使用現成的金屬罐與夾具達到 EMI/RFI 屏蔽

現今的電路暴露在各種強度與頻率的大量電磁 (EM) 能量之中。因此，電磁干擾 (EMI) 及無線射頻干擾 (RFI) 是相當普遍且彼此相關的現象，會影響電路效能與產品的正式核准結果，且這兩者通常歸類在電磁相容性 (EMC) 主題中探討。即便電子業早期就有考量過這些問題，但現在因為無線連線的可用性遍及各地，並且使用更高頻率且更密集的電路，還有更低電壓的電軌，因此這個問題的難度目前日益攀高。

影響電路的干擾可能是因為附近有刻意及非刻意架設的電磁能量發射器，也有可能是自然或人為的干擾來源。 電路本身也有可能會散發不樂見或不可接受的電磁能量，而影響周遭電子產品。要緩解 EMI/RFI 能量問題最常見的解決方案就是在電路板的關鍵零件周圍，甚至在整個模組上添加屏蔽。在試驗電路板及原型開發階段中，可即興創造此屏蔽以便理解、減輕並解決此問題。但即興創造的解決方案並不相容於製造環境，或是測試、除錯與維修站。

本文將判別 PC 板、組件與產品上與 EMC 相關的基本難題，接著再查看來自 Harwin 的現成屏蔽解決方案，並說明使用方法以達到技術效能與生產相容性。

EMC 問題的形成分為兩種過程

電磁干擾能量會透過傳導或輻射的方式，從來源流竄到「受害者」電路。在傳導情況下，能量會透過電線或纜線等導體流竄。設計人員通常可使用鐵氧體磁珠、濾波器、扼流圈及其他被動元件將此能量衰減。在輻射情況下，能量途徑則是透過空氣或真空，從來源流竄到受害者，中間沒有金屬導體。

圖 1：不樂見的電磁能量可透過佈線以傳導方式進出系統，或透過空氣或真空以輻射方式進出。(圖片來源：Slideshare.net -《Overview of EMI/EMC》)

對於這些不樂見的效果，有時可將來源或受害者的元件重新移位即可減緩，但這過程相當耗時，通常不切實際、不可能或無效。同樣地，濾波從來都不是可行選項，因為許多引發問題的 EMI/RFI 能量都位於相關的工作無線射頻頻帶內，而且此類濾波也會降低所需訊號的強度，進而折損系統效能。

在一些輻射 EMI 情況中，偶爾會使用一個稱為「展頻」的技術，用來降低工作頻率上的峰值 EMI 輻射。在此做法下，電路的時脈會在標稱頻率附近隨機「顫動」，如同一種跳頻。這會讓 RF 能量在整個頻譜上擴展，但不會減少發射的整體能量。

圖 2：時脈調便會讓 RF 頻譜擴展，因此降低峰值能量，但又不會將不需要的整體電磁能量減少；對某些應用來說，峰值衰減的改善就已經足夠。(圖片來源：DigiKey)

有些設計人員會認為展頻做法是「作弊」，因為此做法主要的目的符合輻射限制，但有人則認為這是簡單又聰明的解決方案。此做法主要適用於 DC-DC 切換式穩壓器，其固定工作頻率並不重要；但展頻跳頻對於講究載波與工作頻率穩定性的許多應用來說，則不適合。

被動式屏蔽：答案往往就是這個

在絕大多數 EMC 情況中，引發問題的能量電路通常不在設計人員的管轄內，但又務必要在來源或受害者處減少此類電路。有個有效又常用的解決方案可因應輻射 EMI/RFI，就是在引發問題的能量來源或受害者周遭增添接地金屬屏蔽，視情況而定。這會引出兩個工程問題：

• PC 板的哪個區域需要屏蔽？
• 要如何實作屏蔽以配合生產環境，以將上市時間、成本與對生產的衝擊降至最低。

在許多情況中，需要屏蔽的區域，無論多寡，都相當明顯，例如 RF 收發器區塊；但其他情況則要多費點心，才能找到電路中散發太多 EMI/RFI 的部位，或容易受影響其影響的部位。要找到這些區域，設計人員通常會打造一個 EMI 密集的小型傳導箱，將要評估的區域封閉或屏蔽。此傳導箱可能要越小越好，有如指甲一樣，或大到能封閉整個 PC 板，視產品與設計而定。

若需要較小的 RF 密閉箱，可使用薄銅片折成箱，接縫可焊接或用有導電膠的銅膠帶覆蓋。如需中型或大型密閉箱，可將幾塊包覆 PC 基板裁切成需要的尺寸，以打造箱體，並將所有接縫用膠帶覆蓋或焊接 (圖 3)。有些情況下，接縫會先在一些位置「點焊」達到基本穩定度，然後再用導電膠帶覆蓋。

圖 3：小型 PC 板周圍的屏蔽 (護蓋已拆除) 以小塊未蝕刻的基板構成，且接縫處已焊接。(圖片來源： QRP HomeBuilder)

箱體接著會放置在要評估的電路板區域上，並將開放式底部與 PC 板之間的接縫線焊接到低阻抗的 RF 接地。在實務上，這可能比看起來還要困難，因為 PC 板通常還沒有對應金屬罐周邊的接地走線。雖然有少許幾個連接點已經足夠，若有連續的接地接縫，就代表 RF 從金屬罐組件內外洩漏的途徑越少。

此焊接固定做法還有另一個考量。由於許多 PC 板的走線很細，將受測金屬罐焊接到板上或將其拆焊，很有可能會讓脆弱的走線受損並毀了整張電路板。因此，在開始打造並固定這些屏蔽罐之前，先使用 RF 探針進行一些測量與探測是不錯的主意。

更優異的原型屏蔽做法

製作以銅箔或銅箔基板製成的屏蔽確實有用，但這相當費時。此外，還需要處理 FR-4 基板 (若使用 PC 板)，因為若無正確的配置就會非常難裁切，而且還會讓使用者的手指沾滿玻璃纖維「碎屑」，除非有戴手套。即便使用裸薄片也會有問題，若未小心處理可能會割傷手指，而且可能需要藉助小型彎角機才能將邊緣及角落彎折到正確的 90°。這個一開始看似簡單的屏蔽箱 DIY 做法，其實並不輕鬆快速，即便真的有其效果。

幸好，有一個更好的解決方案，就是使用 Harwin 的 S01-806005 RFI 屏蔽罐套件。此套件提供兩個屏蔽罐薄片 (蝕刻 5 mm 方形網格)、24 個 RFI 屏蔽夾，以及容易遵循的指示。要製作基本的折疊箱，只要畫出簡易圖面與必要的箱體尺寸、切除不需要的薄片材料，然後使用金屬尺規當作導引與非正式的彎角機，將剩下的材料沿著蝕刻線折疊 (圖 4)。

圖 4：使用 Harwin 的 S01-806005 RFI 屏蔽罐套件，使用者就可使用隨附的金屬片以及蝕刻的 5 mm 網格圖樣，輕鬆打造客製化尺寸的屏蔽罐。(圖片來源： Harwin)

此屏蔽罐現在已經可以固定到電路板，只需扣到隨附的 S1711-46R RFI 屏蔽夾，然後能以迴流焊接或手工焊接的方式焊接到板上 (圖 5)。這個做法比起試著直接將屏蔽罐焊接到板上更好。此外，還可輕鬆拆除屏蔽罐，對「罐裝」電路進行測試、測量、評估與除錯。

圖 5：隨附的 S1711-46R RFI 屏蔽夾焊接到 PC 板上，然後就可輕鬆夾住任何使用 S01-806005 RFI 屏蔽罐套件打造的屏蔽罐。(圖片來源：Harwin)

原型製作並非生產

即便 DIY 屏蔽罐或 Harwin 的屏蔽罐套件稱得上是 EMC 解決方案，但並不相容於大量甚至是少量的生產。很明顯的，要用 PC 板「碎片」或折疊銅片打造大量的外殼需要額外的生產步驟與時間，而且這也不是能放上物料清單 (BOM) 的標準品項。即便可以接受，將此類屏蔽罐沿著外殼與板間的接點，以焊接方式固定到 PC 板上必須以人工作業，而不像其他元件一樣能以標準的迴流焊接進行；此外也很有可能會讓板件受損；要拆除以進行測試或維修也不切實際。

同樣地，有個更好的作法能解決問題，就是使用預先製作的 RF 屏蔽罐以及 Harwin 的匹配安裝夾具。這些 RF 高傳導性、無電鍍的鎳銀矩形罐提供多種覆蓋區尺寸與高度，從 S03-10100300R 的微型 10 mm x 10 mm x 高 3 mm (0.394 x 0.394 x 0.12 in) 且材料厚度為 0.15 mm，到 S01-50250500 的大型屏蔽罐，尺寸為 25 mm x 50 mm x 高 5 mm (約 1 x 2 x 0.25 in)，厚度為 0.3 mm。

圖 6：Harwin 的 S03-10100300R 屏蔽尺寸為 10 mm x 10 mm x 高 3 mm (0.394 x 0.394 x 0.12 in)，非常適合如今的小型 RF 電路。(圖片來源：Harwin)

這些屏蔽罐本身僅可滿足一部份生產友善要求。有鑑於此，Harwin 提供多種夾具，可迴流焊接到 PC 板 (圖 7)，即可將屏蔽罐扣入板上或拆開。提供多種夾具，因此可配合不同的電路板情況，包括 佈局、方向、存取、對鄰近 PC 板走線與焊墊的干擾，以及屏蔽罐材料厚度。

圖 7：讓屏蔽與安裝方案更加完備的屏蔽罐輔助安裝夾具提供多種不同的款式與尺寸，可對應屏蔽罐的厚度，也提供多種配置可符合不同的 PC 板需求。(圖片來源：Harwin)

特定夾具款式專為有天線饋入的行動裝置應用而設計，更有提供可避免過度壓縮、預防意外鉤傷的配置，且可垂直或水平擺放。小型夾具的厚度最薄僅有 1.1 mm，也有提供 90° 角落夾具，專門設計用來因應局部渦流干擾。

RF 衰減、散熱的考量

包圍電路元件的實心表面金屬罐電路有個基本事實要瞭解：會對包圍在內的元件表面阻礙其空氣對流散熱。屏蔽罐有可能會因此而遭到許多應用排除，但實情並非如此。原因在於，屏蔽罐的金屬相當薄，從 0.15 mm 到 0.3 mm 不等，視指定的屏蔽罐型號與尺寸而定。這個厚度對熱能從屏蔽罐內傳導流動到外部只有相當小的妨礙。熱能傳導到外部表面後，就可透過自由或強制空氣的對流或其他方式而散逸。

因此，薄型金屬罐在散熱上遠比一般 FR-4 PC 板材料製成的屏蔽外殼更優秀，後者的熱阻抗障礙更大，且傳導能力介於 1 至 3 W/m-K，標準厚度為 1.6 mm。將此數值與鎳銀產品的傳導能力相比，後者高出 1000 倍，且厚度更薄許多 (僅有 0.15 至 0.3 mm)。基本散熱模型可將薄型金屬罐的散熱影響進行量化。此外，在絕大多數情況下，遵照標準技術採用底層 PC 板銅箔搭配高導熱能力，將大量的熱能從安裝元件上帶走，才是優良的實務作法。

有個可改善屏蔽罐熱對流的顯著方案就是在罐體表面開孔。但這又會產生新的問題。開孔必須要夠小，且間隔要夠大，才不會發生 RF 洩漏。由於可允許的最大直徑與間隙是波長的函數之一，通常最優先的準則就是任何開孔都不可大於要屏蔽的最短波長的十分之一。

然而，要決定關鍵波長及後續的開孔尺寸並不容易，也不明顯，因為引發問題的 RF 能量，其頻率可能比產品的工作或載波頻率還要高 (因此波長較短)。試想引發問題的 GHz 頻率訊號會超載並讓相鄰的 MHz 頻率前端放大器飽和。因此，可允許的最大開孔尺寸必須要比對產品工作頻率進行簡單的直通分析後所示的還要更小許多才行。

請注意，除了確保電路效能之外，屏蔽罐與夾具的另一個目標就是在寬廣的頻率範圍內提供 RF 衰減，以便符合產品的法規要求。這些 EMC 相關法規標準會指定產品在多個 RF 頻譜區內可產生的最大 RFI/EMI，以及無論標稱工作頻率為何的情況下，產品當作 EMI/RFI 受害者時可允許的易感性。

因此，屏蔽通常要做的不僅僅是確保在明確的工作頻率下的效能，也有可能還要在更寬廣的電磁頻譜範圍內提供衰減。使用標稱工作頻率指明的剛好尺寸散熱孔，有可能會降低在較短波長下達到的衰減，而有可能會影響法規核准。

結論

電磁相容性以及 RFI/EMI 的問題會影響幾乎所有的電子產品與應用，且隨著無線連結的使用日益增加且頻率越來越高，設計上的難度也跟著提高。對於輻射 EMI/RFI 引起的諸多問題，解決方案往往是採用基本的 RF 屏蔽，即使用金屬罐將受影響的電路完全封閉。

這些屏蔽罐屬於標準品，可提供多種尺寸，也提供多種配置的 PC 板夾具，能輕鬆固定金屬罐或從電路板上拆除。這些夾具也完全相容於量產環境中用來插入與焊接 SMT 封裝元件的設備。