中心議題：
- PCB板級(jí)屏蔽腔設(shè)計(jì)
解決方案：
- 在腔體內(nèi)添加吸波材料
- 了解最終元件或產(chǎn)品的生產(chǎn)量
- 使用PCM的方法來(lái)制作屏蔽腔體
印刷電路板設(shè)計(jì)是影響許多電子產(chǎn)品功效的重要因素。生產(chǎn)出可靠的產(chǎn)品并成功占領(lǐng)市場(chǎng)，是對(duì)仔細(xì)考慮所有設(shè)計(jì)問(wèn)題的最大回報(bào)。選擇適當(dāng)?shù)陌寮?jí)屏蔽腔只是成功設(shè)計(jì)的一個(gè)方面，同時(shí)還應(yīng)仔細(xì)考慮如工作環(huán)境，待生產(chǎn)產(chǎn)品的總量，使用的安裝方法，計(jì)劃采用的測(cè)試和檢驗(yàn)方法，以及印刷電路板和元件的布局這些關(guān)鍵問(wèn)題。《電磁干擾與兼容》雜志就這個(gè)問(wèn)題請(qǐng)教美國(guó)最知名專家ALANWARNER先生做了解釋。
就像電源選擇一樣，經(jīng)常在設(shè)計(jì)過(guò)程的最后才決定是否選用射頻干擾屏蔽腔，這往往使得沒(méi)有足夠空間加入屏蔽腔，從而造成腔體在物理結(jié)構(gòu)上影響到設(shè)計(jì)的其他區(qū)域。
3DS——設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)，繪制
PCB板級(jí)屏蔽腔和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)可以歸結(jié)為三個(gè)關(guān)鍵步驟：設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和繪制。腔體用戶和腔體設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)間的積極交流和咨詢至關(guān)重要。應(yīng)該找這樣的腔體制造商，他能提供初始設(shè)計(jì)指南，使用建議，現(xiàn)場(chǎng)參觀，原型設(shè)計(jì)，樣品生產(chǎn)，涂料和厚度選擇，加工，組裝以及對(duì)節(jié)省成本的重新評(píng)估。要獲得產(chǎn)品的市場(chǎng)盈利必須要限制成本。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案以及顧客的意見(jiàn)可能能實(shí)現(xiàn)理想的目標(biāo)，即“用有限的成本取得想要的成果”。
形式選擇
當(dāng)選擇使用的腔體形式時(shí)，必須考慮多種因素。要屏蔽的究竟是什么？屏蔽干擾源的準(zhǔn)確性質(zhì)是什么？把腔體安裝在PCB板上以后，顧客是否還需要打開(kāi)腔體進(jìn)行修改，測(cè)試，檢查或調(diào)整？腔體是通過(guò)過(guò)孔安裝還是表面安裝？產(chǎn)品的預(yù)期產(chǎn)量有多大，這個(gè)產(chǎn)量是否與機(jī)器放置的成本相符？有哪些回路區(qū)域需要進(jìn)行屏蔽，或是與其它區(qū)域單獨(dú)分開(kāi)？這種應(yīng)用中應(yīng)該采用一個(gè)腔體還是多個(gè)腔體？最終產(chǎn)品是否要經(jīng)歷撞擊測(cè)試，振動(dòng)測(cè)試或包裝落摔測(cè)試？
屏蔽形式
對(duì)于某種特定的應(yīng)用，仔細(xì)考慮上述問(wèn)題有助于選擇最為適當(dāng)，經(jīng)濟(jì)的屏蔽形式。對(duì)于不同的應(yīng)用要求可以選擇不同的四面屏蔽腔。具有指狀彈簧蓋子的四面屏蔽腔在其四面都有圍欄，通過(guò)手焊，波峰焊或通孔再流焊將這些圍欄和PCB邊緣的系列管腳焊接就能把腔體焊在PCB板上。指狀彈簧蓋子經(jīng)常用于這種類型的腔體。
如果圍欄高度足夠容納指簧，那么指狀彈簧蓋子是可拆卸蓋子中的最佳選擇。指狀彈簧的尺寸，如標(biāo)準(zhǔn)的高度或者低剖面，能夠根據(jù)需求進(jìn)行生產(chǎn)。如果圍欄外沒(méi)有足夠的空間放置外部指簧，則應(yīng)選用內(nèi)部指簧。而且，對(duì)于在相反面具有相同形式的外部指簧和內(nèi)部指簧，則能混合使用。
具有指狀彈簧的表面安裝四面腔體是屏蔽腔的另一選擇。這種類型的腔體除了沒(méi)有固定管腳，其他與普通四面腔體相同。經(jīng)常采用縫焊將其沿著一段連續(xù)的走線焊接到PCB板上。當(dāng)判斷圍欄高度與指簧長(zhǎng)度關(guān)系時(shí)，設(shè)計(jì)者需將圍欄底部焊錫圓角厚度考慮在內(nèi)。
替代連續(xù)縫焊圍欄的另一方法是將PCB邊緣的圍欄做成有缺口。這種方法減少了將圍欄焊在PCB板上的焊料量，還為走線穿過(guò)圍欄邊界提供了間隙，而不需采用特定的走線間隙過(guò)孔或多層PCB板。如果采用機(jī)器安裝圍欄到PCB板上，需要采用貼裝技術(shù)。這可能需要結(jié)合使用沖壓形式的圍欄結(jié)構(gòu)（圖1）。
沖壓形式的圍欄結(jié)構(gòu)[page]
四面的PCB腔體還可采用平面折疊蓋子，如圖2所示。這種類型的蓋子生產(chǎn)成本更低，特別是在開(kāi)發(fā)階段。這種設(shè)計(jì)的唯一缺點(diǎn)是不能保證蓋子和圍欄的有效連接，除了采用蓋子固定貼條的地方。任何連接的缺口都會(huì)影響到腔體的電磁兼容性能。這種蓋子固定貼條可以是折疊型的也可以是纏繞型的，如圖2和圖3所示。這兩種類型的貼條都能用于蓋子5次以上的移動(dòng)和更換。
當(dāng)實(shí)際應(yīng)用需要圍欄和蓋子具有低剖面時(shí)，可以采用點(diǎn)扣蓋子。蓋子邊壁上的小塊插入了圍欄邊壁上的小縫。這種設(shè)計(jì)選擇能將圍欄高度降低到1.5mm。與選用貼條和縫隙蓋子一樣，這種設(shè)計(jì)也不能保證圍欄和蓋子的有效連接，除非用小塊扣牢位置。而且，壁上小塊越多，安裝蓋子后進(jìn)行必要修復(fù)或調(diào)整時(shí)拆卸蓋子就越困難。
有的設(shè)計(jì)者更喜歡用表面安裝生產(chǎn)線的貼裝設(shè)備將蓋子和圍欄合為整體。只有在重新加工腔體內(nèi)元件時(shí)才打開(kāi)蓋子。選擇這種設(shè)計(jì)意味著蓋子上必須留有陣列小孔，以便熱量能進(jìn)入腔體將內(nèi)部的電子元件焊接在PCB上，如圖4所示。不幸的是，這些小孔會(huì)將腔體的屏蔽性能降低20dB左右。
當(dāng)測(cè)試后才進(jìn)行腔體安裝，或PCB板的產(chǎn)量很大時(shí)，選擇五面腔體更節(jié)省成本。這種選擇能通過(guò)焊接管腳，點(diǎn)焊角或?qū)附菍?shí)現(xiàn)，也可通過(guò)熱回流孔完成加工安裝。迄今為止開(kāi)發(fā)五面腔體和進(jìn)行少量生產(chǎn)最省錢的方法是選用曲線加工五面腔體。如圖5所示，它是通過(guò)在平板上加標(biāo)識(shí)完成。當(dāng)將它們安裝在PCB板上時(shí)，用戶只需將其折疊成想要的形狀即可。
屏蔽材料
對(duì)于大多數(shù)射頻屏蔽，幾乎任何一種基底材料，如銅，黃銅，不銹鋼，鋁或鎳黃銅都能制作屏蔽體。將元件焊接到PCB板的安裝過(guò)程中，更多采用電鍍而不是鎳黃銅。傳統(tǒng)上曾采用光亮鍍錫，然而隨著RoHS指令關(guān)于有害物質(zhì)規(guī)定的執(zhí)行，PCB板生產(chǎn)線改為無(wú)鉛焊接，這種焊接的回流溫度等于甚至超過(guò)光亮錫的熔點(diǎn)。因此也改變了對(duì)鎳黃銅的使用。當(dāng)然也可選用鍍銀或鍍金加工，但是成本明顯過(guò)高。低頻時(shí)干擾一般是磁場(chǎng)影響，盡管有時(shí)會(huì)采用較厚的鋼板或磷青銅做成屏蔽腔，但更多的還是采用Mu金屬等特殊材料或射頻材料制作屏蔽腔。
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用金屬薄膜制做屏蔽腔的頻率限制一般是3～5GHz，如果超出這個(gè)頻率范圍有兩個(gè)效應(yīng)會(huì)限制屏蔽效能或其有效性。由于腔體和PCB板上電子元件間的分布電容作用，腔體金屬內(nèi)的任何微小移動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生顫噪效應(yīng)。在這個(gè)頻段，屏蔽體通常選用固體加工形式，從而克服了上述效應(yīng)。
可能在回路工作頻率的諧波頻率處，腔體的空腔成為波導(dǎo)的一部分，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生另一種高頻效應(yīng)。這種效應(yīng)導(dǎo)致腔體更像一個(gè)諧振腔而不是屏蔽體。能通過(guò)在腔體內(nèi)添加吸波材料或仔細(xì)選擇腔體尺寸避免這種效應(yīng)。
生產(chǎn)和組裝設(shè)計(jì)
腔體設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素是了解最終元件或產(chǎn)品的生產(chǎn)量。這個(gè)判斷會(huì)決定最后生產(chǎn)方法的選擇，在某種程度上也會(huì)決定屏蔽形式的選擇。正如上面討論過(guò)的圍欄-蓋子設(shè)計(jì)以及五面腔體，很明顯生產(chǎn)一個(gè)整體要比將兩塊合起來(lái)形成屏蔽體便宜很多。
選擇的生產(chǎn)方法也會(huì)影響到元件成本。例如，比較光化機(jī)（PCM）相對(duì)沖壓加工或兩種方法混合加工的成本。元件是手工安裝還是機(jī)器安裝？如果選用機(jī)器安裝，由于大多數(shù)機(jī)器采用真空吸頭吸起元件，則需要采用貼裝靶。雖然有的機(jī)器采用鉗子類型的系統(tǒng)抓起元件，但這種類型的機(jī)器并不常見(jiàn)。
對(duì)于機(jī)器安裝，PCB邊緣圍欄的共面性要求在0.1mm以上以保證在安裝或進(jìn)入回流爐時(shí)腔體處于焊膏上。
機(jī)器加工一般屏蔽材料
對(duì)于大多數(shù)射頻屏蔽，幾乎任何一種基底材料，如銅，黃銅，不銹鋼，鋁或鎳黃銅都能制作屏蔽體。將元件焊接到PCB板的安裝過(guò)程中，更多采用電鍍而不是鎳黃銅。傳統(tǒng)上曾采用光亮鍍錫，然而隨著RoHS指令關(guān)于有害物質(zhì)規(guī)定的執(zhí)行，PCB板生產(chǎn)線改為無(wú)鉛焊接，這種焊接的回流溫度等于甚至超過(guò)光亮錫的熔點(diǎn)。因此也改變了對(duì)鎳黃銅的使用。當(dāng)然也可選用鍍銀或鍍金加工，但是成本明顯過(guò)高。低頻時(shí)干擾一般是磁場(chǎng)影響，盡管有時(shí)會(huì)采用較厚的鋼板或磷青銅做成屏蔽腔，但更多的還是采用Mu金屬等特殊材料或射頻材料制作屏蔽腔。
用金屬薄膜制做屏蔽腔的頻率限制一般是3～5GHz，如果超出這個(gè)頻率范圍有兩個(gè)效應(yīng)會(huì)限制屏蔽效能或其有效性。由于腔體和PCB板上電子元件間的分布電容作用，腔體金屬內(nèi)的任何微小移動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生顫噪效應(yīng)。在這個(gè)頻段，屏蔽體通常選用固體加工形式，從而克服了上述效應(yīng)。
可能在回路工作頻率的諧波頻率處，腔體的空腔成為波導(dǎo)的一部分，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生另一種高頻效應(yīng)。這種效應(yīng)導(dǎo)致腔體更像一個(gè)諧振腔而不是屏蔽體。能通過(guò)在腔體內(nèi)添加吸波材料或仔細(xì)選擇腔體尺寸避免這種效應(yīng)。
生產(chǎn)和組裝設(shè)計(jì)
腔體設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素是了解最終元件或產(chǎn)品的生產(chǎn)量。這個(gè)判斷會(huì)決定最后生產(chǎn)方法的選擇，在某種程度上也會(huì)決定屏蔽形式的選擇。正如上面討論過(guò)的圍欄-蓋子設(shè)計(jì)以及五面腔體，很明顯生產(chǎn)一個(gè)整體要比將兩塊合起來(lái)形成屏蔽體便宜很多。
選擇的生產(chǎn)方法也會(huì)影響到元件成本。例如，比較光化機(jī)（PCM）相對(duì)沖壓加工或兩種方法混合加工的成本。元件是手工安裝還是機(jī)器安裝？如果選用機(jī)器安裝，由于大多數(shù)機(jī)器采用真空吸頭吸起元件，則需要采用貼裝靶。雖然有的機(jī)器采用鉗子類型的系統(tǒng)抓起元件，但這種類型的機(jī)器并不常見(jiàn)。
對(duì)于機(jī)器安裝，PCB邊緣圍欄的共面性要求在0.1mm以上以保證在安裝或進(jìn)入回流爐時(shí)腔體處于焊膏上。機(jī)器加工一般在返工之后，可以使用帶有指狀彈簧的蓋子，或者是焊接一個(gè)平的折疊封閉蓋子到PCB上，把暴露出來(lái)的區(qū)域重新閉合起來(lái)。這個(gè)方法可以避免最困難的工作：拆除整個(gè)屏蔽體（有可能造成PCB損壞）；也可以不用為了避免最麻煩的修理工作來(lái)拆除整個(gè)單元。
鑒于高容量產(chǎn)品不斷增加的復(fù)雜性和成本，以及環(huán)境指令（例如WEEE：報(bào)廢電子電氣設(shè)備指令）的實(shí)施，一個(gè)帶有穿孔的返工接觸區(qū)是一個(gè)值得認(rèn)真考慮的選擇。最后，如果有很多分開(kāi)的PCB區(qū)域必須與外部屏蔽，或者相互之間需要隔離，以避免串?dāng)_問(wèn)題，可以采用多模穴封平圈。
PCB板級(jí)屏蔽腔
元件制造方法
有很多種方法可以使用金屬制造屏蔽殼，包括光化機(jī)（PCM）、激光切割、沖壓，以及一些混合方法。選擇方法的時(shí)候主要是考慮屏蔽殼的技術(shù)需求，最終的產(chǎn)量，項(xiàng)目對(duì)器件價(jià)格的限制。
PCM實(shí)際上采用了和制造裸線路板的光化法同樣的流程，不同之處在于采用金屬片而不是鐵殼的絕緣體。這個(gè)過(guò)程包括制造一個(gè)平口成型產(chǎn)品。采用CAD后，要先進(jìn)行蝕刻和考慮彎曲余度，再采用兩種光工具（一種用于金屬的兩面）用于標(biāo)繪。兩種工具刻劃產(chǎn)品的外形的過(guò)程是一樣的。刻劃金屬一個(gè)側(cè)面的彎線，徽標(biāo)，連接或者孔縫細(xì)節(jié)，兩種工具采用的方法不同。金屬片要先預(yù)涂光阻膜，然后暴露在光工具的紫外光下。不需要的光阻膜會(huì)被去除，以便于蝕刻。
PCM有一些優(yōu)點(diǎn)，加工和工具修改花費(fèi)較低，整個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間較短。彎線可以被很精確的蝕刻出來(lái)，例如，135，90或者45度，如圖7。整個(gè)過(guò)程沒(méi)有毛邊和金屬應(yīng)力，磁和其他金屬特性不變。可以很方便的用于復(fù)雜的設(shè)計(jì)，產(chǎn)品有縫，軌道限界孔，徽標(biāo)和其他細(xì)節(jié)不會(huì)增加最后的費(fèi)用，這可以使設(shè)計(jì)者隨意設(shè)計(jì)他們想要的東西。
一個(gè)可以用來(lái)替換PCM的選擇是激光塑形。它用于規(guī)模生產(chǎn)小型金屬外殼時(shí)，價(jià)格并不便宜，彎線的精度也不高。但在處理很厚材料的大型屏蔽殼時(shí)很不錯(cuò)，例如19英寸的齒條罩。
紐扣和螺旋壓力機(jī)可以簡(jiǎn)單地單面塑形，但是多面同時(shí)塑形和金屬切割必須要用強(qiáng)力壓力機(jī)。小型壓力機(jī)可以用于手工操作一個(gè)成套沖模。大型壓力機(jī)采用機(jī)器操作，可以處理更大，多級(jí)的加工。
一個(gè)成套沖模由一對(duì)鉆孔機(jī)和底座組成，當(dāng)他們被壓在一起就會(huì)在材料上打一個(gè)洞，或者把材料壓制成想要的形狀。鉆孔機(jī)和底座可以移除，鉆孔機(jī)可以在沖擊過(guò)程中臨時(shí)附在沖擊工具的末端垂直上下運(yùn)動(dòng)。盡管屏蔽殼的材料相對(duì)較薄，仍然需要大壓力機(jī)。因?yàn)樯a(chǎn)電子產(chǎn)品的復(fù)雜結(jié)構(gòu)需要指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的壓力加工。這些加工需要大型機(jī)床以得到巨大的力量，這種一個(gè)可以用來(lái)替換PCM的選擇是激光塑形。它用于規(guī)模生產(chǎn)小型金屬外殼時(shí)，價(jià)格并不便宜，彎線的精度也不高。但在處理很厚材料的大型屏蔽殼時(shí)很不錯(cuò)，例如19英寸的齒條罩。[page]
紐扣和螺旋壓力機(jī)可以簡(jiǎn)單地單面塑形，但是多面同時(shí)塑形和金屬切割必須要用強(qiáng)力壓力機(jī)。小型壓力機(jī)可以用于手工操作一個(gè)成套沖模。大型壓力機(jī)采用機(jī)器操作，可以處理更大，多級(jí)的加工。
PCB板級(jí)屏蔽腔
一個(gè)成套沖模由一對(duì)鉆孔機(jī)和底座組成，當(dāng)他們被壓在一起就會(huì)在材料上打一個(gè)洞，或者把材料壓制成想要的形狀。鉆孔機(jī)和底座可以移除，鉆孔機(jī)可以在沖擊過(guò)程中臨時(shí)附在沖擊工具的末端垂直上下運(yùn)動(dòng)。盡管屏蔽殼的材料相對(duì)較薄，仍然需要大壓力機(jī)。因?yàn)樯a(chǎn)電子產(chǎn)品的復(fù)雜結(jié)構(gòu)需要指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的壓力加工。這些加工需要大型機(jī)床以得到巨大的力量，這種線穿越了PCB表面的腔體分界面。對(duì)于多層PCB板，常用的設(shè)計(jì)是將PCB射頻地放在外層，將信號(hào)走線限制在內(nèi)層。
組裝
今天，將射頻干擾屏蔽腔安裝到PCB板上已成為成品組裝質(zhì)量的一個(gè)越來(lái)越重要的因素。壓制腔體通常不能緊接PCB板表面。現(xiàn)在已采用多種方法克服這個(gè)問(wèn)題。方法之一是采用預(yù)熱，并在回流時(shí)在腔體上放置重物，但這種技術(shù)也存在問(wèn)題。加重的腔體會(huì)影響到組裝的回流特性，并容易導(dǎo)致冷卻和使用時(shí)的焊接完整性問(wèn)題。用PCM生產(chǎn)的屏蔽腔不會(huì)產(chǎn)生這些嚴(yán)重的共面性問(wèn)題，因?yàn)镻CM沒(méi)有對(duì)材料施加壓力。一旦電鍍和組裝完，用PCM技術(shù)生產(chǎn)的腔體四邊的安裝面都能夠達(dá)到要求的平坦度。
克服任何共面問(wèn)題的另一手段是采用厚度經(jīng)過(guò)選擇的印刷焊膏。在一個(gè)印刷通帶，為屏蔽腔選用增厚的焊膏和其他更大的元件，有助于消除元件共面的相關(guān)問(wèn)題。這種技術(shù)提供了更結(jié)實(shí)的焊帶，增加了機(jī)械強(qiáng)度，有助于防止填料浮空的相關(guān)問(wèn)題。
焊膏經(jīng)常印在獨(dú)立的區(qū)域，但是焊料回流不充分就會(huì)產(chǎn)生造成焊料的懸空和氣孔，這就需要進(jìn)行返工。一個(gè)明顯的解決方案是從一開(kāi)始就確保焊膏不會(huì)有這些麻煩的大缺口。
可以生產(chǎn)整體焊膏來(lái)進(jìn)行沒(méi)有浮空的回焊。將實(shí)心金屬條重新放置在有適當(dāng)網(wǎng)孔圖案的焊膏模板里面，該模板將獨(dú)立的焊縫連在一起，這讓焊料和焊劑在粘劑里面充分混合（圖8）。這種改進(jìn)的焊膏有助于產(chǎn)生一種表面張力，確保焊膏流經(jīng)所有區(qū)域并在腔體底部周圍產(chǎn)生相同的焊帶。
PCB板和屏蔽腔最開(kāi)始有著良好的焊接罩面漆。回流加熱時(shí)加入印刷焊膏經(jīng)常促使焊料沿著屏蔽腔上移而脫離PCB板。這種結(jié)果除了影響美觀，還可能不能提供焊帶要求的屏蔽度或機(jī)械強(qiáng)度。
焊料移動(dòng)這種問(wèn)題的一種特殊解決方案是采用回流標(biāo)志線（RPL）。這個(gè)例子中，標(biāo)志線并不在外殼上，而是在腔體壁上。特別地，腔體壁上電鍍涂層的中斷不僅能使焊料最小程度的上移，而且確保了焊帶強(qiáng)度和最大的容積。這避免了氣孔，缺口和腔體壁外觀不整齊相關(guān)的種種問(wèn)題。
傳統(tǒng)方法的另一問(wèn)題，包括圖9所示相鄰縫隙間的網(wǎng)格，是它經(jīng)常產(chǎn)生孤立的粘合焊膏，而不總是有效傳遞整體焊料，所以可能需要再返工。如圖10所示的增強(qiáng)性圖案設(shè)計(jì)，含有確保整體分布的焊膏能涂在PCB板上的金屬網(wǎng)孔。焊劑和焊膏的存在有助于回流過(guò)程的有效進(jìn)行。
然而將腔體或其他大元件安裝到PCB板上時(shí)，另一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題是要放置足夠多的焊膏在PCB板的表面以容納腔體內(nèi)和腔體外的小螺距元件。這要求能通過(guò)采用多層模板實(shí)現(xiàn)，分配在板上的焊膏量是模板厚度和縫隙尺寸的函數(shù)，如圖11和圖12所示。
電子設(shè)備和射頻應(yīng)用普遍存在于我們今天的日常生活，而且各種管理機(jī)構(gòu)的法規(guī)指令日益變化，這意味著考慮PCB上獨(dú)立元件和相鄰回路間的輻射干擾前所未有的重要。對(duì)輻射干擾的屏蔽應(yīng)與產(chǎn)品的其他設(shè)計(jì)因素聯(lián)合考慮，并且最好在早期進(jìn)行考慮，以避免為滿足初始電磁兼容測(cè)試要求而進(jìn)行PCB布局修改和設(shè)備重新設(shè)計(jì)的昂貴成本。需要考慮的其他問(wèn)題包括產(chǎn)品測(cè)試，生產(chǎn)時(shí)的屏蔽處理，其它管理指令，如RoHS條例和成本等。
