Benutzung von Blechen für die EMI-Abschirmung und PCB-Sicherung

Stellen Sie sicher, dass Ihr Abschirmblech genug Abstand zu den Bauteilen hat, die es abschirmen soll.

Haben Sie schon mal das Spiel „Operation“ gespielt? Das Spiel, bei dem Sie kleine Teile aus einem seltsam aussehenden Körper fischen mussten, ohne den Kontakt am Rand zu berühren. Wenn dies geschah, wurde Ihr Fehler jedem Anwesenden über ein schreckliches Buzzer-Geräusch mitgeteilt. Es zählte natürlich zu meinen Lieblingsspielen. Seit damals war ich bei jedem Entwicklungs- und IT-Job, den ich hatte, der designierte „Chirurg“ für „PCB-Operationen“ (Erwachsenen-Operation für Elektronikentwickler). In diesem Spiel gibt es allerdings keinen Buzzer, sondern nur tote Bauteile, wenn diese falsch aus einem Modul, einer Leiterplatte oder engem Gehäuse entfernt wurden. Dies scheint eine der Nebenwirkungen zu sein, wenn man zarte (manche würden auch sagen elfenartige) Finger in einer Domäne hat, in der überwiegend erfahrenere Kerle tätig sind.

Leiterplattensicherung aus einem seltsamen Gehäuse herauszufischen ist wie Operation zu spielen, mit dem Unterschied, dass Ihre Bauteile wirklich hinüber sind, wenn ihnen ein Stromschlag versetzt wird. Redaktionelle Rechte: digitalreflections / Shutterstock.com  

Die Möglichkeit, unsere ausgefallenen Bauteile herauszufischen, erwies sich im Falle eines Prototypen-Produkts als besonders hilfreich. Wir verloren etwa ein Drittel unserer in Feldinstallationen eingesetzten Leiterplatten, als aus Versehen ein für elektrostatische Entladungen (ESD) besonders anfälliges Bauteil berührt worden war. Mit kleinen Fingern war es möglich, die Platine durch bloßes Halten an den Randstellen in das Gehäuse zu schieben. Mit normalgroßen Händen wäre dies allerdings nicht möglich gewesen, da diese stets an die Bauteile angestoßen hätten. Wir arbeiteten daran, die EMI (elektromagnetischen Störungen) in der nächsten Version zu reduzieren und über diesen Bauteilen ein Abschirmblech zu anzubringen. Dies sollte die Leiterplatten und PCB-Sicherung zudem vor ungeschickten Fingern schützen.

ESD-Abschirmungen sind nicht das gleiche wie EMI-Abschirmungen, sodass wir froh waren, durch das Hinzufügen einer schützenden Abschirmung im Bereich unserer PCB-Sicherung, zwei Fliegen mit einer Klatsche schlagen zu können. Für die PCB-Sicherung ist es wichtig, hinsichtlich geplanter Abschirmungen auf Leiterplattenebene und Zertifizierungsprüfungen die Funktionsweise der Abschirmung zu verstehen.

Was ist ein Abschirmblech?

EMI-Abschirmbleche werden unter anderem auch, je nachdem, wo Sie Bauteile suchen, als Abschirmbleche, Abschirmkäfige, Abdeckungen oder Deckel bezeichnet. Es handelt sich im Wesentlichen um Metallboxen, die an Ihrer zur Sicherung Ihres PCB angebracht werden, um Bestandteile von Schaltungen an der Oberfläche zu umschließen.

RF-Abschirmbleche sind Metallgehäuse, die im Anschluss an die ersten Design-Verfahrensschritte dazu beitragen, für die PCB-Sciherung, um elektromagnetische Störungen und Emissionen optimal einzudämmen. 

Das verwendete Metall hängt von der Anwendung und dem Preis ab, den Sie zu zahlen bereit sind. Ich empfehle das direkte Gespräch mit einem Hersteller, um sicher zu gehen, dass Sie das richtige Material für Ihr Produkt erhalten. Die üblichen Optionen sind:

●      Stahl: Zinn oder verzinkter Stahl , Edelstahl

●      Aluminium: Üblicherweise verzinntes Aluminium

●      Messing

●      Kupferlegierungen: Vor allem Kupferberyllium ist ein gängiges Material

●      Nickel

●      Silber

●      Verzinnter Kunststoff

Das Metallgehäuse des Abschirmblechs verhindert, dass elektromagnetische Störungen in die umhüllte Region eindringen oder von dort nach außen dringen. Bei vielen Abschirmblechen befindet sich am Metall ein Gitter mit Löchern, die das Wärme-Management unterstützen, während nach wie vor die abschirmende Wirkung einer leitfähigen Abdeckung über Ihren Bauteilen gegeben ist.

Eine Abschirmung umgibt im Idealfall alle Ihre Bauteile. In diesem Fall bleiben allerdings keine Optionen für Ein- oder Ausgänge oder für Stromanschlüsse und Erdung, sodass bei Abschirmblechen dennoch zu einem gewissen Grad Undichtigkeiten bestehen. Falls notwendig, können Sie das Abschirmblech durch eine zusätzliche Abschirmung in Form einer Dichtung, eines Gitters und einer Folie ergänzen.

 Wann sollte ich ein Abschirmblech als PCB-Sicherung benutzen?

Im Hinblick auf das Design und die PCB-Sicherung sollten Sie Ihre Leiterplatte entsprechend bewährter Verfahrensweisen in Bezug auf kurze Leiterbahnen, eine angemessene Erdung und die Bauteilpositionierung so gestalten, dass Emissionen minimiert werden. Die Verwendung von EMI-Abschirmungen darf niemals Vorrang vor einem guten Leiterplatten-Design bezüglich des EMI-Managements haben, sie sind jedoch ein ausgezeichneter nächster Schritt.

Abschirmungen sind besonders geeignet, wenn Bauteile vor elektromagnetischen Störungen isoliert werden müssen, die an anderer Stelle der Leiterplatte auftreten können. Diese werden meistens über dem RF-Ausgang oder den Eingängen und den Verstärkerstufen verwendet, da diese Abschnitte eines Schaltkreises am wahrscheinlichsten von elektromagnetischen Störungen betroffen sind bzw. der Ursprung solcher Störungen sind. Gemäß unserem Design umgibt die Abschirmung sowohl RF-Modul als auch Verstärker, um diese vor sonstigem Störungen im Schaltkreis zu isolieren. 

EMV-empfindliche Bauteile können ebenfalls abgeschirmt werden, um Störungen zu vermeiden. Abschließend möchten Sie vielleicht noch High-Speed-Bauteile wie Oszillatoren abschirmen, um zu verhindern, dass diese auf der ganzen Leiterplatte Störungen hervorrufen.

Wie kann ich die Abschirmung in mein Design integrieren?

Wenn Sie die Bauteile oder Unterbaugruppen identifiziert haben, die am meisten von einer Abschirmung profitieren würden, können Sie die erforderliche Dimension der Abschirmung berechnen. Dies kann sich als schwierig erweisen, da die meisten Hersteller die äußeren Dimensionen angeben, obwohl Sie die inneren Abstände kennen müssen, damit die Abschirmungen Ihre Bauteile umschließen. Ich spreche aus Erfahrung, wenn ich sage, dass die Höhe besonders kritisch ist und leicht übersehen wird.

Um das Abschirmblech an der Leiterplatte zu befestigen, werden die Lötpads im erforderlichen Umkreis der Bauteile auf Ihrer PCB angebracht und ordnungsgemäß geerdet. Es stehen ebenfalls Clips oder Rahmen zur Verfügung, welche das Abschirmblech an der PCB halten. Wenn Sie sich in der frühen Design-Phase befinden, empfehle ich eine entfernbare Version. Hierdurch gestalten sich Überarbeitungen weitaus einfacher. Abschirmungen oder Clips können im Zuge automatisierter Herstellungsverfahren durch Anlöten der Abschirmung auf SMT-Pads befestigt werden.

Es kann unter Umständen erforderlich sein, Abschirmungen individuell anzupassen. Dies ist zwar kostspieliger, jedoch lohnenswert, wenn eine unübliche Region abgeschirmt werden soll und Sie verhindern möchten, dass Platz auf der Leiterplatte verschwendet wird. Achten Sie auch darauf, ob sich Leiterbahnen auf der Leiterplattenoberfläche befinden, mit der das Abschirmblech Kontakt haben könnte. Sie sollten Aussparungen am Rand des Abschirmblechs ausschneiden, um Kurzschlüsse auf der Platine zu verhindern. Ich kenne jemanden, der diesen Schritt stets durch die Verwendung von Clips umging. ich machte mir jedoch dennoch Sorgen, dass der Rand des Abschirmblechs aufgrund von Wurstfingern in Kontakt mit der Leiterbahn geraten könnte. 

Auch wenn es nicht möglich ist, Ihre PCBs vor jedem eventuell eintretenden Unfall zu schützen, können Sie mit Sicherheit Ihre Leiterplatten vor sich selbst (und hoffentlich einiger Wurstfinger) schützen. Mir gefallen modulare RF-Designs, da diese bei zukünftigen Produkten wiederverwendet werden können. Altium Designer ist ein Werkzeug, das diesen Vorgang weitaus einfacher gestaltet. Mithilfe der integrierten 3D-Abstandsprüfung kann das Werkzeug Sie ebenfalls davor bewahren, Fehler bei der Dimensionierung zu machen. So stellen Sie sicher, dass die Abschirmbleche die richtige Höhe für Ihre Bauteile aufweisen. Wenden Sie sich noch heute an einen Altium-Experten, um Ihre PCB-Sicherung zu gewährleisten!