框蓋技術(shù)對元件進(jìn)行屏蔽。雖然這些選擇可能會提供有效的屏蔽,但它們的金屬構(gòu)造,尺寸和剛性經(jīng)常會給成品的尺寸和功能帶來限制。選擇質(zhì)量輕的金屬化膠膜屏蔽體,易于熱成型成任意形狀,這使設(shè)計(jì)者更多的關(guān)注于對可靠的產(chǎn)品進(jìn)行最優(yōu)化的設(shè)計(jì),并很好滿足最終用戶的期望。