プリント基板のRFシールド：方法、材料、および接地

RFシールドとは、導電性バリア、シールド缶、スパッタリングコーティング、または接地されたビアの壁を用いて、回路の電磁エネルギーを封じ込めたり、外部電界を遮断したりする技術です。RFシールドは、RFを反射・吸収する接地されたファラデーケージを形成することで機能します。その効果は、接地の適切さと開口部の小ささに大きく左右されます。このガイドでは、シールドの仕組み、主な方法（基板レベルのシールド缶、コンフォーマルシールド、オンボード技術）、シールドの適切な接地方法、および材料の選び方について説明します。

RFシールドとは何ですか？

RFシールドは、電磁エネルギー源とそれ以外のものとの間に導電性の障壁を設けるものです。これは、互いに補完し合う2つの目的を果たします。

• 封じ込め。 無線送信機や高速クロックなどのノイズの多い回路からの電磁波が外部に漏れ出し、他の部品に悪影響を与えるのを防ぐ。
• 保護。 外部電磁界が、低ノイズ受信機や高精度アナログ回路などの高感度回路に到達するのを防ぎます。

シールドは、電磁両立性というより広範な目標におけるツールの一つであり、どちらの方向においても、優れたレイアウトを補完するものであり、代替するものではありません。また、高速動作や高周波動作を目的とした基板のRF（無線）セクション周辺に最もよく適用されます。

RFシールドの仕組み

シールドは、ファラデーケージを形成することによって機能します。ファラデーケージとは、入射する電磁エネルギーを反射および吸収する連続した導電性表面のことです。

反射、吸収、および皮膚の深さ

電磁波が導体に当たると、一部は反射され、一部は透過する際に吸収されます。無線周波数では、電流はごく薄い表面層（表皮効果）のみを流れるため、表面が連続的で導電性であれば、薄い金属でも電界を効果的に遮断します。シールドが電界をどれだけ低減するかは、その遮蔽効果で表され、通常はデシベルで示されます。

なぜ継続性が最も重要なのか

エネルギーが漏れる経路があってはならないため、連続性は極めて重要です。完全に導電性のある箱は理想的なシールドですが、実際のシールドには継ぎ目、開口部、接地接続部があり、そこで性能が左右されます。このガイドの残りの部分は、主に連続性と接地を維持すること、つまり実際のシールドを理想的なものに近づける2つの要素について解説します。

PCBシールド缶（基板レベルシールド）

最も一般的なプリント基板シールドは、基板の一部に半田付けされた小さな金属製の缶である。

缶は、保護回路を囲むグランドプレーンに接続されたパッドのリングであるグランドリングにはんだ付けされ、保護回路の上に接地されたボックスを形成します。蓋は取り外して再加工や調整ができる一方、フレームははんだ付けされたままなので、2ピース構造が一般的です。グランドリングと缶の取り付け用のフットプリントはレイアウト時に追加され、PCBアセンブリ時に配置されるため、缶は後からボルトで固定するのではなく、設計段階で計画しておく必要があります。

モジュール用コンフォーマルシールド

缶型容器の代替案としては、パッケージ化されたモジュールに直接薄い導電層を塗布する方法がある。

コンフォーマルシールドとは、成形されたパッケージやモジュールにスパッタリングまたはスプレー法で塗布される導電性コーティングで、内部のグランドに接続されます。パッケージの形状に沿って密着し、高さもほとんど増えないため、金属製の筐体では大きすぎる小型モジュールやシステムインパッケージデバイスでよく用いられます。

トレードオフとして、コンフォーマルシールドは基板上に後付けされるものではなく、部品に適用されるパッケージングレベルのプロセスです。独自のレイアウトの一部を基板レベルでシールドするには、缶型シールドや基板上の技術が現実的な選択肢となります。コンフォーマルシールドは、多くの場合、購入する部品の機能として備わっています。

オンボードRFシールド（フェンスおよびガードトレース経由）

筐体を取り付ける前に、銅自体に十分な遮蔽機能が組み込まれている。

• フェンス（縫い目）を介して。 接地されたビアが密に並んだ列は、電磁界を遮断する壁を形成し、RF配線周辺や基板端部に沿って使用される。
• 地面に流し込む。 未使用領域を接地された銅で埋め、ビアでプレーンに接続することで、局所的なシールド面が形成される。
• ガードの痕跡。 接地された配線を敏感な送電線のそばに配置することで、その送電線を周囲の送電線から隔離するのに役立つ。

ビアフェンスは特に効果的です。RF配線の周囲に接地されたビアを柵状に並べることで、基板内に効果的なシールドチャネルを構築できます。ビアの間隔を波長に対して狭くすることで、電界に対して連続した壁を維持できます。これらの技術は、インピーダンス制御や、低損失基板および高周波設計に使用される材料と自然に組み合わせることができます。

RFシールド方法の比較

3種類の遮蔽材はそれぞれ異なるニーズに対応しており、多くの製品はこれらの組み合わせを採用している。

オンボード技術はコストがほとんどかからず、第一の防御線となるべきです。シールド缶は、それだけでは不十分な場合に強力な局所ファラデー効果をもたらします。コンフォーマルコーティングは、主にプレシールドモジュールの特徴です。一般的なパターンは、ビアフェンスとグランドプレーンをベースラインとして使用し、RFフロントエンドの上に2ピースの缶を追加してチューニングできるようにすることです。これを早期に決定することで、組み立て時のフットプリントと組み立て手順が簡素化され、高周波RFレイアウトレビューによってこのアプローチが正しいことが確認されます。

RFシールドを接地する方法

これは、遮蔽がそもそも機能するかどうかを最も左右するステップです。

シールドは、低インピーダンス経路で基板のグランドに接続されなければならず、理想的には、その周囲に多数の接続点が必要です。連続したグランドリングにハンダ付けされた缶はこれを実現します。ビアフェンスは、全長にわたってグランドプレーンに接続されます。その理由は、シールドは遮断する電界によって誘起される電流を流すため、これらの電流が容易にグランドに戻る必要があるからです。

浮遊シールド、または一点のみで接地されたシールドは、効果がないだけでなく、共振して再放射する可能性があるため、全く接地しないよりも悪い場合があります。実用的なルールは単純です。シールドをしっかりと、そして頻繁に接地してください。グランドリング、ステッチング、プレーン接続を正しく行うことは、PCB製造時の基板設計の一部です。

開口部、継ぎ目、漏洩を遮蔽する

しっかりとした防護壁であっても、開口部から漏れが生じるため、開口部の管理は不可欠である。

• 開口部は小さく保つ。 漏洩量は、開口部の最大寸法と波長の比に依存します。小さな穴が多数ある場合、大きな穴が1つある場合よりも漏洩量ははるかに少なくなります。
• 縫い目にご注意ください。 蓋や継ぎ目に沿った隙間はスロットのように振る舞い、熱を放射する可能性があります。密着したガスケットや導電性ガスケットを使用することで、この問題を解決できます。
• スロットアンテナを監視。 細長い隙間は特定の周波数において効率的なアンテナとして機能する可能性があるため、途切れのない長いスロットは避けるべきである。

だからこそ、整然とした通気孔を備えたシールドは、大きな切り欠きが1つだけのシールドよりも優れた性能を発揮し、蓋との接触面や継ぎ目のデザインが重要になるのです。通常、弱点は金属ではなく開口部にあるため、開口部はシールド本体と同様に注意深く設計されるべきです。

RFシールド材

シールド用ハードウェアは、導電性、はんだ付け性、耐腐食性、およびコストに基づいて選定されます。

ほとんどの基板レベルのパッケージでは、ニッケルシルバーや錫メッキ鋼などのはんだ付け可能な合金が標準的に使用され、接触を維持するクリップやガスケットには弾力性のある材料が使用されます。これらの選択によってシールド特性が大きく変わることはほとんどなく、特定の合金よりも導電性と連続性が重要であるため、通常は製造性とコストによって決定されます。これらの選択は、設計レビューと同様に、事前の計画段階で行われます。

RFシールドは、シールド缶、コンフォーマルコーティング、銅製のビアフェンスなど、接地された導電性バリアによって電磁エネルギーを遮断または封じ込めます。適切に接地し、開口部を小さく保つことで、理想的なファラデーケージに近づきます。Highleap Electronicsと当社のRFおよび高周波技術に関する詳細は、こちらをご覧ください。

よくある質問

RFシールドとは何ですか？また、どのような効果がありますか？

RFシールドとは、回路からの電磁波を遮断したり、外部からの電磁界の侵入を防いだりする、接地された導電性バリアのことです。ファラデー効果によってRFエネルギーを反射・吸収する構造になっています。送信機や高速クロックなどのノイズ源の周囲、および受信機や高精度アナログ回路などの高感度回路の周囲で使用されます。

ボードレベルシールドとは何ですか？

これは、基板の一部に半田付けされ、グランドプレーンに接続されたグランドリングに取り付けられた小型の金属製筐体です。一体型（取り外し不可）または二体型があり、フレームは半田付けされ、クリップ式の蓋が付いているため、再加工や調整が可能です。筐体のサイズはレイアウト設計に組み込む必要があります。

ビアフェンスはどのようにして配線を遮蔽するのですか？

ビアフェンスとは、接地されたビアを密に並べた列で、導電性の壁を形成し、RF配線や基板の端に沿ってシールドチャネルを効果的に構築します。ビアの間隔を波長に対して密にすることで、壁が電界に対して連続性を保ち、エネルギーを閉じ込め、隣接するビアとの結合を低減します。

なぜシールドは接地しなければならないのですか？

シールドは、遮断した電磁界によって誘起された電流を流し、その電流は低インピーダンスで接地に戻る必要があります。多くの点で接地されたシールドは、これらの電流を無害に放電します。浮遊状態または一点接地されたシールドは共振して再放射する可能性があり、効果がない、あるいはシールドがないよりも悪い結果になることもあります。

シールドの小さな開口部は漏洩の原因になりますか？

漏洩量は、開口部の最大寸法と波長の比に依存するため、多数の小さな穴は、1つの大きな切り欠きよりもはるかに漏洩量が少なく、細長いスロットはアンテナとして機能する可能性があります。開口部は小さく保ち、長く途切れない隙間を避け、継ぎ目には蓋との密着性を高めるか、導電性ガスケットを使用してください。

コンフォーマルシールドとは何ですか？また、缶型シールドとはどう違うのですか？

コンフォーマルシールドとは、成形されたパッケージやモジュール上にスパッタリングまたはスプレーで塗布され、内部グランドに接続された薄い導電性コーティングのことです。高さはほとんど増えず、小型モジュールに適しています。缶とは異なり、コンポーネントに適用されるパッケージングレベルのプロセスであるため、基板の一部をシールドする場合は、缶またはビアフェンスが実用的な選択肢となります。

RFシールドにはどのような材料が使用されていますか？

缶本体には、ニッケルシルバーや錫メッキ鋼などのはんだ付け可能な合金が一般的に用いられ、耐久性が重要な箇所にはステンレス鋼が、バネ付きクリップやガスケットフィンガーにはベリリウム銅が用いられる。合金の種類よりも導電性と導通性が重要であるため、通常は製造のしやすさとコストが選択の決め手となる。

シールド缶は常に必要ですか？それとも、機体搭載の技術で十分ですか？

多くの場合、フェンス、グランドプレーン、ガードトレースなどの基板上の技術だけでRFを封じ込めたり隔離したりするのに十分であり、コストもほとんどかかりません。シールド缶は、高感度受信機やノイズの多い送信機など、レイアウトだけでは不十分な場合に、より強力な局所的な囲いを提供します。多くの設計では、銅をベースラインとして使用し、必要に応じてシールド缶を使用するなど、両方を組み合わせています。

RFシールドは、レイアウトの悪い基板を修正できるのか？

必ずしもそうとは限りません。シールドは、適切なレイアウトでは制御しきれないエネルギーを吸収しますが、大きな電流ループ、基準面の分割、コネクタの接続不良といった問題を解消することはできません。最も費用対効果の高い方法は、まず適切なレイアウト、確実な接地、小さなループ、インピーダンス制御を行い、残った問題をシールドで処理することです。

シールド缶は、再加工のためにどのように取り付け、取り外しますか？

一体型筐体は接地リングに半田付けされており、取り外すことは想定されていません。二体型筐体は、半田付けされたフレームと別体のクリップ式蓋で構成されています。蓋は点検や調整のために取り外すことができますが、フレームはそのままの位置に留まります。シールド部分への再加工を容易にするためには、最初から二体型設計を選択するのが実用的です。