使用合適的現成金屬罐和夾子進行 EMI/RFI 屏蔽

今天的電路就像徜徉在強度和頻率波動很大的電磁（EM）能量之海中的小舟。電磁幹擾 (EMI)、射頻幹擾 (RFI)（通常被歸為電磁兼容 (EMC) 主題）是普遍存在的相關現象，會影響電路的性能和正式產品的合規認可。雖然這些問題從電子技術出現的早期即已受到關注，但由於無線連接的普及以及更高頻率、更敏感電路和更低電壓軌的使用，這些問題所帶來的挑戰也越來越困難。

影響電路的幹擾可能是由於附近有意和無意的電磁能量發射器造成的，也可能是自然或人為來源造成的。電路本身也可能發出不希望或不可接受的電磁能量，從而影響附近的電子設備。最常見緩解 EMI/RFI 能量問題的解決方案是，在電路板的關鍵部件甚至整個模塊周圍增加屏蔽。在試驗板和原型階段，這種屏蔽可以臨時了解問題所在，減弱並解決問題。然而，這種臨時的解決方案與製造環境，或與測試、調試和維修站並不兼容。

本文明確了印刷電路板、組件和產品的 EMC 基本挑戰。然後探討了 Harwin 的現成屏蔽解決方案，以及如何使用它們來提高技術有效性和生產兼容性。

EMC 問題有兩種引發途徑

電幹擾能量可以通過傳導或輻射形式從源頭傳遞到「受害者」電路（圖 1）。在傳導情形下，能量會通過導線或電纜等導體傳播。設計人員通常使用鐵氧體磁珠、濾波器、扼流圈和其他無源元件來衰減這種能量。在輻射情形下，能量路徑是通過空氣或真空從源頭擴散到受害者，沒有金屬導體。

這些有害影響有時可以通過重新擺放源頭或受害者處元器件位置來減少，但這是一個耗時的過程，通常是不切實際、不可能或無效的。同樣，濾波也不是一個可行的選擇，因為大部分的幹擾 EMI/RFI 能量都在相關的工作射頻 (RF) 頻段內，濾波會降低所需信號的強度，影響系統性能。

對於一些輻射 EMI 的情形，有時會使用一種稱為「擴頻」的技術來降低工作頻率的峰值 EMI 發射。在這種方法中，電路的時鐘作為一種跳頻形式，在其標稱頻率周圍隨機「抖動」。這樣可以將射頻能量分散到整個頻譜上，但它並沒有減少整體的發射能量（圖 2）。

擴頻方式被一些設計者認為是一種「欺騙」，因為這樣做主要是為了滿足輻射限制，而另一些設計者則認為這是一種簡單有效的解決方案。這種方式主要適用於固定工作頻率並不重要的 DC-DC 開關穩壓器；但對於許多載波和工作頻率穩定性至關重要的情況來說，擴頻跳頻並不適合。

無源屏蔽：往往就是解決之道

在大多數 EMC 情形下，幹擾能量電路是設計者無法控制的，但必須在源頭或受害者處削減它。處理輻射式 EMI/RFI 的一個有效而廣泛使用的解決方案是，根據情況在幹擾能量源或受害者周圍增加接地金屬屏蔽層。這帶來了兩個工程問題：

印刷電路板的哪些區域需要屏蔽？

在生產環境中應該如何實施這種屏蔽，才能最大限度地減少上市所需時間、成本和對生產的影響？

在許多情況下，需要屏蔽的區域是顯而易見的，例如射頻收發器部分；而在另一些情況下，要找到發射過多 EMI/RFI 的電路部分或易受其影響的部分，則需要數倍努力。為了找到這些區域，設計人員通常會建造一個小的封閉 EMI 的導電盒，封閉和屏蔽所調查的區域。根據產品和設計的不同，這個盒子可能需要小到像指甲蓋一樣大，或者大到足以圍住整個印刷電路板。

對於較小的射頻外殼，可以使用薄銅片折成盒子，接縫處可以焊接或用帶導電膠的銅帶覆蓋即可。對於中大型外殼，則可以將廢舊的覆銅印刷電路板裁剪成所需的尺寸，然後將所有接縫用焊接或用導電膠帶粘接起來（圖 3）。在某些情況下，接縫處先做「定位焊」，以保證基本穩定，然後用導電膠帶覆蓋。

然後將盒子放置在所要評估的電路板區域上，並將開放底部與印刷電路板之間的接縫線焊接到低阻抗的射頻地線上。實際操作時，可能比看起來更有挑戰性，因為印刷電路板往往還沒有對應於所建罐體周邊的接地印製線。雖然幾個連接點可能就夠了，但更連續的接地接縫意味著進入或離開罐組件的射頻洩漏路徑就會更少。

這種焊接的方法還有一個問題。由於許多印刷電路板的覆銅很薄，將測試罐與板子焊接或脫焊很可能會損壞精細的覆銅並損壞板子。因此，在構建並粘接這些屏蔽罐之前，最好使用射頻探頭和嗅探器對具體情形進行一些測量。

一個更好的原型屏蔽方法

使用銅箔或覆銅印刷電路板製造屏蔽罐確實可行，但這是一個耗時的過程。而且還需要處理 FR-4 襯底（如果使用印刷電路板），如果沒有合適的裝備，很難切割，除非戴上手套，否則會在手指上留下討厭的玻璃纖維「碎片」。即使是使用裸銅板也有問題，因為如果處理不慎，可能會割傷手指，而且可能需要使用一臺小的彎板機來進行邊緣和角部 90° 折彎。乍一看這個自製屏蔽測試盒的 DIY 方法好像很簡單，但實際上並不像它看起來那樣快速、方便，儘管它肯定確實可行。

幸運的是，我們有 Harwin S01-806005RFI 屏蔽罐套件，它提供了更好的解決方案。該套件提供兩張蝕刻成 5 mm (mm) 正方形網格的屏蔽罐片材、24 個 RFI 屏蔽夾以及簡單易懂的說明。要製作一個基本的摺疊盒，只需畫出所需盒子尺寸的簡圖，剪去不要的片材，然後用金屬尺作為導板和臨時彎板機，將剩餘的材料沿蝕刻線折彎即可（圖 4）。

圖 4：使用 Harwin S01-806005 RFI 屏蔽罐套件，用戶可以使用提供的帶有 5 mm 蝕刻網格圖案的金屬片輕鬆定製屏蔽罐。（圖片來源：Harwin）

現在，只需將套件提供的 S1711-46R RFI 屏蔽夾回流焊或手工焊接到電路板上，然後將罐子扣入屏蔽夾即可實現屏蔽罐與電路板的連接（圖 5）。這比試圖將罐子直接焊接到電路板上的方法要好得多，而且還可以根據需要輕鬆地將罐子拆下，以便對「封閉」的電路進行測試、測量、評估和調試。

原型開發不是生產

雖然 DIY 罐子或 Harwin 屏蔽罐套件都可以成為 EMC 解決方案，但它們並不兼容大規模甚至是小批量生產。顯然，用印刷電路板「廢料」或摺疊銅板製造一定數量的外殼，需要額外的生產步驟和時間，而且屬於非標準項目，不能列入物料清單 (BOM)。即使可以接受，通過沿著外殼和板子之間的接縫將其焊接到印刷電路板上也是一種手工操作，不像其他元件的標準回流焊；而且還很可能損壞板子，且拆下來測試或維修也不切實際。

同樣，還有一個更好的辦法來解決這個問題，那就是使用 Harwin 的預製射頻屏蔽罐和配套安裝夾。這些高射頻傳導、非電鍍鎳銀矩形罐有多種尺寸和高度可供選擇，從很小的尺寸為 10 mm x 10 mm x 3 mm 高（0.394 x 0.394 x 0.12 英寸）、0.15 mm 材料厚度的 S03-10100300R（圖 6），到像 S01-50250500 這樣尺寸為 25 mm x 50 mm x 5 mm 高（約 1×2×0.25 英寸）、厚 0.3 mm 的更大罐子。

這些罐子本身只解決了部分生產性要求。因此，Harwin 還提供了多種夾子，這些夾子可以回流焊到印刷電路板上（圖 7），而罐子可以扣入夾子或從上面取下。不同的夾子適合不同的板子，包括布局、方向、安裝方式、對相鄰印刷電路板走線和平面的幹擾，以及罐子材料的厚度。

某些夾子樣式是為帶有天線饋線的行動裝置應用而設計的，有一些配置可以防止過度壓縮，防止意外卡住，並且可以垂直或水平使用。提供外形低至 1.1 mm 的微型夾子，以及為解決局部渦流幹擾而設計的 90⁰ 角夾子。

考慮射頻衰減、冷卻因素

在電路元件周圍設置固體表面金屬罐有一個基本現實問題，就是它們會阻礙所包圍元件表面的對流冷卻氣流。似乎在許多應用中應該排除使用屏蔽罐，但實際情況並非如此。原因是罐子的金屬殼相當薄，根據罐子具體型號和規格，厚度 從 0.15 到 0.3 mm 不等。這種厚度對於熱量從罐子內部向罐子外部傳導只造成了很小的障礙。熱量傳到罐子外表面後，就可以通過自然或強制空氣對流或其他方式散發出去。

在這方面，薄金屬罐的熱性能要比普通 FR-4 印刷電路板材料製成的屏蔽外殼好得多。後者導熱係數在 1 至 3 瓦/米-開爾文 (W/m-K) 之間，標準厚度為 1.6 毫米，因此熱阻要高得多。將這一數字與鎳銀的導熱率進行比較，鎳銀的導熱率要高出 1000 倍左右，而且也要薄得多（只有 0.15 到 0.3 毫米）。通過基本的熱建模可以量化薄金屬罐對冷卻的影響。另外，還可以按照標準的技術，利用底層印刷電路板覆銅的高導熱率來帶走所安裝元件的大量熱量。這在幾乎所有情況下，都是一種很好的做法。

改善屏蔽罐熱對流的一個明顯的解決方案就是在罐體表面開孔。然而，這又增加了一系列新的問題。孔洞必須足夠小，間距足夠遠，否則就可能有射頻洩漏。由於允許的最大直徑和間距是波長的函數，一般最直接的要求是，任何開口不得超過所屏蔽射頻最短波長的十分之一。

然而，決定臨界波長和孔大小並不總是很容易或很明顯，因為幹擾射頻能量的頻率可能比產品的視在工作頻率或載波頻率更高（因此波長更短）。考慮到千兆赫幹擾頻率信號會使附近的兆赫頻率前端放大器過載和飽和，因此允許的最大孔徑必須比簡單的產品工作頻率初步分析確定的要小得多。

請記住，除了確保電路性能外，屏蔽罐和夾子的另一個目標可能是在較寬的頻率範圍內提供射頻衰減，以滿足產品的法規要求。這些與 EMC 相關的法規標準定義了產品在射頻頻譜的各個區域內可以產生的最大 RFI/EMI，以及產品作為 EMI/RFI 受害者的允許敏感度，而不考慮標稱工作頻率。

因此，屏蔽通常不僅要保證在明顯工作頻率下的性能，還必須在更廣泛的 EM 頻譜上提供衰減。使用僅按照標稱工作頻率確定尺寸的冷卻孔，可能會降低對那些較短波長頻譜的衰減，並可能影響監管機構的認可。

結語

電磁兼容性和 RFI/EMI 問題幾乎影響到所有電子產品和應用，而隨著更高頻率無線鏈路的使用越來越多，使得設計變得更具挑戰性。輻射 EMI/RFI 導致了許多問題，而解決之道通常涉及基本射頻屏蔽，即使用金屬罐完全封閉受影響的電路。

這些金屬罐可作為標品提供，有多種尺寸可選，同時提供採用各種配置的印刷電路板夾，讓金屬罐能夠輕鬆地扣到電路板上或從其取下。這些夾子也完全兼容批量生產環境中進行 SMT 封裝元件插入和焊接的設備。

作者：Bill Schweber

來源：Digi-Key

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