エレクトロニクス向けCNC加工熱管理とEMI設計ガイド

著者イーセン・プレシジョン、シニア・プロセス・エンジニア、エリック・リン

エリック・リンは、家電、電気通信、半導体の顧客向けに、電子機器の筐体、ヒートシンク、RFシールド部品など、11年にわたるCNCプロセスエンジニアリングの経験を持つ。.

製品にCNC加工部品を指定するエレクトロニクス設計エンジニアにとって、最も高価なDFMの間違いは、実際には熱と電磁気の問題であるにもかかわらず、筐体を構造上の問題として扱うことです。寸法公差±0.05mmを達成したアルミニウム製筐体が、内部のプロセッサスタックに十分な熱伝導性を提供できない場合、設計のやり直しを余儀なくされ、金型の手直しやプロトタイプの繰り返しで$8,000～$25,000のコストがかかります。寸法公差は厳しいが材料伝導性が不十分なEMIシールド筐体。化学変換コーティング（アロジン）と5052-H32が必要なのに、エンジニアが6061-T6を指定したため、最初のEMCテストでFCC Part 15のプリ・コンプライアンスに不合格となった。.

選択した材料の熱伝導率は、単なる材料特性ではなく、機能要件であること、EMIシールドの表面伝導率は、エンクロージャーが指定されたシールド効果を提供するかどうかを決定すること、および嵌合面とガスケットの溝の寸法公差は、シールとEMIガスケットの圧縮の両方に直接影響し、環境とEMCコンプライアンスに同時に影響することです。.

このガイドでは、熱管理とEMIシールドのための材料選択、エレクトロニクスCNC部品の公差要件、表面処理のオプションとその電気的および熱的影響、最も一般的なエレクトロニクスエンクロージャの不具合を防止するDFMルールについて説明します。.

素材の選択熱伝導率 vs 遮蔽効果 vs コスト

ワイセン・プレシジョンでは CNC加工サービス は、アルミニウム、真鍮、銅の材料固有のパラメータ・セットも提供しています。また、当社の表面仕上げパートナーを通じて、アロジン（化成皮膜処理）とアルマイト処理（アルミ筐体のEMI準拠のための重要なステップ）も提供しています。.

熱管理：CNC加工におけるヒートシンクDFMルール

CNC機械加工ヒートシンクは、アルミ押出形材では熱抵抗の要件を満たせない場合や、形状（取り付けボス、側壁の特徴、一体型スプレッダプレート）に機械加工能力が必要な場合に指定されます。機械加工ヒートシンクの主要な熱性能要因は、CNC機械加工形状規則によって制約されるフィン形状（フィンの高さ、厚さ、間隔、ベース厚さ）です。.

EMIシールド：CNCエンクロージャーのシールド効果を決定するもの

機械加工された金属筐体のシールド効果（SE）は、材料の導電率、継ぎ目の完全性（隙間、スロット、カバーの界面）、開口部のサイズ（通気孔、ケーブル貫通部）の3つの要因によって決まります。よく加工されたアルミ・エンクロージャーで最も一般的なEMI障害は、材料ではなく、加工されたボディと蓋の間の継ぎ目、またはケーブルの入り口における隙間です。.

1.シームとカバーのインターフェース設計

単純なフラット・トゥ・フラットのインターフェイスを持つ機械加工カバーは、GHz周波数では実質的にゼロEMIシールドとなります。ボルト締めアルミニウム・エンクロージャーで60dB以上のシールド効果を得るには、インターフェイスは、(a)適切な公差の溝に導電性エラストマーEMIガスケット（ガスケット圧縮20-30%導電性）を使用するか、(b)電気的不連続をなくすために非常に厳しい平面度公差（±0.01mm）のナイフエッジ設計を使用する必要があります。.

2.化成処理（アロジン）対EMI陽極酸化処理

アルマイト処理（タイプII）は、厚さ12～25μmの非導電性の酸化アルミニウム層を形成し、電気絶縁性を示します。ボルトオンカバーのアルマイト筐体は、継ぎ目で電気的導通がなく、シールド効果は最小限です。化成処理（アロジン／MIL-DTL-5541）により、導電性酸化皮膜が1µm以下の厚さで形成され、シーム界面での電気的導通が維持されます。EMIクリティカルなアルミ筐体には、陽極酸化処理ではなく、アロジン（クリアまたはゴールド）が適切な表面処理です。アルマイト処理は、非嵌合化粧品表面にも使用できます。.

3.開口部のコントロール通気孔とケーブル貫通部

エンクロージャーのシールド効果は、その最大の開口部によって制限される。長さLのスロットまたは穴は、SE = 20log₁₀(λ/2L) dBのシールド効果を提供する。1 GHz (λ = 300 mm)では、10 mmの換気スロットはSE = 20log₁₀(150/10) = 23.5 dBを提供し、うまく設計された100 dBエンクロージャを厳しく制限する。通気孔アレイは、懸念される最高周波数で個々の開口部がλ/20以下になるようなサイズと配置にする必要がある。.

電子機器用CNCエンクロージャーの公差要件

エレクトロニクスCNC部品の表面処理選択

よくある質問

CNC機械加工による電子機器筐体に最適なアルミ合金は何ですか？

6061-T6は一般的な電子機器筐体用で、優れた加工性、良好な熱伝導性（167W/m・K）、EMI用途向けの良好なアロジン反応性を備えています。5052-H32は、合金含有量が低いためアロジン接着性が良く、シーム界面での電気的導通が安定しているため、EMIが重要な用途に好まれます。海洋や苛酷な環境の電子機器には、6061アロジンによるEMIの影響を受けることなく、6061よりも優れた耐食性を持つ5052が適しています。電子機器筐体には7075を避けてください。タイプIIIの硬質アルマイトの可能性は、EMI用途では無駄になります。.

EMIシールド用途でアルマイト処理が失敗するのはなぜか？

タイプⅡの陽極酸化処理では、厚さ12～25µmの酸化アルミニウム層が形成されます。酸化アルミニウムは電気絶縁体です。アルマイト処理された蓋をアルマイト処理された本体にボルトで固定すると、酸化皮膜が界面での電気的導通を妨げ、継ぎ目を電気的不連続面にしてしまい、継ぎ目のギャップ周波数でスロットアンテナとして動作します。EMIガスケットをアルマイト表面に圧着した場合も同じ問題があります。絶縁酸化物がガスケットと筐体との接地接触を妨げます。化成処理（アロジン）は、電気的導通を維持する厚さ1μm未満の導電性酸化物を生成し、EMIエンクロージャーの合わせ面に適した処理です。.

CNC加工されたEMIガスケットの溝にはどのような公差が必要ですか？

EMIガスケットの溝の深さは、ガスケットの断面直径の20～30%の範囲でガスケットの圧縮を制御するように許容されなければならない。直径2.5mmの導電性エラストマーガスケットの場合、溝の深さは2.0～2.2mmとする（蓋をボルトで固定したときに8～20%の圧縮を与える）。溝の深さの公差：±0.05mm。溝幅はガスケット直径の1.1～1.2倍（2.5mmのガスケットでは2.75～3.0mm）、公差は±0.05mmとする。過圧縮はガスケットを永久的に損傷させ、時間の経過とともに電気的接触抵抗を低下させる。過少圧縮は、安定した電気的導通のために不十分な嵌合圧を与える。.

最高のEMIシールド効果を発揮するCNC素材は？

銅（C110、100% IACS電気伝導度）は、1GHzで〜130dBと最も高い固有シールド効果を提供しますが、加工コストはアルミより4〜5倍高くなります。ほとんどの商業用電子機器用途では、アロジン処理したアルミ6061または5052で95～100dBのシールド効果があり、十分すぎるほどです。実際のEMI性能の制限要因は、ほとんどの場合、材料の導電性よりも開口部の制御（通気孔、ケーブルエントリー、シームギャップ）です。エキゾチックな高導電性材料を指定する前に、まず開口部の形状に対処してください。.

結論エレクトロニクスCNC加工は熱と電気の問題である

• 相手側界面またはEMIガスケットで電気的導通を維持する必要があるアルミ表面には、アルマイト（絶縁性）ではなく、アロジン（導電性）を使用する。
• EMIシールド効果は、適切に処理されたアルミ筐体では、材料ではなく開口部（スロット、穴、継ぎ目の隙間）によって制限される
• PCBボスの高さ公差（±0.05 mm）と取り付け面の平坦度（±0.02 mm）は、電子機器筐体の機械的故障の最も一般的な原因です。

Yicen Precisionは、電子機器筐体、ヒートシンク、アロジン表面仕上げ付きEMIハウジングのCNC加工を提供します。図面を提出する yicenprecision.com.