EMI制御とEMC準拠のためのPCBシールド技術

PCB シールドとは何ですか?

現代の電子機器はますます複雑かつコンパクトになり、電磁干渉 (EMI) と電磁両立性 (EMC) は PCB 設計において重要な考慮事項となっています。動作周波数の増加とコンポーネントの統合の強化により、電子機器の機能性とコンプライアンスを確保するには電磁放射の管理が不可欠になっています。PCB シールドは、敏感な回路を外部干渉から保護するだけでなく、PCB 自体によって生成される放射を抑制するためにも重要な方法です。

この記事では、シールド材料の種類、EMI を軽減するために使用される設計方法、関連する業界標準、効果的なシールドを実現するための精密 PCB 製造の重要性など、PCB シールドの技術的な側面について説明します。

EMIとEMCを理解する

電磁干渉 (EMI) とは、電子機器のパフォーマンスに影響を与える望ましくない電磁エネルギーのことです。EMI には 2 つの形態があります。

1. 放射EMI: 発生源から放射された電磁波は空気中を伝わり、近くのシステムに干渉します。
2. 伝導性EMI: 電気ノイズは電源ラインや信号ラインを介して伝わり、回路に直接影響を及ぼします。

一方、電磁両立性 (EMC) とは、EMI を発生させたり、EMI の影響を受けたりすることなく、その環境でデバイスが動作する能力を指します。これは、医療機器や航空宇宙システムなどの敏感な機器の正しい動作を確保し、情報技術機器の CISPR 32 や米国の商用電子機器の FCC Part 15 などの世界的な規制に準拠するために不可欠です。

PCB設計におけるEMIの発生源

PCB 上の EMI の主な発生源は次のとおりです。

• 高周波クロック信号これらの信号は強力な電磁場を発生させ、近くの回路に干渉する可能性があります。
• スイッチング電源: 急速なスイッチングにより高周波ノイズが発生します。
• 長いトレース長: 適切に終端または配線されていないトレースはアンテナとして機能し、EMI を放射する可能性があります。
• 入出力インターフェース: PCB に接続された外部ケーブルは EMI を拾ったり放射したりして、意図しないアンテナになる可能性があります。

100 MHz を超える高速設計では、信号劣化と EMI 生成を最小限に抑えるために、差動ペアのルーティングとインピーダンス制御が重要になります。リターン パスの管理と信号ループ領域の最小化には特に注意する必要があります。

EMCを考慮したPCBの設計

適切に設計されたPCBは、 EMI 改善する EMC コンプライアンス。いくつかの重要な設計戦略を次に示します。

1. グランドプレーンとレイヤリング: 多層 PCB で連続したグランド プレーンを使用すると、信号の低インピーダンス リターン パスが提供され、ループ インダクタンスが低減し、放射が最小限に抑えられます。グランド プレーンは、敏感な信号層のシールドとしても機能し、クロストークを減らして信号の整合性を向上させます。多層ボードを設計する場合、シールド効果を高めるために、電源層とグランド層を交互に配置し、その間に信号層を挟むことが重要です。
2. トレースレイアウトとルーティング: EMI を低減するには、適切なトレース ルーティングが不可欠です。高速信号トレースは、アンテナとして動作しないように、できるだけ短くする必要があります。また、トレースは、ループ領域を減らし、戻り電流が最短経路をたどるように、ソリッド グラウンド プレーン上にルーティングする必要があります。クロック ラインなどの重要な信号の場合、差動ルーティングを使用してコモン モード ノイズをキャンセルできます。
3. 配置経由: PCB レイヤー間で高速信号を遷移するビアは、反射や EMI 放射の原因となる不要なスタブ長が発生しないように慎重に配置する必要があります。信号ビアの近くにグランド ビアを配置すると、信号の整合性が維持され、放射要素が作成されるリスクが軽減されます。
4. デカップリングおよびバイパスコンデンサ: デカップリング コンデンサを適切に使用することは、伝導 EMI の低減に不可欠です。コンデンサは、高周波で低インピーダンスのグランド パスを提供するために、IC の電源ピンにできるだけ近づけて配置する必要があります。高周波設計では、共振周波数に基づいてコンデンサの値を選択し、必要な周波数範囲で効果的なノイズ抑制を確保する必要があります。

PCBシールドの種類

EMI シールドを備えた PCB を設計する場合、いくつかの異なるアプローチを取ることができます。

1. 金属筐体（ファラデーケージ）: 回路の敏感な部分の周囲に完全に密閉されたファラデー ケージを使用するのは、最も効果的なシールド技術の 1 つです。通常、銅、ニッケル、またはアルミニウムで作られた金属シールドは、PCB のグランドに直接はんだ付けされ、重要なコンポーネントを覆います。この方法は、放射性 EMI と伝導性 EMI の両方に対して優れた保護を提供します。欠点は、シールドによって重量が増加し、テストや修理のためにコンポーネントにアクセスできなくなることです。
2. 埋め込みグランド層: 多層 PCB では、信号層間にグランド プレーンを追加すると、シールドとして効果的に機能し、クロストークを減らし、高速信号を電源回路から分離できます。この方法は、スペースが限られていて従来のシールドが実現できない HDI (高密度相互接続) 設計で特に役立ちます。
3. 導電性ガスケット: 筐体内のシールドには、導電性ガスケットを使用して、機械的な柔軟性を保ちながら金属シールド コンポーネント間の電気的連続性を維持することができます。これは、RF システムなど、空気の流れや熱管理が必要な設計で特に役立ちます。
4. フェライトビーズとフィルター: フェライト ビーズは、高周波ノイズを減衰させるために PCB シールドと組み合わせて使用​​されるのが一般的です。これらのコンポーネントは、電力線または信号トレース上に配置して、高周波 EMI をブロックしながら低周波信号を通過させます。これらは、特に電力分配ネットワークにおける伝導 EMI の管理に不可欠なツールです。

遮蔽材料とその特性

PCB シールドの材質の選択は、周波数範囲とブロックする EMI の性質によって異なります。材質によって導電性と透磁率のレベルが異なり、それがさまざまな周波数での有効性に影響します。

• 銅: 優れた電気伝導性を備えているため、低周波シールドに最適です。銅は、PCB 設計のグランド プレーンや金属缶によく使用されます。
• アルミ: 軽量でコスト効率に優れたアルミニウムは、中周波数範囲で優れた EMI シールドを提供します。
• ニッケルおよびニッケル合金これらの材料は高い透磁率を備えているため、高周波信号の遮蔽や電磁放射の抑制に最適です。ニッケル合金は、航空宇宙や軍事用電子機器などの高性能アプリケーションでよく使用されます。
• フェライトフェライトは、高い透磁率を持つセラミック材料で、特に高周波ノイズの抑制に効果的です。フェライトビーズやコアの形でよく使用されます。

シールド効果の定量化

シールド効果は、入射電磁場とシールドを通過する電磁場の比率を表すデシベル (dB) で測定されることがよくあります。dB 値が高いほど、シールド性能が優れていることを示します。たとえば、一般的な PCB シールドは、60 MHz から 100 GHz の周波数で 100 から 1 dB の範囲で減衰します。シールドの効果は、いくつかの要因によって左右されます。

• 遮蔽材の厚さ: 一般的に、材料が厚いほど減衰効果は高くなります。
• シールドの連続性: シールドに隙間や開口部（コネクタ、換気など）があると、シールドの効果が大幅に低下する可能性があります。
• 接地品質: シールドが EMI をブロックするのではなく放射するアンテナにならないようにするには、シールドを適切に接地することが重要です。

結論

PCB シールドは、特にデバイスが小型化され、より高い周波数で動作し続ける現代の電子機器設計において不可欠な手法です。金属筐体の使用、埋め込み接地層、慎重な PCB レイアウトなどの適切なシールド技術は、電磁干渉を最小限に抑え、EMC 規格に準拠するための鍵となります。シールド材料の選択と設計内での配置は、最終製品のパフォーマンスと信頼性に劇的な影響を与える可能性があります。

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