올바른 규격품 금속 캔 및 클립을 사용하여 EMI/RFI 차단

오늘날의 회로는 다양한 강도와 주파수를 갖는 전자기(EM) 에너지의 바다에서 헤엄치고 있습니다. 결과적으로, 흔히 전자기 적합성(EMC) 문제로 그룹화되는 EM 간섭(EMI), 무선 주파수 간섭(RFI)은 회로 성능과 공식 제품 승인에 영향을 주는 범발성 관련 현상입니다. 이러한 문제는 전자 기기의 초창기부터 문제가 되었지만 이제는 무선 연결의 광범위한 가용성과 더 높은 주파수, 더 민감한 회로 및 더 낮은 전압 레일의 사용으로 인해 점점 더 어려운 과제를 제시하고 있습니다.

회로에 영향을 미치는 간섭은 의도적 및 비의도적인 인근 전자기 에너지 방출체로 인한 것일 수 있으며 자연적 소스 또는 인공적 소스로 인해 발생할 수 있습니다. 회로 자체에서도 원치 않거나 허용되지 않는 EM 에너지를 방출하여 인근 전자 기기에 영향을 줄 수 있습니다. EMI/RFI 에너지 문제를 완화시키는 가장 일반적인 해결책은 회로 기판의 중요 부분 또는 전체 모듈에 차폐를 추가하는 것입니다. 브레드 기판 및 시제품 단계에서 이 차폐를 즉석에서 처리하여 문제를 이해하고 약화시켜 해결할 수 있습니다. 그러나 이렇게 즉석으로 처리된 해결책은 제조 환경 또는 테스트, 디버그, 수리 스테이션에서 사용할 수 없습니다.

이 기사에서는 PC 기판, 조립품 및 제품에 대한 기본적인 EMC 문제를 알아봅니다. 그런 다음 Harwin의 규격품 차폐 솔루션과 기술 효과 및 생산 호환성을 위해 이러한 솔루션을 사용하는 방법을 살펴봅니다.

두 가지 경로로 발생하는 EMC 문제

전기 간섭 에너지는 전도 또는 방사를 통해 소스에서 "희생" 회로로 이동할 수 있습니다(그림 1). 전도의 경우 전선 또는 케이블과 같은 컨덕터를 통해 에너지가 이동합니다. 설계자는 일반적으로 페라이트 비드, 필터, 초크 및 기타 수동 부품을 사용하여 이 에너지를 감쇠시킵니다. 방사의 경우, 에너지 경로는 금속 컨덕터 없이 공기 또는 진공을 통해 소스에서 희생 대상으로 이동합니다.

그림 1: 원치 않는 EM 에너지가 케이블을 통한 전도에 의해 또는 공기나 진공을 통한 방사에 의해 시스템 내외로 이동할 수 있습니다. (이미지 출처: Slideshare.net, “Overview of EMI/EMC”)

이러한 원치 않는 효과는 경우에 따라 소스 또는 희생 대상에서 부품의 위치를 재조정하여 줄일 수 있지만 이는 실용성이 떨어지거나 불가능하거나 효과적이지 않은 시간 소모적 과정입니다. 마찬가지로, 필터링도 실행 가능한 옵션이 아닙니다. 문제가 되는 EMI/RFI 에너지의 상당 부분이 관심 작동 무선 주파수(RF) 대역 내부에 있으며 이러한 필터링은 원하는 신호의 강도도 떨어뜨려 시스템 성능을 저하시킬 수 있기 때문입니다.

일부 방사 EMI의 경우, “스펙트럼 확산”이라고 하는 기술을 사용하여 작동 주파수에서 피크 EMI 방출을 줄일 수 있습니다. 이 접근 방식에서 회로의 클록은 주파수 호핑의 형태로, 공칭 주파수 주위에서 임의로 "디더링"됩니다. 이는 스펙트럼에 걸쳐 RF 에너지를 확산시키지만, 방출되는 전체 에너지를 줄이지는 않습니다(그림 2).

그림 2: 클록 조절을 통해 RF 스펙트럼을 확산시켜 피크 에너지를 줄일 수 있지만 원치 않는 EM 에너지의 총 크기는 감소되지 않습니다. 일부 응용 제품의 경우 피크 감쇠는 충분한 개선책이 아닐 수 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

스프레트 확산 접근 방식은 주로 방출 제한을 충족하기 위해 수행되므로 일부 설계자에게는 "속임수"라고 간주되지만, 이 접근 방식이 간단하고 효율적인 솔루션이라고 생각하는 설계자들도 있습니다. 이 접근 방식은 주로 고정 작동 주파수가 중요하지 않은 DC-DC 스위칭 조정기에 적용 가능합니다. 그러나 확산 스펙트럼 주파수 호핑은 반송파 및 작동 주파수 안정성이 중요한 여러 상황에는 적합하지 않습니다.

수동 차폐: 일반적인 해결책

대부분의 EMC의 경우 문제가 되는 에너지 회로는 설계자의 통제를 벗어나지만 소스 또는 희생 대상에서 반드시 줄여야 합니다. 방사 EMI/RFI를 처리하기 위한 효과적이고 광범위하게 사용되는 해결책은 상황에 따라, 문제가 되는 에너지 소스 또는 희생 대상에 접지 금속 차폐를 추가하는 것입니다. 이는 두 가지 엔지니어링 문제를 제시합니다.

• PC 기판에서 차폐가 필요한 영역은?
• 시장 출시 기간, 비용, 생산에 대한 영향을 최소화하기 위해 이러한 차폐를 생산 환경에 맞게 구현하는 방법은?

대부분의 경우, 차폐가 필요한 영역은 RF 트랜시버 섹션처럼 분명합니다. 그러나 회로에서 너무 큰 EMI/RFI를 방출하거나 EMI/RFI에 민감한 부분을 찾기 위해 여러 노력을 기울여야 하는 경우도 있습니다. 이러한 영역을 찾기 위해 설계자는 대개 소형의 EMI 차단 전도 박스를 제작하여 조사할 영역을 둘러싸고 차폐합니다. 제품 및 설계에 따라 이 박스는 손톱만큼 작거나 전체 PC 기판을 둘러쌀 정도로 커야 할 수 있습니다.

더 작은 RF 인클로저의 경우, 이음매가 납땜되었거나 전도성 접착제가 있는 구리 테이프로 덮여있는 박스에 얇은 구리 시트를 접어 넣어 사용할 수 있습니다. 중형 및 대형 크기의 인클로저의 경우, 피복 PC 기판 조각을 모든 이음매를 테이프로 붙이거나 납땜한 박스를 구축하는 데 필요한 크기로 절단할 수 있습니다(그림 3). 경우에 따라, 기본적인 안정성을 위해 몇몇 위치에서 이음매를 먼저 "가접 납땜"한 다음 전도 테이프로 덮을 수 있습니다.

그림 3: 소형 PC 기판 주위의 이 차폐(덮개 제거됨)는 에칭되지 않은 몇 개의 피복 기판으로 구성되어 있고 이음매가 납땜되어 있습니다. (이미지 출처: QRP HomeBuilder)

이제 이 박스를 평가된 기판 영역에 배치하고, 낮은 임피던스 RF 접지를 위해 개방된 하부와 PC 기판 간 이음선을 납땜합니다. 실제로, 이는 보기보다 더 어려울 수 있습니다. PC 기판에 구성된 캔의 주변에 대응되는 접지 트레이스가 없는 경우가 많기 때문입니다. 몇 개의 연결점으로 충분할 수도 있으며 연속적인 추가 접지 연결은 RF가 캔 조립품 내부 또는 외부로 누출되는 경로가 적음을 의미합니다.

이 납땜 접근 방식에는 고려해야 할 다른 문제가 있습니다. 여러 PC 기판의 얇은 트랙으로 인해, PC 기판에서 테스트 캔을 납땜하거나 납땜 제거하면 섬세한 트랙에 손상을 주고 기판을 망칠 수 있습니다. 따라서 이러한 차폐 캔을 구축하거나 연결하기 전에 RF 프로브 및 스니퍼를 사용하여 해당 상태를 측정하는 것이 좋습니다.

향상된 시제품 제작 차폐 접근 방식

구리 호일 또는 구리 피복 PC 기판을 사용하여 차폐 캔을 제작할 수는 있지만 시간이 많이 걸리는 프로세스입니다. 또한 올바른 구성 없이는 절단이 어렵고 장갑을 착용하지 않을 경우 사용자의 손가락에 위험한 섬유 유리 "파편"을 남기는 FR-4 기판(PC 기판을 사용할 경우)을 다뤄야 합니다. 기저 동박 시트를 사용하는 경우에도 문제는 있습니다. 부주의하게 다룰 경우 손가락을 벨 수 있고 에지 및 모서리를 90°로 적절하게 접으려면 작은 굽힘 제동기에 접촉해야 할 수 있기 때문입니다. 처음에는 차폐 테스트 박스를 구축하기 위한 간단한 DIY 접근 방식처럼 보일 수 있지만, 보이는 것처럼 쉽고 빠르지는 않습니다. 물론 가능하기는 합니다.

다행히도, Harwin S01-806005 RFI 차폐 캔 키트를 사용하는 우수한 해결책이 있습니다. 이 키트에는 5mm 정사각 그리드로 에칭된 2개의 차폐 캔 시트, 24 RFI 차폐 클립, 손쉽게 따라할 수 있는 지침이 함께 제공됩니다. 기본적인 접이식 박스를 만들려면, 필요한 박스 치수의 간단한 구성도를 그린 다음 불필요한 시트 재료를 잘라내고 가이드 및 비공식 굽힘 제동기로서 금속 자를 사용하여 에칭 라인에서 남은 재료를 접으면 됩니다(그림 4).

그림 4: Harwin S01-806005 RFI 차폐 캔 키트를 사용하면 사용자가 에칭된 5mm 그리드 패턴을 갖춘 제공된 금속 시트를 사용하여 맞춤형 크기 차폐 캔을 손쉽게 구축할 수 있습니다. (이미지 출처: Harwin)

이제 이 캔은 제공된 기판에 리플로 납땜하거나 수동으로 납땜할 수 있는 S1711-46R RFI 차폐 클립으로 간단히 스냅하여 회로 기판에 연결할 수 있습니다(그림 5). 이는 캔을 기판에 직접 납땜하는 것보다 훨씬 더 나은 접근 방식이며, "캔" 회로의 테스트, 측정, 평가 및 디버그에 필요한 경우 캔을 쉽게 제거 할 수 있습니다.

그림 5: 공급된 S1711-46R RFI 차폐 클립은 PC 기판에 납땜한 후, S01-806005 RFI 차폐 캔 키트를 사용하여 구성한 캔을 손쉽게 고정시킬 수 있습니다. (이미지 출처: Harwin)

생산용으로는 부적합한 시제품

DIY 캔 또는 Harwin 차폐 캔 키트가 EMC 해결책을 알릴 수는 있지만 대량 또는 심지어 소량 생산에도 호환되지 않습니다. 명확히, PC 기판 "스크랩" 또는 접이식 시트 구리에서 다량의 인클로저를 구축하려면 추가적인 생산 단계 및 시간이 필요하며 부품 명세서(BOM)에 비표준 품목으로 추가됩니다. 심지어 이것이 허용된다고 해도, 인클로저와 기판 간 조인트를 따라 납땜을 수행하여 이를 PC 기판에 연결하는 것은 수동 작업이며, 다른 부품에 대한 표준 리플로 납땜과 달리 기판에 손상을 주기 쉽고 테스트 또는 수리를 위한 제거가 비현실적입니다.

다시 말하지만 Harwin의 사전 제작된 RF 차폐 캔과 정합 실장 클립을 사용하여 문제를 해결하는 더 좋은 접근 방식이 있습니다. 이 고도의 RF 전도적, 비도금 니켈 은 직사각형 캔은 아주 작은 10mm x 10mm x 3mm 높이(0.394" x 0.394" x 0.12") 크기와 0.15mm 재료 높이를 갖는 S03-10100300R부터(그림 6)부터 25mm x 50mm x 5mm 높이(약 1" x 2" x 0.25") 크기와 0.3mm의 두께를 갖는 S01-50250500와 같은 대형 캔까지 다양한 실장 면적 크기 및 높이로 제공됩니다.

그림 6: Harwin S03-10100300R 차폐 캔은 10mm x 10mm x 3mm 높이(0.394" x 0.394" x 0.12") 크기이며 오늘날의 소형 RF 회로망에 적합합니다. (이미지 출처: Harwin)

이러한 캔을 단독으로 사용하면 생산 관련 요구 사항의 일부만 해결할 수 있습니다. 이런 이유로, Harwin은 PC 기판에 리플로 납땜할 수 있고(그림 7) 스냅/스냅 해제할 수 있는 다양한 클립을 제공합니다. 다양한 클립은 인접한 PC 기판 트랙 및 랜드와 캔 재료 두깨를 통해 레이아웃, 방향, 액세스, 장애가 서로 다른 기판 상황을 수용합니다.

그림 7: 차폐 및 실장 솔루션을 완전하게 하는 보완 캔 실장 클립은 캔 두께에 대응되는 다양한 스타일과 크기로 제공될 뿐만 아니라 다양한 PC 기판 필요 사항을 충족하는 여러 구성으로 제공됩니다. (이미지 출처: Harwin)

특정 클립 스타일은 안테나 피드를 갖춘 모바일 장치 응용 제품을 위해 설계되었으며 과압축으로부터 보호하고 예기치 않은 스내깅을 방지하며 가로 또는 세로로 사용할 수 있는 구성이 제공됩니다. 높이가 1.1mm에 불과한 마이크로 클립과 국소적 맴돌이 장애를 처리하도록 설계된 90⁰ 모서리 클립이 제공됩니다.

RF 감쇠의 팩터링 및 냉각

회로 부품을 둘러싼 고체 표면 금속 캔에 관한 기본적인 사실이 있습니다. 둘러싸는 부품의 표면에서 냉각 대류 기류를 방해할 수 있다는 것입니다. 이는 많은 응용 분야에서 차폐 캔을 제외시키는 것처럼 보일 수 있지만 실제로는 그렇지 않습니다. 그 이유는 특정 캔 모델 및 크기에 따라 캔 금속이 0.15mm ~ 0.3mm로 매우 얇기 때문입니다. 이러한 두께는 캔 내부에서 외부까지 전도를 통한 열 흐름에 대한 장벽이 매우 작음을 나타냅니다. 열이 외부 표면으로 전도되면 자연/강제 공기 전도 또는 다른 수단을 통해 전달될 수 있습니다.

이 관점에서, 얇은 금속 캔은 일반적인 FR-4 PC 기판 재료로 구성된 차폐형 인클로저보다 열적 성능이 훨씬 우수하며 1W/m-K ~ 3W/m-K(와트/미터 - 켈빈)의 전도도와 1.6mm의 표준 두께를 가진 훨씬 높은 열 임피던스 장벽을 나타냅니다. 이는 니켈 은의 전도도와 비교하여 약 1000배 높고 훨씬 얇은 수치입니다(0.15mm ~ 0.3mm에 불과함). 기본 열 모델링 캔은 냉각에 대한 이 금속 캔의 영향을 수량화합니다. 또한 거의 모든 경우에, 열 전도도가 높은 기본 PC 기판 구리를 사용하여 실장된 부품에서 상당한 양의 열을 제거하는 표준 기술을 따르는 것이 좋습니다.

차폐 캔을 사용하여 열 대류를 향상시키는 한 가지 분명한 해결책은 캔 표면에 구멍을 내는 것입니다. 그러나 이는 새로운 문제를 추가합니다. 구멍은 크기가 충분히 작고 RF 누설을 허용하지 않도록 충분한 간격을 가져야 합니다. 허용되는 최대 지름과 간격은 파장에 대한 함수이므로, 일반적인 1차 가이드라인은 모든 개구부가 차폐되는 가장 짧은 파장의 1/10을 넘지 않아야 한다는 것입니다.

그러나 중요한 파장과 구멍 크기를 결정하는 일이 항상 쉽거나 명확하지는 않습니다. 문제가 되는 RF 에너지가 제품의 분명한 작동 또는 반송파 주파수보다 높은(따라서 파장이 더 짧은) 주파수에 있을 수 있기 때문입니다. 문제가 되는 기가헤르츠 주파수 신호가 가까운 메가헤르츠 주파수 프런트 엔드 증폭기에 과부하를 주거나 포화시킬 수 있다고 가정해 보겠습니다. 그러면 허용되는 최대 구멍 크기는 제품 작동 주파수의 간단한 1차 통과 분석으로 규정된 것보다 훨씬 작아야 할 수 있습니다.

회로 성능을 보장하는 것 이외에, 차폐 캔 및 클립은 제품에 대한 규정 요구 사항을 충족하기 위해 넓은 주파수 범위에서 RF 감쇠를 제공한다는 또 다른 목적이 있음을 기억하십시오. 이러한 EMC 관련 규정 표준은 제품이 RF 스펙트럼의 다양한 영역 내에서 생성할 수 있는 최대 RFI/EMI와 공칭 작동 주파수에 관계없이 EMI/RFI 피해 대상으로서 제품의 허용 가능한 민감도를 정의합니다.

따라서, 차폐는 많은 경우 단순히 분명한 작동 주파수에서 성능을 보장하는 그 이상의 역할을 수행해야 하지만 더 넓은 EM 스펙트럼에서 감쇠를 제공해야 할 수도 있습니다. 공칭 작동 주파수 전용으로 치수가 지정된 냉각 구멍을 사용하면 이러한 짧은 파장에서 달성되는 감쇠를 줄일 수 있으며 규정 승인에 영향을 미칠 수 있습니다.

결론

전자기 적합성 및 RFI/EMI 문제는 거의 모든 전자 제품 및 응용 제품에 영향을 주며 더 높은 주파수와 함께 무선 링크 사용의 증가로 인해 설계 상황이 더욱 어려워졌습니다. 방사 EMI/RFI로 인한 여러 문제에 대한 해결책은 대개 영향을 받는 회로망을 완전하게 차폐할 수 있는 금속 캔을 통한 기본 RF 차폐를 사용하는 것입니다.

이러한 캔은 다양한 구성의 PC 기판 클립 선택과 함께 다양한 크기의 표준 품목으로 제공되므로 회로 기판에서 캔을 쉽게 연결하거나 제거할 수 있습니다. 이러한 클립은 또한 대량 생산 환경에서 SMT 패키지 부품을 삽입하고 납땜하는 데 사용되는 장비에서 완전하게 사용이 가능합니다.