L’importanza della schermatura

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La scelta del materiale più appropriato per la schermatura elettromagnetica richiede conoscenze di ingegneria elettronica e meccanica; l’approccio ai materiali e al loro impiego può essere un’operazione lunga e difficoltosa.

L'interferenza elettromagnetica e le relative procedure di schermatura erano inizialmente problemi che riguardavano solo i progettisti di elettronica industriale, telecomunicazioni e informatica. Oggi, con il rapido sviluppo e la diversificazione dell'elettronica di largo consumo, e con un numero sempre maggiore di circuiti complessi e delicati richiesti per offrire funzioni altamente sofisticate, anche i progettisti di prodotti consumer devono prestare più attenzione ai problemi di schermatura. Gli elettrodomestici alimentati a corrente alternata come televisori, lettori Dvd e console per videogiochi, tipicamente comprendono circuiti analogici e digitali molto ravvicinati, il che aumenta il rischio di problemi dovuti all'interferenza elettromagnetica. Circuiti e componenti elettronici digitali delicati, se non efficacemente schermati, possono subire l'influenza di segnali spuri provenienti da sorgenti esterne. In effetti, i campi emessi dai circuiti analogici possono influenzare non solo componenti sensibili all'interno dello stesso contenitore, ma anche parti di apparecchiature presenti nelle vicinanze. Spesso si trascura di comprendere l'interferenza elettromagnetica e di prendere le relative contromisure, ma si tratta di un aspetto molto importante nel progetto dei dispositivi elettronici di largo consumo. La scelta del materiale più appropriato per la schermatura elettromagnetica richiede conoscenze di ingegneria sia elettronica che meccanica. Forze di taglio, effetti ambientali, deformazione residua, metodo di applicazione e prezzatura sono alcuni dei principali fattori che influenzano la scelta del materiale di schermatura per una data applicazione. Per i tecnici di progetto che non hanno a che fare quotidianamente con la schermatura elettromagnetica, l'approccio ai materiali più recenti e al loro impiego può essere un'operazione lunga e difficile a meno di cercare aiuto presso costruttori e collaudatori specializzati.

Le esigenze operative del progettista
 
Negli ultimi anni, progressi significativi nella produzione di polimeri con l'aggiunta di particelle elettricamente conduttive da parte di società come Parker Chomerics consentono oggi di operare una scelta molto più diversificata nei materiali di schermatura elettromagnetica. La possibilità di scegliere all'interno di una grande varietà di materiali fa sì che i progettisti non debbano scendere a troppi compromessi di progetto e li rende certi che il materiale in grado di realizzare l'esatta funzione richiesta esista. D'altro canto, questa grande varietà può confondere i progettisti che hanno poca dimestichezza con la progettazione di schermature elettromagnetiche e con le metodologie di scelta dei materiali.
La maggior parte dei dispositivi elettronici di largo consumo comprendono diverse sezioni che necessitano di un qualche tipo di schermatura elettromagnetica. I progettisti devono tenere conto di parecchi fattori nella scelta del materiale migliore per la propria applicazione: tali fattori includono il grado di schermatura (attenuazione) richiesto (misurato in dB), considerazioni meccaniche come le forze di chiusura del sistema assemblato e l'aumento delle tolleranze, aspetti fisici (ad esempio il materiale può essere esposto a forze di taglio elevate o a forze di compressione), fattori ambientali come l'esposizione alla condensa e all'umidità, e possibilmente la resistenza alle temperature elevate e alle fiamme. Va inoltre considerata la facilità di fabbricazione e di montaggio: è questo il fattore più importante nelle produzioni di massa.

La scelta dei materiali

I materiali di schermatura si possono suddividere in diversi gruppi.

Elastomero stampato ed estruso - Un'impermeabilizzazione con proprietà schermanti può essere realizzata combinando un elastomero - in genere silicone - con un riempimento conduttivo come nichel o grafite. La dispersione uniforme del riempimento conduttivo all'interno dell'elastomero garantisce prestazioni fisiche ed elettriche costanti. Con questa mescola, è possibile ottenere praticamente qualsiasi forma finita. I processi che possono essere utilizzati comprendono stampaggio, estrusione e fustellatura. È anche possibile stampare il materiale direttamente su parti in plastica o in metallo. Ciò consente di ottenere un contenitore schermato compatto che semplifica il montaggio e riduce l'occupazione di spazio nel magazzino.
Sebbene vengano a volte utilizzati altri elastomeri, il silicone è il materiale solitamente scelto per via della sua capacità di essere compresso da forze di chiusura di piccola entità e della sua eccellente compressione residua in ampi intervalli di temperature. Un'efficacia schermante di 80 dB nella regione a da 100 MHz a 10 GHz può essere ottenuta utilizzando questi tipi di materiali. Grazie alle sezioni cave di cui sono costituiti, gli elastomeri conduttivi necessitano di forze di compressione ancora più basse e sono inoltre caratterizzati da intervalli di deformazione più ampi. Tali caratteristiche rendono questo materiale la soluzione ideale in applicazioni come l'impermeabilizzazione di porte, in cui è spesso difficile o poco pratico generare forze di chiusura elevate e dove potrebbero esserci dei significativi aumenti nelle tolleranze.

Guarnizioni in schiuma - Sviluppi più recenti hanno visto la nascita delle cosiddette guarnizioni in rotoli di schiuma. Questi materiali sono l'ideale per una schermatura economica di dispositivi realizzati in produzioni di massa. Impieghi tipici comprendono la schermatura e l'impermeabilizzazione di porte, coperture e piani di appoggio. Sono costituiti da una struttura in nylon, con rivestimento conduttivo in nichel, che ricopre un morbido nucleo di schiuma di uretano. È possibile ottenere un'efficacia schermante di circa 95 dB tra 20 MHz e 10 MHz, mentre le forze di chiusura richieste sono tipicamente inferiori a 0,175 N/mm. Queste basse forze di chiusura rendono le schermature in schiuma adatte in applicazioni in cui la deformazione dei componenti è problematica, ad esempio in contenitori di plastica con pareti sottili. Le guarnizioni con nuclei in schiuma non offrono la stessa versatilità di progetto delle controparti in elastomero modellato per quanto concerne i profili che si possono realizzare, ma sono comunque disponibili molti dei profili più comuni come rettangoli, forme a P, a C e a D, nonché fogli tagliati su misura. Un adesivo low-tack (a bassa aderenza) posto su un lato può aiutare a semplificare e migliorare la precisione e la ripetibilità del montaggio. Guarnizioni Emi in schiuma, multiplanari e con conducibilità lungo l'asse Z, sono una delle ultime innovazioni nella tecnologia di schermatura Emi in schiuma morbida. L'integrazione di fibre elettricamente conduttive in una schiuma a bassa densità fornisce una schermatura Emi altamente efficace e al contempo economica. Fabbricato in rotoli e facilmente applicabile a quadri di comando, backplane, connettori, panelli di accesso e guarnizioni a striscia quadra o rettangolare, questo materiale fornisce un'elevata conducibilità lungo l'asse Z con circuiti di terra estremamente brevi. Per dispositivi elettronici di largo consumo per ambienti interni, la scelta di guarnizioni Emi si riduce spesso ai tipi finger-stock o "tessuto su schiuma". La finger-stock è stata, fino a qualche tempo fa, la guarnizione più utilizzata, soprattutto nell'elettronica di fascia alta. È affidabile, comprovata e ampiamente disponibile. D'altro canto, il tessuto su schiuma sta diventando rapidamente la scelta preferita, grazie alla migliore aderenza del rivestimento, agli avanzamenti nella formula della schiuma, e alla realizzazione di versioni che ritardano la propagazione della fiamma. È anche più facile da maneggiare e meno soggetta a danni di montaggio o di utilizzo.

Guarnizioni metalliche - Pur essendo sul mercato da diversi anni, le guarnizioni metalliche vengono tuttora utilizzate in molte applicazioni, soprattutto in apparecchiature modulari in cui occorre estrarre o inserire periodicamente singoli circuiti.
Le guarnizioni finger-stock, in lega rame-berillio, combinano un elevato grado di schermatura elettromagnetica con un 'spring-finger wiping' e basse forze di chiusura. L'elevata resistenza alla trazione del materiale e la sua eccellente conducibilità elettrica lo rende la soluzione ideale per effettuare schermature su ampi intervalli di frequenze. Le strisce sono disponibili in un'ampia varietà di sezioni così da adattarsi alle diverse applicazioni. Per contatti di terra a bassa compressione, è possibile utilizzare singole dita con adesivi Psa (Pressure sensitive adhesive) per una corretta applicazione "stacca e attacca". Malgrado l'eccellente conducibilità elettrica, altri fattori come la dimensione e il numero dei finger della striscia metallica e la superficie di contatto in un sistema assemblato possono compromettere l'efficacia schermante a fine installazione. In questa eventualità, altri approcci che utilizzino ad esempio elastomeri conduttivi possono fornire una soluzione migliore. Per applicazioni non dinamiche che richiedono una buona schermatura ma non l'impermeabilizzazione, è possibile utilizzare altre guarnizioni metalliche come armature per circuiti stampati, schermi per pannelli e connettori e reti metalliche.

Guarnizioni combinate - Sono disponibili altri tipi di guarnizioni Emi che utilizzano una miscela di schiume non conduttive o elastomeri combinati con una rete o con una guarnizione metallica. Queste guarnizioni miste sono generalmente realizzate su misura. Altre guarnizioni di questa categoria comprendono fogli di silicone con conduttori orientati e reti impregnate con elastomero di neoprene o silicone. Sebbene offrano eccellenti proprietà di impermeabilizzazione e di schermatura elettromagnetica, esse tuttavia richiedono elevate forze di chiusura.

Plastica conduttiva - La plastica stampata a iniezione, con schermatura elettromagnetica incorporata, offre una soluzione elegante, versatile e facile da assemblare. Può essere utilizzata per realizzare contenitori di gruppi di circuiti stampati e consente di offrire caratteristiche a valore aggiunto come scomparti interni e fissaggi integrati. Rappresentando in molti casi una soluzione economica nelle produzioni di massa, la plastica conduttiva previene la necessità di operazioni secondarie, riduce il peso, e può abbattere i costi anche del 50% rispetto ai materiali ottenuti per pressofusione, lavorazione del metallo, estrusione o laminazione della plastica. I materiali di schermatura plastica Chomerics Premier usano ad esempio una miscela di policarbonato e Abs progettati per prestazioni elettriche, meccaniche e fisiche stabili. Utilizzando un processo proprietario, il materiale di base è riempito con lunghe fibre di carbonio con rivestimento in nichel; il processo garantisce una dispersione densa, un orientamento casuale e l'impiego totale delle fibre per ottenere prestazioni di schermatura ottimali.

Adesivi, inchiostri e rivestimenti - Questi materiali non sono adatti per grandi produzioni di massa a meno di usare un processo automatizzato per aumentare la produttività e migliorare la ripetibilità. Adesivi conduttivi sono tipicamente utilizzati per collegare altri materiali conduttivi come griglie di ventilazione Emi, finestre, guarnizioni a rete o per riempire crepe e giunzioni. Rivestimenti e inchiostri conduttivi possono fornire schermatura elettromagnetica, protezione antistatica, schermatura dall'effetto corona e messa a terra esterna, in un'ampia gamma di applicazioni. Possono essere applicati a superfici plastiche tramite verniciatura oppure, per produzioni di massa, utilizzando comuni apparecchiature di spruzzaggio.

Finestre conduttive - L'acciaio inox è spesso utilizzato per reticolati metallici in finestre schermate otticamente, combinando un'elevata trasmittanza luminosa con un alto schermaggio. Un numero inferiore di maglie e conduttori più sottili offrono una maggiore trasmittanza luminosa; un numero maggiore di maglie e conduttori più spessi offrono una migliore attenuazione Emi. Anche il rame può essere utilizzato e offre un'elevata efficienza di schermaggio a un costo più basso rispetto all'acciaio inox. Materiali plastici che utilizzano pellicole conduttive trasparenti come rivestimenti Ito (indio-stagno-ossido) o rivestimenti conduttivi multistrato offrono alcuni vantaggi significativi poiché combinano insieme un'elevata trasmittanza luminosa, una conduttività elettrica uniforme e un'eccellente stabilità ambientale. Inoltre, non è presente alcuna matrice di conduttori che possa interferire con il display, il che è uno dei problemi principali delle reti in acciaio inox e in rame sopra descritte. Tuttavia, il grado di schermaggio e l'uniformità dell'attenuazione non sono altrettanto buoni come in una rete.

Prove, certificazioni e standard

Le apparecchiature elettroniche di largo consumo sono soggette a prove che ricadono in un gran numero di standard internazionali. Le aree geografiche di mercato che principalmente guidano la creazione degli standard sono gli Stati Uniti, il Canada e l'Europa (marchio CE). Altri paesi di rilievo sono inoltre Giappone, Taiwan, Australia/Nuova Zelanda ecc. In questo contesto, i normali elettrodomestici e utensili di tipo elettrico non vengono considerati dispositivi elettronici di largo consumo. Tipicamente, più avanti si trova un prodotto nel suo processo di progettazione e sviluppo, più ampie, difficili e costose saranno le modifiche necessarie per correggere i problemi di conformità agli standard. Vi sono due diversi percorsi critici nei programmi di sicurezza e certificazione Emi/Emc. Nella certificazione Emi/Emc, i principali standard utilizzati nelle prove sui dispositivi elettronici di largo consumo riguardano le apparecchiature informatiche e i sistemi audio/video. La Fcc (Federal Communications Commission) parte 15 e l'ICES (Industry Canada Interference-Causing Equipment Standard) 003 regolamentano le emissioni irradiate e condotte per questo tipo di apparecchiatura rispettivamente negli Stati Uniti e nel Canada. In Europa, le emissioni irradiate e condotte sono regolamentate dalla norma EN55022 per le apparecchiature informatiche e dalla norma EN55013 per i ricevitori radiotelevisivi e dispositivi associati.
Il marchio CE in Europa regolamenta inoltre i requisiti di immunità per l'elettronica di largo consumo. I requisiti tecnologici delle apparecchiature informatiche ricadono nello standard EN55024. I ricevitori radiotelevisivi e dispositivi associati devono soddisfare ai requisiti di immunità della norma EN55020. Entrambi gli standard specificano livelli e procedure per la misura dell'immunità ad esempio tramite misure di carica elettrostatica, immunità ai disturbi irradiati, immunità alle interferenze transitorie condotte, immunità alle sovracorrenti, immunità alle radiofrequenze condotte, immunità ai campi magnetici e immunità alle fluttuazioni e ai cali di tensione. Esistono una serie di revisioni e di correzioni ad alcuni di questi standard. In Europa, vi sono altri due standard di collaudo per il controllo delle armoniche di corrente e del flicker. Gli standard per le armoniche di corrente EN61000-3-2 (IEC61000-3-2) e per il flicker (EN61000-3-3 e IEC61000-3-3) possiedono un'ampia applicabilità e sono inoltre richiesti nella marcatura CE. Nella certificazione Emi/Emc, il primo elemento nel percorso critico è una serie di prove sulle emissioni irradiate e condotte. Quando un dispositivo soddisfa tali requisiti, le altre prove vanno di solito automaticamente a buon fine, senza alcun problema o con problemi di minore entità. Queste raccomandazioni si riferiscono a dispositivi e/o sistemi che già esistono. Se un dispositivo è ancora in fase di progetto, è preferibile analizzare tutti i documenti relativi agli aspetti citati.
Per la conformità alla sicurezza, gli apparati elettronici di largo consumo sono soggetti ai requisiti della UL60950-1 (negli Stati Uniti) e allo standard CSA22.2 n. 60950-1 (in Canada) per quanto concerne le apparecchiature informatiche. Le apparecchiature audio/video sono invece soggetti ai requisiti della UL6500 (negli Stati Uniti) e al CSA C22.2 n°1 e al C22.2 n. 60065 (in Canada). In Europa, la EN60950-1 tratta le apparecchiature informatiche, mentre le apparecchiature audio/video rispettano i requisiti della EN60065 per la marcatura CE, che riguarda la direttiva sulla bassa tensione. In tutti i casi, gli standard analizzano la sicurezza di un prodotto dal punto di vista sia elettrico che meccanico.
Il primo elemento nel percorso critico di conformità alla sicurezza è un'analisi strutturale del progetto. Deve essere effettuata da un tecnico della sicurezza che abbia dimestichezza con gli standard e i requisiti del caso e dovrebbe riguardare principalmente i materiali utilizzati per realizzare il dispositivo e i componenti critici di sicurezza.

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