Phalanx statt Misserfolg: Leiterplatten abschirmen

Im Jahr 7 v. Chr. trugen die griechischen Soldaten – die Hopliten – einen großen, konkaven, runden Schild, der Hoplon genannt wurde. Der aus Bronze und Holz gefertigte Hoplon oder argivisches Schild schützte die Hopliten vom Kinn bis zum Knie und bildete überlappt die Grundlage für die griechische Phalanx. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts benutzten die Äthiopier ebenfalls Schilde im Kampf gegen die italienische Invasionsarmee. Das Hämmern der Äthiopier auf ihre Schilde vermischte sich mit dem Kriegsgeschrei als furchterregendes Vorspiel zur Schlacht.

Im Krieg sollten Schilde Angriffe abwehren. Bei der Entwicklung von Leiterplatten kommen ebenfalls verschiedene Arten von Abschirmungen zum Einsatz, um empfindliche Schaltungen vor hochfrequenten Störsignalen zu schützen.

In den Vorposten dieser Schaltkreise tun abtrünnige Drähte und Leiterbahnen alles, um elektromagnetische Interferenzen (EMI) in die Außengrenzen ihrer Domänen entweichen zu lassen. Diese Scharmützel nehmen kein Ende. Abschirmung sollte daher Teil jeder Leiterplatten-Designstrategie sein. Statt Abschirmungen als zusätzliches Gestaltungselement zu betrachten, sollten sie integraler Bestandteil des Konstruktionsprozesses von PCBs werden.

Was bewirken Leiterplattenabschirmungen?

HF-Frontend-, Schalt- und Taktschaltungen strahlen EMI über leitende Pfade oder durch Abstrahlung ab. Eine Kombination aus gutem Leiterplattendesign und guter Abschirmung mindert EMI. Dabei geht es vor allem um das Layout, die Platzierung von Filtern und Masseflächen. Eine gut konzipierte Leiterplatte minimiert parasitäre Kapazitäten und Masseschleifen.

Metall, magnetische Materialien und Dichtungen, die als Abschirmung verwendet werden, verhindern diese Emissionen zusätzlich.

Statt einer physischen Barriere gegen Lanzen und Schwerter imitiert die PCB-Abschirmung einen mit der Erde verbundenen Faradayschen Käfig. Während die Massefläche die Unterseite des Käfigs bildet, können Sie für die anderen fünf Seiten eine Metallabschirmung verwenden.

Eine Abschirmung verursacht Reflexions- und Absorptionsverluste der elektromagnetischen Energie. Der Reflexionsverlust hängt von der Art des Feldes ab und tritt als Air-to-Shield- oder Shield-to-Air-Verlust auf.

Wenn sich das Feld durch die Abschirmung ausbreitet, kommt es zu Absorptionsverlusten. Dieser hängt von der Art des Abschirmmaterials ab. Die Wirksamkeit der Abschirmung ist gleich der Summe der Reflexions- und Absorptionsverluste. Die leitende Barriere umhüllt den Schaltungsteil ganz oder teilweise, absorbiert und reflektiert die Strahlung von Schleifenantennen und sorgt für eine elektrische Isolierung.

Das Schildwallkonzept wurde spätestens mit der Testudo-Formation der römischen Legionen bekannt. Sie können diese Taktik genauso gut verwenden, um eine einen empfindlichen Schaltkreis vor schädlichen EMI zu schützen, die von anderen Schaltkreisen ausgeht. Elektromagnetische Felder bestehen aus elektrischen und magnetischen Feldern, die um 90o zueinander ausgerichtet sind.

Wenn das elektrische Feld mit dem magnetischen Feld wechselwirkt, kommt es zur Ausbreitung. Eine Abschirmung trennt Abschnitte der Leiterplatte, indem sie das elektrische Feld (E-Feld) und das magnetische Feld (H-Feld) der abstrahlenden elektromagnetischen Störwelle durch eine Kombination aus metallischer und magnetischer Abschirmung abschwächt.

Rund oder quadratisch: Unterschiedliche Abschirmungen für unterschiedliche PCB-Anforderungen

Im Gegensatz zu den Hoplons schützen die Leiterplattenschilde nicht vom Kinn bis zum Knie. Versteckte Feinde wie Aperturstrahlung und Hohlraumresonanzen können einem das Leben schwer machen. Elektromagnetische Störungen können überall auftreten. Da elektronische Geräte immer kleiner werden, wird beim Design von Abschirmungen auf eine Kombination aus geringem Gewicht, mechanischer Stabilität und elektrischer Effizienz Wert gelegt.

Die Abschirmung, die Sie für Ihr Leiterplattendesign wählen, hängt davon ab, ob die Emissionen als Nah- oder Fernfeldemissionen auftreten, von der Frequenz der Störung und davon, ob die Störung als elektrische Feld- oder Magnetfeldstörung auftritt. Jeder dieser Faktoren beeinflusst die Entscheidung über Art und Dicke der Abschirmung.

Die meisten Emissionen unter einer Abschirmung treten als Nahfeldemissionen auf. Dabei variieren Reflexions- und Absorptionsverluste mit der Frequenz. Eine digitale Schaltung verursacht eine elektrische Feldemission, die bei niedrigen Frequenzen einen höheren Reflexionsverlust und bei höheren Frequenzen einen höheren Absorptionsverlust aufweist. Schaltnetzteile verursachen Magnetfeldemissionen mit geringen Reflexions- und Absorptionsverlusten bei niedrigen Frequenzen.

Nahfeld- und Fernfeldemissionen haben unterschiedliche Quellencharakteristika und unterschiedliche E/H-Verhältnisse. Die EMI-Abschirmung ist eine Fernfeldemission. Fernfeldquellen haben einen größeren Reflexionsverlust bei niedrigeren Frequenzen. Höhere Frequenzen verursachen größere Absorptionsverluste.

Bei der Wahl des Abschirmungsmaterials sollten Sie zwei wichtige Faktoren berücksichtigen. Die Leitfähigkeit misst die Fähigkeit des Abschirmungsmaterials, elektrischen Strom zu leiten. Die Permeabilität misst die Fähigkeit des Materials, die Bildung eines Magnetfeldes innerhalb des Materials zu unterstützen. Eine Abschirmung mit hoher Permeabilität hat eine geringe Reluktanz und kann ein Magnetfeld leiten.

Wie bei Strom und Widerstand schafft die geringste Reluktanz einen Pfad für das Magnetfeld. Die Dicke des Abschirmungsmaterials ist ein wichtiger Faktor für Leiterplatten, die in niederfrequenten Magnetfeldern eingesetzt werden.

Öffnungen steuern die Wirksamkeit der Abschirmung

Antike Festungen hatten immer Schwachstellen, die eine angreifende Armee ausnutzen konnte. Eine gute Abschirmung berücksichtigt auch die mechanische Festigkeit und den erforderlichen Luftaustausch. Die Abschirmungen sind mit Öffnungen versehen, um einen Wärmestau zu verhindern, indem sie die Luft durch die Öffnungen der Abschirmung strömen lassen. Die Anzahl und Größe der Öffnungen in einer Abschirmungskonstruktion bestimmt die Wirksamkeit der Abschirmung.

Während viele Öffnungen die Effektivität verringern, bestimmen die Frequenz und der Abstand zwischen den Öffnungen das Dämpfungsverhalten. Darüber hinaus richtet sich die Leckage einer Öffnung nach der maximalen Kantenlänge der Öffnung.

Ganz gleich, ob Sie eine Armee beliefern oder einfach nur Ihre Leiterplatte schützen wollen, Ihr erster Schritt sollte immer die Wahl der richtigen Software für das Leiterplatten-Design sein. Mit intuitiven Randbedingungen und der Überprüfung von Designregeln, automatischem interaktivem Routing und einem Power Distribution Network Analyzer sorgt Altium Designer dafür, dass Ihre Leiterplatte in jeder Phase der Entwicklung gut geschützt ist.

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