Bewährte Verfahren für die EMV-Abschirmung von Leiterplatten: Wie man elektromagnetische Störungen minimiert

Einführung in das Thema

Angesichts der steigenden Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) (EMV) wird das Design von Leiterplatten (PCBs) immer komplexer. Die Abschirmung ist eine Schlüsseltechnik, um elektronische Bauteile vor elektromagnetischen Störungen (EMI) zu schützen. Dieser Artikel behandelt die wichtigsten Herausforderungen und bewährten Verfahren für die EMV-Abschirmung von Leiterplatten.

Der Elektronikmarkt befindet sich in einem dynamischen Wandel, und mit der zunehmenden Anzahl drahtloser Geräte und Unterhaltungselektronik wird die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu einem zentralen Designaspekt. Elektronische Geräte, von Smartphones bis hin zu fortschrittlichen Medizin- und Automobilsystemen, müssen strenge EMV-Normen erfüllen, um einen sicheren und effizienten Betrieb zu gewährleisten. Die rasante Entwicklung von Technologien wie 5G, dem Internet der Dinge (IoT) und tragbarer Elektronik trägt zu einer steigenden Anzahl von Geräten bei, die mit höheren Frequenzen arbeiten. Dies wiederum erhöht die Anfälligkeit für elektromagnetische Störungen (EMI).2023 wurde der globale Markt für elektromagnetische Abschirmung auf 7 Milliarden US-Dollar geschätzt, was die wachsende Bedeutung dieser Technologie unterstreicht. Bis 2030 wird ein weiteres Wachstum dieses Marktes um 50 % erwartet, getrieben durch die steigende Anzahl von Anwendungen, die EMV-Konformität erfordern. Unternehmen müssen in fortschrittliche Abschirmungstechniken investieren, um diese Anforderungen zu erfüllen. Unzureichende Abschirmung kann zu Kompatibilitätsproblemen mit Geräten führen und deren Leistung und Zuverlässigkeit beeinträchtigen.Geschichte und Ursprung des ProblemsProbleme im Zusammenhang mit elektromagnetischen Störungen (EMI) reichen bis in die Anfänge der Funktechnik im frühen 20. Jahrhundert zurück. Frühe Funkkommunikationssysteme waren besonders anfällig für Störungen durch andere elektromagnetische Strahlungsquellen. Mit dem Fortschritt der Elektronik und Telekommunikation erkannten Ingenieure, dass diese Störungen die Signalqualität und die Zuverlässigkeit von Geräten erheblich beeinträchtigen konnten. Es wurden bereits erste Schritte unternommen, um Systeme vor elektromagnetischen Störungen (EMI) zu schützen, vor allem durch geeignete Erdungs- und Signalisolationstechniken.In den 1970er-Jahren, mit dem rasanten Wachstum elektronischer Geräte, wurde das Problem der elektromagnetischen Störungen immer verbreiteter und gravierender. Unternehmen wie die Bell Laboratories begannen intensive Forschungen zu EMI-Schutzmethoden. Die Einführung der ersten EMV-Vorschriften, wie beispielsweise der MIL-STD-461-Standard für militärische Ausrüstung, zwang die Hersteller, ihre Geräte von vornherein mit einer Abschirmung zu entwickeln.In den 1980er- und 1990er-Jahren verstärkte die Entwicklung der Mikroprozessortechnologie und digitaler Geräte den Bedarf an EMV-Konformität zusätzlich. Fortschrittlichere Techniken wie der Faraday-Käfig und spezielle Abschirmmaterialien entstanden und fanden breite Anwendung in der Industrie. Seitdem ist die elektromagnetische Abschirmung zu einem Standardelement im Elektronikdesign geworden, insbesondere für Geräte, die mit hohen Frequenzen arbeiten.Techniken zur elektromagnetischen Abschirmung und zum Management elektromagnetischer Störungen sind heute integraler Bestandteil der Elektronikindustrie, insbesondere im Kontext der aufkommenden 5G- und IoT-Technologien sowie in der Automobilindustrie, wo autonome und elektrische Systeme immer häufiger eingesetzt werden.Wichtige Herausforderungen und ProblemeMiniaturisierung und DesignkomplexitätMit der zunehmenden Miniaturisierung elektronischer Geräte stehen Entwickler vor der Herausforderung, Komponenten effizient auf begrenztem Raum anzuordnen. Je kleiner die Leiterplatte, desto schwieriger ist es, einen angemessenen Abstand zwischen störungsauslösenden und empfindlichen Komponenten einzuhalten. Bei der Entwicklung von analogen, digitalen und Stromversorgungsschaltungen ist es besonders wichtig, gegenseitige Störungen zu vermeiden. Eine fehlerhafte Bauteilplatzierung kann zu Störungen führen, die die Stabilität des Geräts beeinträchtigen.

Masseflächenmanagement

Eine gleichmäßige, ununterbrochene Massefläche ist grundlegend für die Entwicklung von Leiterplatten, die immun gegen elektromagnetische Störungen sind. Die Massefläche spielt eine Schlüsselrolle bei der Absorption leitungsgebundener Störungen. Die Entwicklung mehrlagiger Leiterplatten, insbesondere für komplexe Geräte wie Mobiltelefone oder medizinische Geräte, kann jedoch zu Unterbrechungen in der Massefläche führen. Durchkontaktierungen können weitere Probleme mit leitungsgebundenen Störungen verursachen, wenn sie nicht korrekt platziert und geerdet sind.

Masseschleifen und leitungsgebundene Störungen

Masseschleifen sind ein häufiges Problem bei mehrlagigen Geräten. Sie entstehen, wenn verschiedene Bereiche der Leiterplatte unterschiedliche Massepotenziale aufweisen, was zu leitungsgebundenen Störungen führt. Signale, die durch diese Schleifen fließen, können Störungen zwischen Bauteilen verursachen. Um dieses Phänomen zu verhindern, müssen Entwickler die Erdung und Signalwege sorgfältig planen, um das Risiko solcher Schleifen zu minimieren.

Abschirmmaterial

Die Wahl des richtigen Abschirmmaterials spielt eine entscheidende Rolle für einen effektiven Schutz vor elektromagnetischen Störungen (EMI). Materialien wie Kupfer, Aluminium und Edelstahl weisen unterschiedliche Leitfähigkeits- und Störunterdrückungseigenschaften auf. Kupfer wird aufgrund seiner hervorragenden Leitfähigkeit am häufigsten verwendet, insbesondere bei Designs mit hohen Leistungsanforderungen. Edelstahl ist zwar kostengünstiger, bietet jedoch schlechtere Störunterdrückungseigenschaften und wird in weniger anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt. Die hohen Frequenzen, mit denen moderne Geräte arbeiten, erfordern den Einsatz fortschrittlicherer Materialien und Techniken, wie z. B. mehrlagiger Abschirmbeschichtungen.

Abgestrahlte Störungen

Abgestrahlte Störungen können kritische Komponenten wie Mikroprozessoren, Oszillatoren und Funkmodule durchdringen. Insbesondere bei IoT-Geräten, die häufig in Umgebungen mit hohen elektromagnetischen Störungen (EMI) arbeiten, ist es für Entwickler unerlässlich, geeignete Abschirmungs- und Signalisolationstechniken anzuwenden. Die hohen Betriebsfrequenzen solcher Geräte, die bis zu mehreren zehn GHz erreichen, machen Standardabschirmungstechniken unzureichend. In solchen Fällen sind der Einsatz spezieller Abschirmmaterialien und eine präzise Schaltungsentwicklung unerlässlich.

Bewährte Designpraktiken und -techniken

Entkopplung analoger und digitaler Signale

Einer der wichtigsten Aspekte des Leiterplattendesigns im Hinblick auf EMV ist die korrekte Trennung analoger und digitaler Signale. Digitale Signale, insbesondere hochfrequente, können Störungen in analoge Signalwege einleiten und so die Messgenauigkeit und Gerätestabilität beeinträchtigen. Daher wird empfohlen, analoge und digitale Bereiche nach Möglichkeit auf verschiedenen Lagen zu platzieren oder physisch auf der Leiterplatte zu trennen.

Korrekte Platzierung von Durchkontaktierungen

Durchkontaktierungen werden häufig in Multilayer-Designs verwendet. Eine unsachgemäße Platzierung kann jedoch zu leitungsgebundenen Störungen führen. Um dies zu vermeiden, sollten Durchkontaktierungen nicht in der Nähe empfindlicher Bauteile platziert und symmetrisch angeordnet werden, um Potenzialdifferenzen auf der Massefläche zu minimieren.

Verwendung von EMV-absorbierenden Materialien

EMV-absorbierende Materialien wie Ferritperlen und -folien können die von Bauteilen erzeugte elektromagnetische Strahlung deutlich reduzieren. Insbesondere in hochdichten Geräten mit begrenztem Platzangebot können diese Materialien dort eingesetzt werden, wo Standardabschirmungstechniken schwer umzusetzen sind.

Entwicklung niederohmiger Steckverbinder

Niederohmige Steckverbinder wie Koaxialsteckverbinder bieten einen wirksamen Schutz vor Störungen. Sie sind besonders wichtig für Hochfrequenzverbindungen, bei denen selbst geringe Impedanzunterschiede zu Signalreflexionen und Interferenzen führen können. Die Wahl des richtigen Steckverbindertyps und dessen präzise Platzierung können die EMV-Konformität des gesamten Systems deutlich verbessern.

Zusammenfassung

Das Leiterplattendesign für EMV erfordert einen umfassenden Ansatz, der sowohl die Materialauswahl als auch die Designtechniken berücksichtigt. Miniaturisierung, hohe Betriebsfrequenzen und die Komplexität moderner elektronischer Geräte machen die Einhaltung der EMV-Vorschriften zu einer immer größeren Herausforderung. Die Anwendung bewährter Verfahren wie Abschirmung, korrekte Platzierung von Durchkontaktierungen und Signalisolierung trägt dazu bei, das Risiko von Störungen zu minimieren und einen zuverlässigen und sicheren Gerätebetrieb zu gewährleisten.