EMC电磁屏蔽材料设计者指南(2).ppt

p1 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁遮罩材料設計者指南 2 資料整理 BECK ZHANG 03 23 2004 p2 EMC電磁屏蔽材料設計者指南 正大光明公正無私幫助別人成就自己 2 導電塗層有了前一章中關於RFI EMI背景的考慮 現在能研究導電塗層的選擇範圍 干擾源RFI EMI源可以劃分爲兩類 天然干擾源 例如雷電放電 人爲干擾源 它可以進一步劃分爲有意和無意干擾源 有意輻射信號來源於電源開關 焊接設備和射頻加熱器 實際上 所有電子和電氣設備都不同程度的産生輻射干擾 1 干擾場干擾能量沿著導線和自由空間傳播 因此它成爲與線路有關的干擾電壓和輻射干擾場強 所傳播的各種干擾都存在一定的頻率範圍 低於30MHz的低頻干擾 主要是在導線中傳播 這種干擾不能靠簡單的遮罩機殼來防止 而只能用適當的線路濾波器來保護有用信號不受損害 更高頻率的干擾 30MHz 與導線的輻射有關 因爲這時導線尺寸可以和波長相比擬 就電磁波而論 電場強度E和磁場強度H是由一定的關係或聯繫在一起的 通常是將電場分量和磁場分量分別遮罩 在相應的頻率範圍中符合一定的規則 3 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設計者指南 在約1MHz以下的較低頻率範圍內 平行於導體壁的電力線是連續的 這裏 頻率的影響取決於所用遮罩材料的壁厚和導磁率 在1MHz至100MHz的頻率範圍內 遮罩櫃內受干擾影響的部位包括 前面板的連接面 門或窗以及引入的主要部件 這時電力線不再保證全部是連續的 從約100MHz頻率開始 電場遮罩效能將逐漸減小 而磁場遮罩效能則不再增加 對於100MHz以上頻率範圍 所傳播的波的電場和磁場分量應當認爲是相等的 均勻平面波的遮罩取決於各自分量在遮罩材料表面的集膚效應 遮罩材料的導電率將決定波的反射損耗 2 RFI EMI傳輸的含意RFI EMI可以通過傳導 耦合或輻射離開干擾源或進入敏感設備 在設備的一部分和另一部分之間 如電源和附近的電路之間 或在兩個分開的設備之間 都會産生干擾 傳導RFI EMI可以通過信號線 天線饋線 電源線 甚至通過RFI EMI敏感設備之間的接地線進行傳導 耦合EFI EMI可以在具有某些互阻抗的元件 電路或設備之間耦合 通過這種互阻抗 一個電路中的電流或電壓能在另一電路中引起電流或電壓 互阻抗可以是電導 電容或電感 或者是它們的任意組合 輻射RFI EMI可以通過任何一種設備機殼的開口 通風孔 出入口 電纜 測量孔 門框 艙蓋 抽屜和麵板 以及機殼的非理想連接面等進行輻射 RFI EMI也可由進入敏感設備的導線和電纜進行輻射 任何一個良好的電磁能量輻射器也可以作爲良好的接收器 p4 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設計者指南 如何進行遮罩下面這一節中 將從敏感設備防護外來電磁波的觀點來考慮遮罩 有效的遮罩對設備自射産生的電磁波也同樣有效 它可以防止自身産生的電磁波對其他設備造成危險 對於已有標準來說 遮罩的後一個目的特別重要 當電磁波在導電體內引起感應電流時 如果該導電體是由良好導體製成 此電流不會穿透該導電體 如果敏感設備封閉在一個較大的導電體內 例如在銅制機櫃內 就能産生有交的遮罩 然而 應當明白 電磁波所感應的電流不應傳導至遮罩體的內部 這樣的電流才是允許的 否則 該電流就有可能傳導至設備或通過電磁波到達設備 在遮罩體外抑制該電流和電磁波是遮罩外部干擾的實質 電磁波感應的電流沿著電阻最小的路徑並繞著無縫金屬機箱外表面運行 但遇到任何一個連接面時 該電流寧願繞過一個面進入內部而不越過窄縫隙到達另一個面 如图2 1所示 電源圍繞金屬機箱運行電流在機箱內表面運行機箱 蓋板截面圖 圖2 1圍繞金屬機箱的電流路徑 p5 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設計者指南 因此 用鋼制機櫃進行遮罩時 由於能爲所有連接面提供一條由一個面至另一個面的高導電路徑 所以電流仍保持在機箱外側 這種導電路徑是用特殊的襯墊和在連接表面進行導電塗敷而建立的 導電襯墊將在另外兩章中詳細討論 導電路徑的任何中斷都將使遮罩效能降低 它取決於縫隙或孔洞尺寸與信號波長之間的關係 對於較低頻率或較長波長來說 如果只有一個小孔則不會明顯降低遮罩效能 對於高頻或較短波長來說 遮罩效能的下降將是很劇烈的 舉一個例子 遮罩體上如果有一個直徑爲15mm的孔洞 對於10MHz信號 波長爲30m 來說 將仍然能提供60dB遮罩效能 但對於1GHz信號 波長爲30mm 來說 若要保持同樣的遮罩效能 則孔徑不能超過0 15mm 直徑爲15mm的孔對於1GHz信號只能提供20dB衰減 但對於1GHz信號 波長爲30mm 來說 若要保持同樣的遮罩效能 則孔徑不能超過0 15mm 直徑爲15mm的孔對於1GHz信號只能提供20dB衰減 p6 EMC電磁屏蔽材料設計者指南 正大光明公正無私幫助別人成就自己 如果不止一個孔洞 而且孔距小於信號半波長時 遮罩效能將進一步降低 如果高頻信號波長時 遮罩效能將進一步降低 如果高頻信號要求足夠的衰減 則不應採用爲了通風目的的孔洞 圖2 2表示RFI EMI能量是如何通過吸收 反射和傳導而耗散的 遮罩效能及其産生的衰減與頻率 源與遮罩體的距離 遮罩體的厚度以及遮罩材料等有關 由於增加了對RFI EMI能量的反射和吸收的總和 使所傳輸的電磁能量減小 图2 2辐射RFI EMI能量的耗散 p7 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設計者指南 遮罩材料哪些材料能提供最好的遮罩效能是一個相當複雜的問題 很明顯這種材料必須具有良好的導導性 所以未處理過的塑膠是無用的 因爲電磁波能直接通過它 當然 可以採用金屬 然而 應當記住 不能只考慮導電性 其理由就在於 電磁波不但有電場分量 還有磁場分量 要知道高導磁率和高導電率同樣重要 高導磁率的意思就是磁力線的高導通性 鋼是一種良導體 而磁導率的量級也會令人滿意 它也是相對廉價並能提供很大機械強度的材料 所以有理由利用鋼材 廉價的獲得滿意的遮罩效能 應當注意 低頻電磁波比高頻電磁波有更高的磁場分量 因此 對於非常低的干擾頻率 遮罩材料的導磁率遠比高頻時更爲重要 用於遮罩外場直接耦合的機殼或機櫃的材料是很重要的 由於是高反射遮罩 通常採用提供電場遮罩的薄導電材料 對於30MHz以上更高的頻率 通常應主要考慮電場分量 在後一種情況下 非鐵磁性材料 諸如鋁或銅 能提供更好的遮罩 因爲這種材料的表面阻抗很低 塗層類型由於發泡塑膠易成形 並具有價廉 重量小 便於安裝 抗腐蝕 外觀好等優點 其應用日益增加 如果能提供有效的RFI EMI遮罩 則用途將更廣泛 通常的方法是 在塑膠基底上增加一個導電塗層 就象將塑膠機箱放入金屬機箱一樣 p8 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設計者指南 用於導電塗層的主要材料有銀 岣和鎳 銀是一種高導電性材料 但還應考慮價格是否合適 然而 當用作塗料填充物時 它具有50至80dB衰減或遮罩效能 但還取決於頻率 見圖2 3 銀常用於軍用設備 特別是需要防護EMP 電磁脈衝 的設備 图2 3屏蔽效能数据 p9 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設計者指南 銅的導電性接近銀 但價格低廉 然而 銅易於氧化而使遮罩效能受到損失 在一般環境條件下 它了不穩定 近來鎳已成爲主要的研製物件 它不同於銅或銀那樣的良導體 但由於它存在導磁性 能吸收較多的EMI 它還具有抗腐蝕的性質 而且成本較低 鋅在火焰噴塗中用作主要媒質 具有遮罩和抗腐蝕性質 但它用作導電塗層並不多見 而且市場進展也較慢 由於石墨僅能提供20dB衰減 而且主要用於敏感積體電路的靜電防護 所以一般也不同作導電塗層 1 導電漆迄今爲止 成功的導電漆都基於聚丙烯 聚氨脂 乙烯樹脂或環氧樹脂等襯底 導電漆都有適用期 而更重要的還有貯存期 後者典型的爲6至12個月 所有這些漆都對塑膠基底存在腐蝕作用 所以導電漆能穿透塑膠並固定在孔縫中 九十年代的現代導電漆都有不同程度的膠粘性質 而以前由於缺乏膠粘性 經常産生導電漆剝落 甚至將印製板導電路徑短路 而不完善的遮罩所留下的縫隙將起縫隙天線的作用 所有基底表面應仔細清潔 清除油脂或其他污漬 輕度擦傷也將影響粘附力 銀漆銀漆能用在陶瓷或更一般的塑膠基底上 甚至可用於木質表面上 它有良好的抗磨損特性和可焊接性 銀乙烯基是典型的簡單組合系統 它在環境溫度中約20min便可乾燥 再過20或30min 便可進行下一次塗敷 直到20h以後 化學反應完成之前 尚未達到最大的導電率 銀乙烯基的表面電阻率可達到約0 01 而乾燥膜厚度爲0 025mm 每升銀漆可提供理論覆蓋面積爲8 5m2 實際上 由於過噴 約10 銀漆被浪費 銀聚胺脂塗層 通常是兩部分組成的系統 其重量的55 左右爲純金屬銀薄片或球 對於所有導電漆 通常採用的噴槍的壓力爲6 10和35 55磅 平方英寸 壓力設備中 空氣攪拌器是防止銀顆粒沈澱的重要設備 p10 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設計者指南 鎳漆鎳通常與聚丙烯組成鎳漆 理想情況下以ABS 聚苯乙烯 聚碳酸酯爲襯底 在噴塗之前 對人造橡膠複蓋的表面和玻璃加強的塑膠應當輕輕研麻 對於聚丙烯成分 在20 條件下的乾燥時間爲30min 若需第二次噴塗則還需進一步乾燥30min後進行 經過120h後達到完全導電 獲得表面電阻率優於1 5 通常 乾燥薄膜厚度規定爲0 050mm 所以噴漆室內應設厚度精確測量設備 如果噴得太厚 則費用太高 噴得太薄 則達不到足夠的遮罩性能 在襯底的轉角處噴漆承包商瞭解有關厚度的規定 以及確定不同厚度的位置都很重要的 如果襯底用聚丙烯 而且設計成比規定值更薄 可用作更靈敏的熱塑性料襯底 聚氨酯適用于複蓋熱固化和聚合物交聯塑膠 如複蓋人造橡膠海棉 Noryl和GRP 聚氨酯漆做襯底再塗敷顔料 固化劑和稀料的混合物 典型的混合比是6 1 1 而且必須達到一定的精確度 如果能産生全部化學反應 則最終的乾燥膜就具有應有的全部性質 乾燥膜中鎳粉的重量至少占80 才能得到最佳遮罩 金屬顆粒遠多於84 時 將使膠粘性和襯底的機械性質變差 當不知道是那一種漆時 可取少量漆塗敷基底的一個小的試驗面積 並檢驗它在環境應力下的破碎情況 銅漆爲開發有效的銅填充導電塗層進行了各種試驗 但由於腐蝕而得不到廣泛使用 要克服這個問題 只能在銅膜表面加上一層不同導電材料的保護層 但結果在另一種工作條件下將更容易失效 p11 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設計者指南 底漆導電漆的性質一般都與基底材料不相容 特別是在膠的物質中更是這樣 所以要用專門的底漆 底漆將與塑膠基底膠粘在一起 而漆的化學連接本身將轉化爲層間或與底漆的連接 底漆也用於當所選導電漆與基底化學不相容的情況中 導電環氧樹脂前面關於導電漆的討論 主要集中在塗層的塑膠基底上 但有時卻令人信服的將導電漆用於金屬表面 通常 該體系是基於聚丙烯 聚氨酯 乙烯基等 當應用于金屬時 它們並不顯示出良好的膠粘性 解決的方法是採用粘稠環氧系列材料 它能攙入鎳或銀 金屬表面進行導電塗敷 可以改進它們的電化學腐蝕性質 特別是相應的導電襯墊與金屬接觸時 另一方面 金屬可以要求裝飾性塗敷 但通常的電絕緣塗層應當從襯墊和應遮罩區域的接觸面除掉 更容易的辦法是對與同樣材料進行整個金屬加工後 塗敷導電漆進一步應用時 應當改進帶有鎳或銀薄層的基體金屬或合金的遮罩特性 此填充物通常用於環氧樹脂系列 特別是當用於鋁部件時 鎳顯著改進表面電導率 聚乙二烯氟化物和玻璃增強尼龍風扇葉片實際上不能用聚丙烯 聚氨酯或乙烯基油漆系列和導電環氧系列和導電環氧系列塗敷 鎳環氧漆通常由三個系列組成 即襯底 較薄和較硬三類 當全部處理完畢後 能得到0 025mm厚乾燥膜優於5 的表面電阻率和40至50dB遮罩效能 這種漆能提供極好的衝擊阻尼和良好的膠粘性 特別是與低碳鋼 鋁 鉻酸鋁有很好的粘著力 p12 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設計者指南 鎳塗層填充物導電漆如此方便 如果成本能進一步降低 則它將擁有一個很大的市場 鎳可用于塗敷各種價廉的顆粒材料 它具有鎳的表面性質 而同時具有基底材料的某些性質 鎳塗敷的所有材料中 石墨是具有最大潛力的一種 它機械性能好 化學穩定 而且固有導電性 也較便宜 比重低等優點 其結果是塗敷的顆粒具有比純鎳更低的密度 進一步降低了成本 實際上 塗敷於石墨上的鎳的總量或市場上買得到的塗鎳顆粒所具有的鎳的重量約占總重量的25 85 因爲兩種材料的密度不同 需要塗敷足夠的鎳 達到完全複蓋石墨 然而 實際上並沒有完全複蓋 只能有部分顆粒被複蓋 例如25 鎳一石墨顆粒 這種顆粒能用來生産石墨和純鎳之間具有遮罩性質的塗敷中間體 塗敷顆粒的主要優點是它的總體密度較低 要使填充物較輕 需要提供系統中材料的等效體積 然而 鎳塗敷石墨是新開發的産品 尚未完全發揮它的潛力 用鎳塗敷的其他導電漆的填料包括鋁 玻璃和某些氧化物 碳化物和絡鋼碳化物 p13 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設計者指南 銀塗層填充物比鎳塗敷顆粒更重要的是需要尋找降低純銀導電漆系列成本的途徑 如果射頻只在導體的外表面傳導 顆料內部的銀是無用的 這種集膚效應約在導體表面1 in左右 具有壁厚爲1 in的空芯銀顆粒就可以了 去掉無用的銀之後 既顯著降低了成本 也大大減輕了重量 將空芯銀顆粒用作塗敷填充物 其顆粒的理想形狀