השתמשו בתיבות מתכת ומהדקים מתאימים מן-המדף כדי לסכך מפני EMI/RFI‏

המעגלים של היום שוחים בים של אנרגיה אלקטרומגנטית (EM) בעוצמה ותדר משתנים מאוד. כתוצאה מכך, הפרעות EM‏ (EMI‏) והפרעות תדרי רדיו (RFI) - המקובצות לעתים יחד כבעיות תאימות אלקטרומגנטית (EMC‏) - הן תופעות נפוצות וקשורות המשפיעות על ביצועי המעגלים ועל האישור הפורמלי של המוצרים. למרות שמדובר בבעיות מעוררות דאגה מאז ימיה הראשונים של האלקטרוניקה, הם מציבים כעת אתגרים קשים יותר ויותר בגלל הזמינות הנרחבת של חיבוריות אלחוטית, שימוש בתדרים גבוהים יותר, מעגלים רגישים יותר ופסי מתח נמוך יותר.

ההפרעות המשפיעות על המעגלים יכולות להיות עקב פולטים סמוכים של אנרגיה אלקטרומגנטית, הן במתכוון והן שלא-במתכוון, העשויה לנבוע ממקורות טבעיים או מעשה ידי אדם.  המעגלים עצמם עשויים גם לפלוט אנרגיית EM לא-רצויה או לא-מתקבלת המשפיעה על האלקטרוניקה הסמוכה. בין הפתרונות הנפוצים ביותר להקלת בעיות אנרגיית EMI/RFI הוא הוספת סיכוך סביב החלקים הקריטיים של המעגל או אפילו סביב מודול שלם. עוד בשלבי התכנון ובניית האב-טיפוס, ניתן לאלתר סיכוך זה כדי להבין, להנחית ולפתור את הבעיה. עם זאת, פתרונות מאולתרים כאלה אינם תואמים לסביבת ייצור, או לתחנות בדיקה, ניפוי באגים ותיקונים.

מאמר זה מזהה את האתגרים הבסיסיים של EMC בלוחות מעגלים, מכללים ומוצרים. לאחר מכן הוא בוחן פתרונות סיכוך מן-המדף מבית Harwin וכיצד להשתמש בהם לטובת יעילות טכנית ותאימות לייצור.

ניתן לשייך בעיות EMC לשני נתיבים

אנרגיית הפרעות חשמליות יכולה לנוע מהמקור למעגל "קורבן" באמצעות הולכה או קרינה (איור 1). במקרה של ההולכה, האנרגיה נעה דרך מוליכים כגון חוטים או כבלים. המתכננים מנחיתים בדרך כלל אנרגיה זו באמצעות חרוזי פרייט (Ferrite‏), מסננים, משנקים ורכיבים פסיביים אחרים. במקרה של ההקרנה, נתיב האנרגיה הוא דרך אוויר או ואקום העובר מהמקור לקורבן, ללא מוליכים מתכתיים.

איור 1‏: אנרגיית EM לא-רצויה עלולה לחדור למערכת או לצאת ממנה באמצעות הולכה דרך כבלים או בהקרנה דרך אוויר או ואקום. (מקור התמונה: Slideshare.net, "סקירה כללית של EMI/EMC")

השפעות לא-רצויות אלו ניתן לעיתים להפחית את על ידי מיקום-מחדש של רכיבים במקור או בקורבן, אך זהו תהליך גוזל-זמן שלרוב אינו מעשי, בלתי אפשרי או לא יעיל. בדומה, סינון אינה אפשרות בת-מימוש מאחר וחלק ניכר מאנרגיית EMI/RFI הפוגעת נמצאת בתחום תדרי הרדיו (RF) המעניין, וסינון כזה גם יפחית את עוצמת האות הרצוי תוך פגיעה בביצועי המערכת.

בכמה ממקרי EMI מוקרן משתמשים לפעמים בטכניקה הנקראת "Spread Spectrum" להפחתת שיא פליטת EMI בתדר הפעולה. בגישה זו, שעון המעגל "מתנדנד" באופן אקראי סביב התדר הנומינלי שלו, כצורה של דילוג תדרים. זה מפזר את אנרגיית ה- RF על פני הספקטרום, אך זה לא מפחית את האנרגיה הכוללת הנפלטת (איור 2).

איור 2: אפנון השעון מפזר את ספקטרום ה- RF ובכך מפחית את אנרגיית השיא אך אינו מפחית את הכמות הכוללת של אנרגיית EM לא-רצויה; ההנחתה של השיאים עשויה להיות שיפור מספק עבור יישומים מסוימים. (מקור התמונה: DigiKey)

גישת Spread Spectrum נחשבת בעיני כמה מתכננים ל"רמאות" שכן היא נעשית בעיקר בכדי לעמוד במגבלות הפליטה, בעוד שאחרים רואים בה פיתרון פשוט ואלגנטי. היא ישימה בעיקר עבור מייצבים ממותגים DC-DC כאשר תדר פעולה קבוע אינו קריטי; אך דילוג תדרים ב- Spread Spectrum אינו מתאים עבור מצבים רבים שבהם יציבות תדר הגל הנושא והפעולה היא קריטית.

סיכוך פסיבי: לעיתים קרובות זו התשובה

ברוב מקרי EMC מעגל האנרגיה הפוגע אינו בשליטת המתכנן, אך עדיין יש להפחית אותו במקור או בקורבן. פיתרון יעיל ובשימוש נרחב להתמודדות עם EMI/RFI מוקרן הוא הוספת סיכוך מתכת מוארק סביב מקור האנרגיה הפוגע או הקורבן, בהתאם לנסיבות. זה מציג שתי בעיות הנדסיות:

• אילו אזורים בלוח המעגלים זקוקים לסיכוך?
• כיצד יש לממש סיכוך זה עבור סביבת הייצור כדי לקצר למינימום את זמן היציאה לשוק ולהקטין את העלות ואת ההשפעה על הייצור?

במקרים רבים, האזור או האזורים הזקוקים לסיכוך הם ברורים מאליהם, כגון מקטע מקלט RF; באחרים יידרשו מאמצים רבים כדי לאתר את החלק במעגל הפולט יותר מדי EMI/RFI או שהוא רגיש אליו. כדי לאתר אזורים אלו, המתכננים בונים לעיתים קרובות תיבה מוליכה קטנה ואטומה ל- EMI כדי לסגור ולסכך את האזור הנחקר. בהתאם למוצר ולתכן, ייתכן שתיבה זו תצטרך להיות קטנה כמו ציפורן אצבע או גדולה מספיק כדי לסגור לוח מעגלים שלם.

עבור מארזי RF קטנים יותר, ניתן להשתמש ברדיד נחושת דק המקופל לצורת תיבה, כאשר התפרים מולחמים או מכוסים בסרט נחושת עם דבק מוליך. עבור מארזים בינוניים וגדולים יותר, ניתן לחתוך שאריות של לוח מעגלים מחופה לגודל הדרוש לבניית התיבה, כאשר כל התפרים מכוסים בסרט או מולחמים (איור 3). בכמה מהמקרים, התפרים "מולחמים יחד" תחילה בכמה מקומות ליציבות בסיסית ואז מכוסים בסרט המוליך.

איור 3: סיכוך זה (ללא הכיסוי) סביב לוח מעגלים קטן בנוי מחתיכות קטנות של לוח מחופה לא-צרוב עם תפרים מולחמים. (מקור התמונה: QRP HomeBuilder)

לאחר מכן התיבה ממוקמת מעל שטח הלוח אותו מעריכים וקו התפר בין החלק התחתון הפתוח ולוח המעגלים מולחם להארקת RF עם עכבה נמוכה. בפועל, הדבר עשוי להיות יותר מאתגר ממה שזה נראה, מכיוון שלעתים ללוח המעגלים אין עדיין פס מוליך עבור ההארקה המתאים להיקף של התיבה שנבנתה. בעוד שמספר נקודות חיבור עשויות להספיק, תפר מוארק רציף יותר אומר שיש פחות נתיב לזליגת RF לתוך או מחוץ למכלל התיבה.

ישנו שיקול נוסף בגישה בהלחמה זו. עקב הפסים הדקים של לוחות מעגלים רבים, הלחמה או הסרת-הלחמה של תיבת הבדיקה מהלוחות עשויה לפגוע בפסים העדינים ולהרוס את הלוח. לכן, מומלץ לבצע כמה מדידות של המצב באמצעות בחוני RF ורחרחנים לפני שבונים ומחברים תיבות סיכוך אלו.

גישת סיכוך אב-טיפוס טובה יותר

ייצור תיבת סיכוך באמצעות רדיד נחושת או לוחות מעגלים מחופי-נחושת אכן עובדים, אך זהו תהליך גוזל-זמן. כמו כן, זה דורש התמודדות עם מצע FR-4 (אם משתמשים בלוחות מעגלים), שקשה לחתוך אותם ללא מערך מתאים והמשאיר "שבבי" פיברגלס נבזיים באצבעות המשתמש אלא אם כן לובשים כפפות. אפילו בשימוש בגיליון נחושת חשוף יש בעיות, מכיוון שהוא יכול לחתוך את האצבעות אם לא מטפלים בו בזהירות, ועשוי לדרוש גישה לבלוק כיפוף קטן כדי להשיג קיפולים מתאימים של 90° מהקצוות והפינות. מה שנראה תחילה כמו גישה פשוטה של DIY לבניית תיבת בדיקת סיכוך אינו מהיר וקל כפי שהוא נראה, אם כי זה בהחלט בר-ביצוע.

למרבה המזל, יש פיתרון טוב יותר באמצעות ערכת תיבת סיכוך RFI‏ S01-806005‏ מבית Harwin. ערכה זו מגיעה עם שני גיליונות תיבת-סיכוך החרוטים עם סריג מרובע של 5 מילימטר (מ"מ), 24 מהדקי סיכוך RFI והוראות בנייה קלות לביצוע. כדי ליצור תיבה מקופלת בסיסית, פשוט ציירו תרשים פשוט של ממדי התיבה הנדרשת, גזרו את חומר הגיליון שאינו נחוץ, וקפלו את החומר הנותר על הקווים החרוטים באמצעות סרגל מתכת כמוביל ובלוק כיפוף כלשהו (איור 4).

איור 4‏: באמצעות ערכת תיבת סיכוך RFI‏ S01-806005‏ מבית Harwin, המשתמשים יכולים לבנות בקלות תיבות סיכוך בגדלים מותאמים-במיוחד בשימוש בגיליונות המתכת המסופקים עם תבנית סריג 5 מ"מ חרוטה. (מקור התמונה: Harwin)

התיבה מוכנה כעת לחיבור ללוח המעגל פשוט על ידי הצמדתו בעזרת מהדקי סיכוך RFI‏ S1711-46R‏ המסופקים, הניתנים להלחמת Reflow‏ או אפילו להלחמה ביד ללוח (איור 5). זוהי גישה הרבה יותר טובה מאשר לנסות להלחים את התיבה ישירות ללוח, והיא גם מאפשרת הסרה קלה של התיבה בהתאם לצורך עבור בדיקה, מדידה, הערכה וניקוי המעגל המסוכך.

איור 5: מהדקי סיכוך RFI‏ S1711-46R‏ המסופקים מולחמים ללוח המעגלים, ואז ניתן להצמיד אליהם בקלות כל תיבה שנבנתה באמצעות ערכת תיבת הסיכוך S01-806005. (מקור התמונה: Harwin)

בניית אב-טיפוס אינה ייצור

בעוד שתיבות עשו-זאת-בעצמכם (DIY) או ערכות תיבת סיכוך מבית Harwin יכולות להצביע על פתרון EMC, אך הן אינן תואמות לייצור בנפח גדול או אפילו בנפח קטן. ברור שבניית כמות של מארזים מ"שאריות" של לוחות מעגלים או גיליונות נחושת מקופלים דורשת שלבי ייצור וזמן נוספים, והיא פריט לא-סטנדרטי בתוך מפרט החומרים (BOM). אפילו אם זה מתקבל, הצמדתם ללוח מעגלים באמצעות הלחמה לאורך החיבור שבין התיבה ללוח היא פעולה ידנית, בניגוד להלחמת Reflow‏ סטנדרטית של הרכיבים האחרים; ובנוסף, יש גם סיכוי טוב לפגוע בלוח, וההסרה עבור בדיקה או תיקון אינה מעשית.

שוב, ישנה גישה טובה יותר לפתרון הבעיה על ידי שימוש בתיבות סיכוך RF מיוצרות-מראש ובמהדקי הרכבה תואמים מבית Harwin. תיבות מלבניות מוליכות RF‏ ביותר אלו מניקל-כסף לא-מצופה זמינות במגוון רחב של גודלי וגובהי חתימות-שטח, מגובה זעיר של 3‏ x‏ 10‏ x‏ 10 מ"מ (0.12‏ x‏ 0.394‏ x‏ 0.394 אינץ') עם עובי חומר של 0.15 מ"מ עבור ה- S03-10100300R‏ (איור 6‏) ועד לתיבות גדולות יותר כגון ה- S01-50250500‏ בממדי גובה של 5‏ x‏ 50‏ x‏ 25 מ"מ (בערך 0.25‏ x‏ 2‏ x‏ 1 אינץ') עם עובי של 0.3 מ"מ.

איור 6‏: תיבת הסיכוך S03-10100300R‏ מבית Harwin היא בממדים של 3‏ x‏ 10‏ x‏ 10 מ"מ (0.12‏ x‏ 0.394‏ x‏ 0.394 אינץ') והיא מתאימה היטב עבור מעגלי ה- RF הזעירים של היום. (מקור התמונה: Harwin)

תיבות אלו לבדן פותרות רק חלק מדרישת ידידותיות-לייצור. מסיבה זו, חברת Harwin מציעה מגוון רחב של מהדקים הניתנים להלחמת Reflow‏ ללוח המעגלים (איור 7), ואשר לתוכם ניתן להצמיד ולהסיר את התיבה. המהדקים השונים מתאימים למצבי לוח שונים מבחינת הפרישה, כיוון, גישה והפרעה לפסים ולמשטחים המוליכים הסמוכים של לוח המעגלים, כמו גם לעובי החומר.

איור 7‏: מהדקי ההרכבה לתיבות המשלימים את הסיכוך ואת פתרון ההרכבה זמינים בסגנונות ובצורות שונות בהתאם לעובי התיבות, ובתצורות מגוונות לעמידה בצורכי לוחות המעגלים המודפסים השונים. (מקור התמונה: Harwin)

סגנונות מהדקים מסוימים מיועדים עבור יישומי התקנים ניידים עם הזנות אנטנה, וקיימות תצורות המגנות מפני דחיסת-יתר, מונעות הסתבכות בלתי צפויה וניתן להשתמש בהן בצורה אנכית או אופקית. קיימים גם מיקרו-מהדקים בגובה הנמוך עד כדי 1.1 מ"מ, כמו גם מהדקי פינות °‏90‏ המתוכננים להתמודד עם הפרעות זרמי מערבולת מקומיים.

ההתחשבות בניחות RF ובקירור

יש עובדה בסיסית לגבי תיבות מתכת עם משטח-מוצק המקיף את רכיבי המעגל: הן עלולות להפריע לזרימת האוויר של הקירור בקונבקציה ממשטחי הרכיבים שהם מקיפים. על פניו נראה כי זה שולל תיבות סיכוך ביישומים רבים, אך לאמיתו של דבר אין זה המצב. הסיבה היא שמתכת התיבה דקה למדי, מ- 0.15 עד 0.3 מילימטרים, תלוי בדגם ובגודל התיבה הספציפית. דקיקות זו מהווה רק מחסום קטן לזרימת החום בהולכה מתוך התיבה כלפי חוץ. לאחר שהחום הועבר אל פני השטח החיצוניים, ניתן להעבירו באמצעות קונבקציה חופשית או עם אוויר-מאולץ או באמצעים אחרים.

מבחינה זו, תיבת מתכת דקה הרבה יותר טובה מבחינה תרמית מאשר מארז מסוכך העשוי מחומר לוח מעגלים מודפסים FR-4 נפוץ, המהווה מחסום עכבה-תרמית גבוהה יותר בהרבה עם מוליכות שבין 1 ל- 3 וואט/מטר-קלווין (W/m-K‏) ובעובי סטנדרטי של 1.6 מילימטרים. השוו נתון זה למוליכות של ניקל-כסף, שהיא גבוהה יותר פי 1,000 בערך, והוא גם דק הרבה יותר (שוב, 0.15 עד 0.3 מילימטרים בלבד). מודל תרמי בסיסי יכול לכמת את ההשפעה של תיבת המתכת הדקה על הקירור. כמו כן, כמעט בכל המקרים, מקובל לבצע את הטכניקה הסטנדרטית של שימוש בנחושת לוח המעגלים שבבסיסו, עם המוליכות התרמית הגבוהה שלה, כדי לסלק כמות משמעותית של חום מהרכיבים המותקנים.

אחד הפתרונות בפועל לשיפור הקונבקציה התרמית באמצעות תיבות סיכוך הוא לקדוח חורים במשטח התיבה. עם זאת, זה מוסיף מערך חדש של בעיות. החורים צריכים להיות קטנים מספיק ומרווחים מספיק רחוק זה מזה כדי שלא יאפשרו זליגת RF. מכיוון שהקוטר והמרווח המקסימליים המותרים הם פונקציה של אורך הגל, הנחייה טיפוסית מסדר-ראשון היא שכל הפתחים צריכים להיות לא יותר מעשירית אורך הגל הקצר שמפניו מסככים.

עם זאת, ההחלטה על אורך הגל הקריטי ומכאן גודל החור אינה תמיד קלה או ברורה מאחר ואנרגיית ה- RF הפוגעת עשויה להיות בתדרים גבוהים יותר (ולכן באורך גל קצר יותר) מאשר תדר הפעולה או הגל הנושא בפועל של המוצר. הביאו בחשבון שאות פוגע בתדר של ג'יגה-הרץ יכול לגרום לעומס-יתר ולרווית-יתר של מגבר קצה-קדמי סמוך בתדר מגה-הרץ. לפיכך, גודל החור המקסימלי המותר חייב להיות קטן בהרבה ממה שמכתיב ניתוח פשוט באיטרציה-ראשונה של תדר הפעולה של המוצר.

זכרו כי בנוסף להבטחת ביצועי המעגל, מטרה נוספת של תיבת ומהדקי הסיכוך עשויה להיות לספק ניחות RF בתחום תדרים רחב כדי לעמוד בדרישות הרגולציה עבור המוצר. סטנדרטים רגולטוריים הקשורים ל- EMC מגדירים את ה- RFI/EMI המקסימלי שמוצר יכול ליצור באזורים השונים של ספקטרום ה- RF, כמו גם את הרגישות המותרת של המוצר כקורבן EMI/RFI, ללא קשר לתדר הפעולה הנומינלי.

לכן, הסיכוך חייב לעשות לעתים קרובות יותר מאשר רק להבטיח ביצועים בתדר הפעולה הברור, אך במקום זאת ייתכן שיהיה עליו גם להנחית את כל ספקטרום ה- EM הרחב יותר. השימוש בחורי קירור בממדים המתאימים רק עבור תדר הפעולה הנומינלי יכול להקטין את הניחות המושג באורכי הגל הקצרים יותר ועלול להשפיע על ההרשאה הרגולטורית.

סיכום

תאימות אלקטרומגנטית וסוגיות של RFI/EMI משפיעות על כמעט כל המוצרים והיישומים האלקטרוניים, והשימוש הגובר בקישורים אלחוטיים לצד תדרים גבוהים יותר הופך את התכנון למאתגר יותר. הפתרון לבעיות רבות עקב EMI/RFI מוקרן כולל לעתים קרובות סיכוך RF בסיסי באמצעות תיבת מתכת כדי להקיף במלואם את המעגלים המושפעים.

תיבות אלו זמינות כפריטים סטנדרטיים במגוון רחב של גדלים, לצד מבחר של מהדקי מעגלים מודפסים בתצורות שונות המאפשרים הצמדה או הסרה של התיבות מלוח המעגלים בקלות. מהדקים אלו גם תואמים במלואם לציוד המשמש עבור תחיבה והלחמה של רכיבים במארזי SMT בסביבות של ייצור בנפח-גדול.