適切な市販金属缶とクリップを使用してEMI/RFI保護を実現する

今日の回路は、強度と周波数が大きく異なる電磁（EM）エネルギーの海の中を泳いでいるも同然です。その結果、電磁干渉（EMI）と無線周波数干渉（RFI）が問題になります。これらはしばしば、電磁両立性（EMC）の問題としてひとくくりにされますが、回路の性能や正式な製品承認に影響を与える広範な関連現象です。これらは電子機器の黎明期からの懸念事項でしたが、ワイヤレス接続の普及、より高い周波数の使用、高感度回路の使用、低電圧レールの採用などにより、現在ではますます難しい課題となっています。

回路に影響を与える干渉は、意図的なものと意図せずに近くにある電磁エネルギーのエミッタが原因になることがあり、これらは自然または人工の発生源によって引き起こされます。また、回路自体が、近くの電子機器に影響を与える、望ましくない、または許容されないEMエネルギーを放出することがあります。EMI/RFIエネルギー問題を低減するための最も一般的な解決策は、回路基板の重要な部分やモジュール全体に保護シールドを追加することです。ブレッドボードやプロトタイプの段階では、このシールドを即興で作成して、問題を理解し、減衰させ、解決することができます。しかし、このようなにわか仕立てのソリューションは、製造環境、テスト、デバッグ、修理ステーションに対応できません。

この記事では、プリント基板、アセンブリ、および製品におけるEMCの基本的な課題を明らかにします。次に、Harwinの市販のシールドソリューションと、それを使用して技術的な有効性と生産互換性を確保する方法について説明します。

EMC問題には2つの道がある

電気干渉エネルギーは、伝導または放射を介して発生源から「被害者」回路に移動するものです（図1）。伝導の場合、エネルギーはワイヤやケーブルなどの導体を通って移動します。設計者は通常、フェライトビーズ、フィルタ、チョーク、その他の受動部品を使用してこのエネルギーを減衰させます。放射された場合、エネルギーの経路は、金属導体を経ずに、発生源から「被害者」に向かう空気または真空を通ります。

図1：不要なEMエネルギーは、ケーブル接続による伝導や、空気や真空を介した放射によってシステムに出入りする可能性があります。（画像提供：Slideshare.net、「EMI/EMCの概要」）

これらの望ましくない影響は、発生源または被害者の位置を変更することで低減されることがありますが、これは時間のかかるプロセスであり、通常は非現実的であり、不可能であり、効果がありません。同様に、問題となるEMI/RFIエネルギーの多くは、対象の動作無線周波数（RF）帯域内にあるため、フィルタリングは実行可能なオプションになりません。また、このようなフィルタリングは、必要な信号の強度も低下させ、システムパフォーマンスを低下させることになります。

一部の放射EMIの場合、「スペクトラム拡散」と呼ばれる手法を使用して、動作周波数でのピークEMI放射を低減することがあります。このアプローチでは、回路のクロックは周波数ホッピングの一形態として、公称周波数を中心にランダムに「ディザリング」されます。これにより、RFエネルギーがスペクトル全体に広がりますが、放出される全体エネルギーを減らすことはできません（図2）。

図2：クロックを変調するとRFスペクトルが拡散するため、ピークエネルギーは減少しますが、不要なEMエネルギーの総量は減少しません。ピークの減衰はアプリケーションによっては十分に改善されるかもしれません。（画像提供：DigiKey）

スペクトラム拡散アプローチは、主にエミッション制限を満たすために行われるので、一部の設計者は「ズル」と見なしますが、そうでない設計者はシンプルでエレガントな解決策とみなしています。これは主に、固定動作周波数が重要ではないDC/DCスイッチングレギュレータに適用できます。ただし、スペクトラム拡散周波数ホッピングは、キャリアと動作周波数の安定性が重要である多くの状況には適しません。

パッシブシールド：多くの場合、それが答え

ほとんどのEMCの場合、問題のあるエネルギー回路は設計者のコントロールの域を超えているので、発生源側または被害者側で低減する必要があります。放射されたEMI/RFIに対処するための効果的で広く使用されているソリューションは、状況に応じて、問題のあるエネルギー源または被害者の周囲にグランドされた金属シールドを追加することです。しかしこれには、2つのエンジニアリング上の問題があります。

• プリント基板のどの領域をシールドすればよいか？
• 市場投入までの時間、コスト、生産への影響を最小限に抑えるには、このシールドを生産環境でどのように実装するか？

多くの場合、RFトランシーバ部のように、シールドが必要な1つまたは複数の領域があるのが明らかな場合もあれば、EMI/RFIを放出しすぎているか、あるいは放出されやすい回路部分を特定するのに度重なる努力が必要な場合もあります。このような領域を見つけるために、設計者は調査対象領域を囲い込み、シールドするためにEMIを遮断する小さな導電ボックスを作成することがよくあります。製品やデザインによっては、このボックスは指の爪ほどの大きさに小さくしたり、基板全体を囲むような大きさにする必要があります。

小型のRFエンクロージャの場合は、ボックスに折り込まれた薄い銅シートを使用することができ、継ぎ目ははんだ付するか、導電性接着剤入りの銅テープで覆うことができます。中型や大型のエンクロージャの場合、クラッド基板のスクラップをボックスの構築に必要なサイズにカットし、すべての継ぎ目をテープで留めるか、またははんだ付けすることができます（図3）。場合によっては、基本的な安定性を保つために継ぎ目の数か所をまず「タックはんだ付け」してから、導電性テープで覆うこともあります。

図3：このシールド（カバーを外した状態）は、小さな基板の周りに、未エッチングのクラッド基板の小片をはんだ付けし、継ぎ目付きの状態で構成されています。（画像提供：QRP HomeBuilder）

次に、ボックスを評価対象の基板の領域の上に置き、開いた底面と基板の間のシームラインを低インピーダンスのRFグランドにはんだ付けします。実際には、基板には構築された缶の周囲に対応するグランドトレースがまだないことが多いので、これは実際には見た目よりも難しい場合があります。いくつかの接続点で十分な場合もありますが、より連続的に接地されたシームは、缶アセンブリに出入りするRF漏れ経路が少ないことを意味します。

このはんだ付けアプローチには別の懸念があります。多くのプリント基板のトラックが細いため、基板にテスト缶をはんだ付けしたり、はんだ付けを取ったりすると、繊細なトラックを傷つけ、基板を破損することがあります。そのため、これらのシールド缶を作成して取り付ける前に、RFプローブやスニッファを使って状況をある程度測定しておくと良いでしょう。

プロトタイプシールドの良策

銅箔や銅張りのプリント基板を使用してシールド缶を製造することができますが、それは時間のかかるプロセスです。また、FR-4基板を扱う必要があります（プリント基板を使用する場合）。これは、適切な準備なしで切断することは困難であり、手袋を着用しない限り、作業者の指に厄介なグラスファイバの「破片」が残ります。素の銅板を使用しても、不用意に扱うと指を切ってしまうので問題があります。エッジとコーナーに90°角の折り目を付けるには、小型のプレスブレーキ機を使用する必要があるでしょう。一見すると、シールドテストボックスを作成するための簡単なDIY作業のように思えるかもしれません。確かにできないわけではないですが、一見するほど簡単かつ素早くできるものではありません。

幸いなことに、Harwin S01-806005 RFIシールド缶キットを使用するという良策があります。このキットには、5mm刻みの正方形グリッドでエッチングされた2枚のシールド缶シート、24個のRFIシールドクリップ、そしてわかりやすい説明が付属しています。基本的な折り箱を作るには、必要な箱の寸法の略図を描き、不要なシート材を切り取り、金属直定規をガイドとして使用します。定規を間に合わせのプレスブレーキのように使用して、エッチングされた線上に残りの材料を折ります（図4）。

図4：HarwinのS01-806005 RFIシールド缶キットを使用すると、付属のエッチングされた5mmグリッドパターン付きの金属シートを使用して、カスタムサイズのシールド缶を簡単に作成できます。（画像提供：Harwin）

これで準備ができ、付属のS1711-46Rシールドクリップにスナップするだけで缶を回路基板に取り付けることができます。クリップは、基板にリフロー付けすることも、手はんだ付けすることもできます（図5）。これは、缶を直接基板にはんだ付けするよりもはるかに優れたアプローチであり、また、この「缶詰」回路のテスト、測定、評価、およびデバッグのために、必要に応じて缶を簡単に取り外すことができます。

図5：付属のS1711-46RRFIシールドクリップをプリント基板にはんだ付けし、S01-806005RFIシールド缶キットを使用して構築された缶を簡単にクリップできます。（画像提供：Harwin）

プロトと量産品は違う

DIY缶やHarwinのシールド缶キットは、EMCソリューションを指し示すことができますが、大量生産にも少量生産にも対応していません。明らかに、「スクラップ」的なプリント基板や折り込まれた銅シートから大量のエンクロージャを作成するには、追加の製造手順と時間が必要になります。そしてそれは、BOM（部品表）に載せるには標準外の項目です。それはいいとしても、他の部品の標準的なリフローはんだ付けとは異なり、エンクロージャと基板間の接合部に沿ったはんだ付けを介してこれらを基板に取り付けるのは手作業になります。基板を損傷する可能性も高く、テストや修理のために取り外すことは現実的ではありません。

繰り返しになりますが、プレハブ式のRFシールド缶を使用し、Harwinの取り付けクリップをマッチさせることで、問題を解決するための良策にはなります。高いRF導電性を持つこれらのメッキなしの洋白製長方形缶は、図6のS03-10100300Rのような10mm × 10mm × 高さ3mm（0.394 x 0.394 x 0.12インチ）、材料厚さ0.15mmの小ぶりなものから、25mm x 50mm x 高さ5mm（約1 x 2 x 0.25インチ）、厚さ0.3mmのS01-50250500などのより大きな缶まで、さまざまな高さとフットプリントの缶が用意されています。

図6：HarwinのS03-10100300Rシールドは、サイズが10mm x 10mm x 3mm（0.394 x 0.394 x 0.12インチ）で、今日の小さなRF回路に最適です。（画像提供：Harwin）

これらの缶だけでは生産に適した要件の一部しか解決できません。このためHarwinでは、プリント基板（図7）にリフローはんだ付けできるさまざまなクリップを提供しており（図7）、缶をスナップしたり、スナップを取り外すようにすることができます。さまざまなクリップは、レイアウト、向き、アクセス、隣接する基板のトラックや基板面との干渉、そして材料の厚さなど、さまざまな基板の状況に対応します。

図7：シールドと実装ソリューションを完成させる補完的な缶実装クリップは、缶の厚みに対応するさまざまなスタイルとサイズが用意されており、多様なプリント基板のニーズを満たすためにさまざまな構成で利用できます。（画像提供：Harwin）

特定のクリップスタイルは、アンテナフィードを備えたモバイルデバイスアプリケーション向けに設計されており、過圧迫から保護し、予期せぬ引っ掛かりを防ぎ、縦または横に使用できる構成が利用可能です。最小1.1mmの低プロファイルのマイクロクリップと、局所的な渦干渉に対処するように設計された90⁰コーナークリップが利用できます。

RF減衰、冷却を考慮する

回路部品を取り囲むソリッド表面の金属缶についての基本的な事実は、これらの部品は囲んでいる部品の表面からの冷却対流を妨げる可能性があります。これにより、多くのアプリケーションでシールド缶が除外されるように思えるかもしれませんが、実際にはそうではありません。その理由は、特定の缶のモデルやサイズでは、缶の金属の厚みが0.15mm～0.3mmとかなり薄いからです。その薄さは、缶の内側から外側への伝導を介した熱の流れに対する小さな障壁にすぎません。熱が外面に伝導されると、自由対流や強制対流などの手段で熱を取り去ることができます。

この点で薄い金属缶は、1〜3ワット/メートルケルビン（W/m-K）の伝導率と1.6mmの標準的な厚さで、はるかに高い熱インピーダンス障壁を提示する一般的なFR-4基板材料で作られたシールドエンクロージャよりも熱的にはるかに優れています。この図を洋白（ニッケルシルバー）の導電率と比較してみてください。洋白の導電率は約1000倍高く、また、はるかに薄くなっています（ここでもわずか0.15mm～0.3mm）。基本的な熱モデリングにより、薄い金属缶が冷却に与える影響を定量化できます。また、ほぼすべての場合、その高い熱伝導率を持つ下地の基板銅を使用して、実装された部品からかなりの量の熱を取り除くという標準手法に従うことをお勧めします。

シールド缶で熱対流を改善するためのわかりやすい解決策の1つは、缶の表面に穴を開けることです。しかし、これには別の問題があります。穴が十分に小さく、RF漏れがないように十分に離して配置する必要があります。最大許容直径と間隔は波長の関数であるため、一般的な1次ガイドラインでは、開口部はシールドされる最短波長の10分の1以下にする必要があります。

しかし、問題となるRFエネルギーは、製品の見かけ上の動作周波数または搬送周波数よりも高い周波数（つまりより短い波長）である可能性があるため、臨界波長の決定、したがって穴のサイズを決定することは、必ずしも容易でも当たり前でもありません。問題のあるギガヘルツ周波数信号が、近くのメガヘルツ周波数フロントエンド増幅器に過負荷をかけ、飽和させる可能性があることを考慮してください。したがって、許容される最大穴のサイズは、製品の動作周波数の単純な初回通過分析で指定されたものよりもはるかに小さくなければなりません。

回路性能を確保することに加えて、シールド缶とクリップの別の目的は、製品の規制要件を満たすために広い周波数範囲にわたってRF減衰を提供することであることに留意してください。これらのEMC関連の規制基準は、公称動作周波数に関係なく、製品がRFスペクトルのさまざまなゾーン内で発生させることができる最大のRFI/EMIと、EMI/RFIの被害者としての製品の許容可能な感受率を決定します。

したがって、シールドは多くの場合、明らかな動作周波数での性能を保証するだけでなく、より広いEMスペクトルにわたって減衰を提供しなければならない場合があります。公称動作周波数に合わせた寸法の冷却孔を使用することで、短波長での減衰を低減することができ、規制当局が求める承認に作用する可能性があります。

まとめ

電磁両立性とRFI/EMIの問題は、ほぼすべての電子製品とアプリケーションに影響を及ぼし、より高い周波数でのワイヤレスリンクの使用が増えると設計状況がより困難になります。放射されたEMI/RFIに起因する数々の問題を解決するには、多くの場合、影響を受ける回路を完全に囲む金属缶を使用した基本RFシールドが必要になります。

これらの缶は、さまざまなサイズの標準品として入手可能であり、さまざまな構成の基板クリップの選択により、缶を回路基板に簡単に着脱することができます。これらのクリップは、量産環境でのSMTパッケージ部品の挿入およびはんだ付けに使用される装置にも完全に対応します。