Verwendung der richtigen handelsüblichen Metalldosen und Clips zur Abschirmung gegen EMI/RFI

Die heutigen Schaltkreise schwimmen in einem Meer elektromagnetischer (EM) Energie unterschiedlichster Intensität und Frequenz. Infolgedessen sind EM-Interferenz (EMI) und Radiofrequenz-Interferenz (RFI) - oft als Themen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) zusammengefasst - allgegenwärtige, verwandte Phänomene, die die Leistung von Schaltungen und die formale Produktzulassung beeinflussen. Obwohl diese Faktoren schon seit den Anfängen der Elektronik problematisch sind, stellen sie heute aufgrund der weit verbreiteten Verfügbarkeit drahtloser Verbindungen, der Verwendung höherer Frequenzen, empfindlicherer Schaltkreise und Niederspannungsschienen immer schwierigere Herausforderungen dar.

Interferenzen, die einen Stromkreis beeinflussen, können sowohl durch absichtliche als auch unbeabsichtigte Emitter elektromagnetischer Energie in der Nähe verursacht werden und können durch natürliche oder künstliche Quellen verursacht werden. Der Schaltkreis selbst kann auch unerwünschte oder inakzeptable EM-Energie aussenden, die die Elektronik in der Nähe beeinträchtigt. Zu den gängigsten Lösungen zur Minderung von EMI/RFI-Energieproblemen gehört die zusätzliche Abschirmung der kritischen Teile der Leiterplatte oder sogar eines ganzen Moduls. Während der Steckplatinen- und Prototyp-Phase kann diese Abschirmung improvisiert werden, um das Problem zu verstehen, abzuschwächen und zu lösen. Solche improvisierten Lösungen sind jedoch weder mit einer Fertigungsumgebung noch mit Test-, Fehlersuch- und Reparaturstationen kompatibel.

Dieser Artikel identifiziert die grundlegenden Herausforderungen der EMV auf Leiterplatten, Baugruppen und Produkten. Anschließend werden handelsübliche Abschirmlösungen von Harwin und deren Einsatz im Hinblick auf technische Wirksamkeit und Produktionskompatibilität betrachtet.

EMV-Probleme über zwei Wege

Elektrische Interferenzenergie kann über Leitung oder Strahlung von einer Quelle zu einem „Opfer“-Schaltkreis gelangen (Abbildung 1). Im Leitungsfall wird die Energie durch Leiter wie Drähte oder Kabel geleitet. Entwickler dämpfen diese Energie normalerweise mit Ferritperlen, Filtern, Drosseln und anderen passiven Komponenten. Im Strahlungsfall verläuft der Energiepfad durch Luft oder Vakuum von der Quelle zum Opfer, ohne metallische Leiter.

Abbildung 1: Unerwünschte EM-Energie kann durch Leitung über Kabel oder Strahlung durch Luft oder Vakuum in ein System ein- oder aus einem System austreten. (Bildquelle: Slideshare.net, „Overview of EMI/EMC“)

Diese unerwünschten Auswirkungen können manchmal durch eine Neupositionierung der Komponenten an der Quelle oder am „Opferkreis“ verringert werden, aber dies ist ein zeitaufwändiger Prozess, der in der Regel unpraktisch, unmöglich oder ineffektiv ist. Ebenso ist eine Filterung keine praktikable Option, da ein Großteil der störenden EMI/RFI-Energie innerhalb des interessierenden Betriebsfunkfrequenzbandes liegt und eine solche Filterung auch die Stärke des gewünschten Signals reduzieren würde, was die Systemleistung beeinträchtigen würde.

Für einige Fälle von gestrahlter EMI wird manchmal eine Technik namens „Spreizspektrum“ verwendet, um die Spitzen-EMI-Emission bei der Betriebsfrequenz zu reduzieren. Bei diesem Ansatz wird der Takt der Schaltung zufällig um ihre Nennfrequenz „gedithert“, als eine Form des Frequenzsprungs. Dadurch wird die HF-Energie über das Spektrum verteilt, aber die insgesamt abgestrahlte Energie wird nicht reduziert (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Modulation eines Taktsignals spreizt das HF-Spektrum und reduziert so die Spitzenenergie, verringert aber nicht die Gesamtmenge an unerwünschter EM-Energie; die Dämpfung der Spitzen kann für einige Anwendungen eine ausreichende Verbesserung darstellen. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Der Spreizspektrum-Ansatz wird von einigen Entwicklern als „Betrug“ betrachtet, da er in erster Linie zur Einhaltung der Emissionsgrenzwerte dient, während andere ihn als einfache und elegante Lösung betrachten. Er ist in erster Linie für DC/DC-Schaltregler anwendbar, bei denen eine feste Betriebsfrequenz nicht kritisch ist. Spreizspektrum-Frequenzspringen ist jedoch nicht geeignet für die vielen Situationen, in denen die Stabilität der Träger- und Betriebsfrequenz kritisch ist.

Passive Abschirmung ist oft die Antwort

In den meisten EMV-Fällen liegt der beanstandete Energiekreislauf außerhalb der Kontrolle des Entwicklers, dennoch muss er an der Quelle oder beim Opferkreis reduziert werden. Eine wirksame und weit verbreitete Lösung für den Umgang mit gestrahlter EMI/RFI ist je nach den Umständen eine geerdete Metallabschirmung um die angreifende Energiequelle oder den Opferkreis. Dies wirft zwei technische Probleme auf:

• Welche Bereiche der Leiterplatte müssen abgeschirmt werden?
• Wie sollte diese Abschirmung für eine Produktionsumgebung implementiert werden, um die Markteinführungszeit, die Kosten und die Auswirkungen auf die Produktion zu minimieren?

In vielen Fällen sind die abzuschirmenden Bereiche offensichtlich, wie z.B. bei einem HF-Transceiverbereich. In anderen Fällen bedarf es mehrerer Versuche, den Teil des Schaltkreises zu lokalisieren, der entweder zu viel EMI/RFI emittiert oder dafür anfällig ist. Um diese Bereiche ausfindig zu machen, konstruieren Entwickler oft eine kleine, EMV-dichte leitende Dose, die den zu untersuchenden Bereich umschließt und abschirmt. Je nach Produkt und Design muss diese Dose so klein wie ein Fingernagel oder groß genug sein, um eine ganze Leiterplatte zu umschließen.

Für kleinere HF-Gehäuse kann dünnes Kupferblech verwendet werden, das zu einer Dose gefaltet wird, wobei die Nähte entweder verlötet oder mit Kupferband mit leitfähigem Klebstoff abgedeckt werden. Bei mittelgroßen und größeren Gehäusen können Platinenreste auf die zum Bau des Gehäuses erforderliche Größe zugeschnitten werden, wobei alle Nähte verklebt oder gelötet werden (Abbildung 3). In einigen Fällen werden die Nähte zur Grundstabilität zunächst an einigen wenigen Stellen „angeheftet“ und dann mit dem leitfähigen Band abgedeckt.

Abbildung 3: Diese Abschirmung (mit entferntem Deckel) um eine kleine Leiterplatte besteht aus kleinen Stücken ungeätzter Platine mit Lötnähten. (Bildquelle: QRP HomeBuilder)

Die Dose wird dann über den zu untersuchenden Bereich der Leiterplatte platziert und die Nahtlinie zwischen dem offenen Boden und der Leiterplatte wird mit einer niederohmigen HF-Masse verlötet. In der Praxis kann dies in der Tat schwieriger sein, als es den Anschein hat, da die Leiterplatte oft noch keine Erdungsleitungen aufweist, die dem Umfang der gebauten Dose entspricht. Wenngleich einige wenige Verbindungspunkte ausreichen können, bedeutet eine durchgängigere geerdete Naht, dass es weniger Wege für HF-Leckagen in oder aus der Dosenbaugruppe gibt.

Es gibt noch eine weitere Sorge bei diesem aufgelöteten Ansatz. Aufgrund der dünnen Leiterbahnen vieler Leiterplatten wird das Ein- oder Auslöten der Testdose von den Leiterplatten wahrscheinlich die empfindlichen Leiterbahnen beschädigen und die Leiterplatte ruinieren. Daher ist es eine gute Idee, einige Messungen der Situation mit HF-Sonden und Sniffern durchzuführen, bevor diese Abschirmdosen gebaut und angebracht werden.

Ein besserer Prototyp einer Abschirmung

Die Herstellung einer Abschirmdose mit Kupferfolie oder kupferkaschierten Leiterplatten funktioniert zwar, ist aber ein zeitaufwändiger Prozess. Außerdem muss mit dem FR-4-Substrat (bei Verwendung von Leiterplatten) umgegangen werden, das ohne die richtigen Mittel schwierig zu schneiden ist und ohne Handschuhe böse Glasfaser-„Splitter“ in den Fingern des Benutzers hinterlässt. Selbst die Verwendung eines blanken Kupferblechs ist problematisch, da es bei unvorsichtiger Handhabung in die Finger schneiden kann und möglicherweise Zugang zu einer kleinen Biegevorrichtung benötigt, um die richtigen 90°-Faltungen der Kanten und Ecken zu erreichen. Was auf den ersten Blick wie ein einfacher Heimwerker-Ansatz zum Bau einer Abschirm-Testdose erscheinen mag, ist nicht so schnell und einfach, wie es scheint, obwohl es durchaus machbar ist.

Glücklicherweise gibt es eine bessere Lösung mit dem RFI-Abschirmdosenkit S01-806005 von Harwin. Dieses Kit wird mit zwei Abschirmdosenblechen, die mit einem 5 Millimeter (mm) großen quadratischen Raster geätzt sind, 24 RFI-Abschirmungsclips und leicht verständlichen Anweisungen geliefert. Um eine einfache Faltdose herzustellen, zeichnen Sie einfach eine einfache Skizze der erforderlichen Dosenabmessungen, schneiden das nicht benötigte Material ab und falten das restliche Material an den geätzten Linien, wobei Sie ein Metalllineal als Führung und informelle Biegevorrichtung verwenden (Abbildung 4).

Abbildung 4: Mit dem RFI-Abschirmungskit S01-806005 von Harwin können Anwender mit Hilfe der mitgelieferten Bleche mit einem geätzten 5mm-Raster einfach Abschirmdosen in kundenspezifischer Größe herstellen. (Bildquelle: Harwin)

Die Dose ist jetzt bereit zur Befestigung auf der Leiterplatte, indem sie einfach in die mitgelieferten RFI-Abschirmungsclips S1711-46R eingerastet wird, die im Reflow-Verfahren oder sogar von Hand auf die Leiterplatte gelötet werden können (Abbildung 5). Dies ist ein viel besserer Ansatz als der Versuch, die Dose direkt auf die Platine zu löten, und es ermöglicht auch eine einfache Entnahme der Dose, wie sie für Test, Messung, Auswertung und Debugging der „Dosen“-Schaltung benötigt wird.

Abbildung 5: Die mitgelieferten RFI-Abschirmungsclips S1711-46R werden auf die Leiterplatte gelötet, und dann kann jede Dose, die mit dem RFI-Abschirmungskit S01-806005 konstruiert wurde, einfach befestigt werden. (Bildquelle: Harwin)

Prototyp ist keine Produktion

Selbst hergestellte Dosen oder das Abschirmungskit von Harwin können zwar auf eine EMV-Lösung hinweisen, sind aber nicht mit der Klein- oder Großserienproduktion kompatibel. Es liegt auf der Hand, dass die Herstellung vieler Dosen aus Leiterplatten-„Schrott“ oder gefalteten Kupferblechen zusätzliche Produktionsschritte und Zeit erfordert und ein Nicht-Standardartikel ist, der in die Stückliste (BOM) aufgenommen werden muss. Selbst wenn das akzeptabel wäre, ist das Anbringen dieser Komponenten auf der Leiterplatte durch Löten entlang der Verbindungsstelle zwischen Dose und Leiterplatte im Gegensatz zum Standard-Reflow-Löten der anderen Komponenten ein manueller Vorgang; es besteht auch eine gute Chance, dass die Leiterplatte beschädigt wird, und ein Ausbau zu Test- oder Reparaturzwecken ist unpraktisch.

Auch hier gibt es einen besseren Ansatz zur Lösung des Problems durch die Verwendung vorgefertigter HF-Abschirmdosen und passender Montageclips von Harwin. Diese hochgradig HF-leitfähigen, unbeschichteten rechteckigen Nickel-Silber-Dosen sind in einer Vielzahl von Footprints und Höhen erhältlich, von einer winzigen Größe von 10 mm x 10 mm x 3 mm Höhe (0,394 x 0,394 x 0,12 Zoll) bei einer Materialstärke von 0,15 mm für den S03-10100300R (Abbildung 6) bis hin zu größeren Dosen wie dem S01-50250500, mit den Abmessungen 25 mm x 50 mm x 5 mm Höhe (ca. 1 x 2 x 0,25 Zoll) bei einer Materialdicke von 0,3 mm.

Abbildung 6: Die Abschirmung S03-10100300R von Harwin mit den Abmessungen 10 mm x 10 mm x 3 mm Höhe (0,394 x 0,394 x 0,12 Zoll) passt gut zu den heutigen winzigen HF-Schaltkreisen. (Bildquelle: Harwin)

Diese Dosen allein lösen nur einen Teil der Anforderung für Produktionsfreundlichkeit. Aus diesem Grund bietet Harwin eine Vielzahl von Clips an, die durch Reflow-Löten auf die Leiterplatte gelötet werden können (Abbildung 7) und in die die Dosen einrasten. Die verschiedenen Clips passen sich an unterschiedliche Leiterplattensituationen in Bezug auf Layout, Ausrichtung, Zugang und Interferenzen mit angrenzenden Leiterplattenbahnen und -flächen sowie der Materialstärke der Dosen an.

Abbildung 7: Komplementäre Dosenmontageclips, die die Abschirmung und Montagelösung vervollständigen, sind in verschiedenen Ausführungen und Größen entsprechend der Dosenstärke und in verschiedenen Konfigurationen erhältlich, um verschiedenen Leiterplattenanforderungen gerecht zu werden. (Bildquelle: Harwin)

Bestimmte Clip-Typen sind für mobile Geräteanwendungen mit Antennenspeisung konzipiert, und es sind Konfigurationen erhältlich, die vor Überdruck schützen, unerwartetes Einklemmen verhindern und vertikal oder horizontal verwendet werden können. Es sind Mikroclips mit einem Profil von nur 1,1 mm sowie 90⁰ Eckclips erhältlich, die zur Behandlung lokaler Wirbelinterferenzen entwickelt wurden.

Berücksichtigung von HF-Dämpfung, Kühlung

Es gibt eine grundsätzliche Tatsache über Metalldosen mit fester Oberfläche, die Schaltungskomponenten umgeben: Sie können den kühlenden Konvektionsluftstrom von den Oberflächen der Komponenten, die sie umschließen, behindern. Dies scheint Abschirmdosen in vielen Anwendungen auszuschließen, aber das ist nicht wirklich der Fall. Der Grund dafür ist, dass das Metall der Dose ziemlich dünn ist, von 0,15 bis 0,3 Millimeter, je nach spezifischem Dosenmodell und Größe. Diese Dünnheit stellt nur ein kleines Hindernis für den Wärmefluss durch Wärmeleitung vom Inneren der Dose nach außen dar. Sobald die Wärme nach außen geleitet worden ist, kann sie durch freie oder erzwungene Luftkonvektion oder auf andere Weise abgeführt werden.

In dieser Hinsicht ist eine dünne Metalldose thermisch weitaus besser als ein abgeschirmtes Gehäuse aus gewöhnlichem FR-4-Leiterplattenmaterial, das mit einer Leitfähigkeit zwischen 1 und 3 W/(m·K) und einer Standarddicke von 1,6 Millimetern eine wesentlich höhere thermische Impedanzbarriere aufweist. Vergleichen Sie diese Zahl mit der Leitfähigkeit von Neusilber, die etwa 1000 Mal höher ist. Zudem ist auch das Material viel dünner (wiederum nur 0,15 bis 0,3 Millimeter). Mit der grundlegenden thermischen Modellierung kann der Einfluss der dünnen Metalldose auf die Kühlung quantifiziert werden. Außerdem ist es in fast allen Fällen eine gute Praxis, die Standardtechnik zu befolgen, bei der das zugrundeliegende Leiterplattenkupfer mit seiner hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet wird, um eine beträchtliche Wärmemenge von den montierten Komponenten abzuführen.

Eine scheinbare Lösung zur Verbesserung der thermischen Konvektion mit Abschirmdosen besteht darin, Löcher in die Dosenoberfläche zu bohren. Dadurch wird jedoch ein neuer Themenkomplex hinzugefügt. Die Löcher müssen klein genug und so weit voneinander entfernt sein, dass sie keine HF-Ableitung zulassen. Da der maximal zulässige Durchmesser und Abstand eine Funktion der Wellenlänge ist, lautet eine typische Richtlinie erster Ordnung, dass alle Öffnungen nicht mehr als ein Zehntel der kürzesten abzuschirmenden Wellenlänge betragen sollten.

Die Entscheidung über die kritische Wellenlänge und damit die Lochgröße ist jedoch nicht immer einfach oder offensichtlich, da die beanstandete HF-Energie bei Frequenzen liegen kann, die höher (und damit kurzwelliger) sind als die scheinbare Betriebs- oder Trägerfrequenz des Produkts. Bedenken Sie, dass ein problematisches Gigahertz-Frequenzsignal einen in der Nähe befindlichen Frontend-Verstärker für Megahertz-Frequenzen überlasten und sättigen kann. Daher müsste die maximal zulässige Lochgröße viel kleiner sein als durch eine einfache First-Pass-Analyse der Betriebsfrequenz des Produkts vorgegeben.

Denken Sie daran, dass neben der Gewährleistung der Schaltungsleistung ein weiteres Ziel der Abschirmdose und -klammern darin bestehen kann, eine HF-Dämpfung über einen breiten Frequenzbereich zu erreichen, um die gesetzlichen Anforderungen an das Produkt zu erfüllen. Diese EMV-bezogenen regulatorischen Normen definieren die maximale RFI/EMI, die ein Produkt innerhalb der verschiedenen Zonen des RF-Spektrums erzeugen kann, sowie die zulässige Anfälligkeit des Produkts als EMI/RFI-Opferkreis, unabhängig von der nominellen Betriebsfrequenz.

Daher muss die Abschirmung oft mehr tun, als nur die Leistung bei der offensichtlichen Betriebsfrequenz zu gewährleisten, sie muss stattdessen möglicherweise auch eine Dämpfung über das breitere EM-Spektrum bieten. Die Verwendung von Kühlbohrungen, die nur für die Nennbetriebsfrequenz dimensioniert sind, kann die bei diesen kürzeren Wellenlängen erzielte Dämpfung verringern und die behördliche Zulassung beeinträchtigen.

Fazit

Elektromagnetische Verträglichkeit und Fragen der RFI/EMI betreffen fast alle elektronischen Produkte und Anwendungen, und die zunehmende Nutzung drahtloser Verbindungen zusammen mit höheren Frequenzen macht die Designsituation schwieriger. Die Lösung vieler Probleme, die durch gestrahlte EMI/RFI hervorgerufen werden, besteht oft in einer einfachen HF-Abschirmung unter Verwendung einer Metalldose, die die betroffene Schaltung vollständig umschließt.

Diese Dosen sind als Standardartikel in einer Vielzahl von Größen zusammen mit einer Auswahl an Leiterplatten-Clips in verschiedenen Konfigurationen erhältlich, so dass die Dosen leicht an der Leiterplatte befestigt oder von dieser entfernt werden können. Diese Clips sind auch voll kompatibel mit Anlagen, die für das Einsetzen und Löten von Komponenten in SMT-Gehäusen in einer Massenproduktionsumgebung verwendet werden.