塑料表面溅射电磁屏蔽膜的研究.doc

塑料表面溅射电磁屏蔽膜的研究(1)时间:2009-09-08来源:杭州电子科技大学编辑:毛一帆 电磁干扰（EMI）日益严重，在产品表面镀覆电磁屏蔽膜成为抗EMI 主要措施之一。本文采用磁控溅射技术在聚酯塑料（PET）上制备出附着力大于5MPa、2GHz4GHz频率范围内屏蔽效能大于60dB的复合结构的电磁屏蔽膜，并研究了导电膜、导磁膜及其复合膜层的电磁屏蔽特性。有关数据表明：镀覆500nmCu +300nm1Cr18Ni9Ti的复合屏蔽膜可以获得屏蔽效果、成膜速率和结合力的综合好效果。溅射功率、膜层厚度对电磁屏蔽特性和结合力有一定影响。近年来，随着无线电技术的普遍使用，电磁污染越来越普遍，同时电路本身低电压低功耗的使用，使得电路本身的抗电磁干扰（EMI）的能力显著下降。在产品外壳镀覆抗EMI薄膜，既可以保护本产品不受外界EMI影响，又可以降低自身对外界的干扰，欧盟89/336/EEC（EMC）标准已经明确指出电子产品必须在产品外壳内壁镀覆抗EMI 薄膜。目前使用的屏蔽材料主要有导电型、填充型、本征型以及吸波型，制备方法主要是贴金属箔、溅射镀、电镀或化学镀和涂敷导电涂料等方法。相对其他方法，溅射镀可以在复杂表面获得较均匀的电磁屏蔽膜，因而在生产中得到广泛应用和研究，例如张丽芳等人用磁控溅射的方法在塑料表面镀制Cu/Ni双层屏蔽膜，取得80110dB的屏蔽效果；杨盟等人利用直流磁控溅射技术在聚酯衬底上制备了ITO薄膜，该吸波材料在1218GHz范围衰减低于10dB，峰值超过20dB，可见光的透过率达到68%；G.Teichert等人用直流磁控溅射制备了Ni-Zn铁氧体薄膜，在2GHz附近达到0.4dB的反射损耗；Won Mok Kim等人用射频磁控溅射的方法在基体上沉积氧化铟锌和Ag合金多层薄膜，在301000MHz获得大于45dB的屏蔽效能。上述研究都是单纯的电屏蔽或者磁屏蔽，本文首先研究了单层膜的屏蔽效果和结合力，进一步的研究了电和磁复合屏蔽膜层的特性，获得适合生产的膜层结构。1、电磁屏蔽膜层设计分析一般用屏蔽效能（SE, shielding effectiveness）来衡量屏蔽的效果，它是指没有屏蔽时空间某个位置的场强与有屏蔽时该位置的场强的比值，用公式可表示为：SE=20lg|E1/E2|式中E1屏蔽前的场强E2屏蔽后的场强屏蔽效能可以分为三部分之和：SE =反射损耗R+吸收损耗A+内部多次反射损耗B，使用等效阻抗网络可以计算出膜层的屏蔽效能。对于单层抗EMI 膜的屏蔽效能（图1），中间为金属屏蔽层，其波阻抗和传播常数分别为Z1和k1，厚度l1,两边均为空气，波阻抗为Z0，为计算方便，假设金属屏蔽层是无限大平板。根据传输线理论，最终可以获得单层屏蔽层的屏蔽效能，反射损耗R、吸收损耗A、多次反射损耗B的表达式为：使用MATLAB仿真计算可以得到：（1）双层屏蔽层吸收损耗为各单层屏蔽层吸收损耗的线性相加，而反射损耗R和内部多次反射损耗B并不满足线性相加关系；（2） 反射损耗R只与屏蔽层和自由空间的波阻抗的大小有关，而与屏蔽层的厚度和相对位置无关；（3） 内部多次反射损耗B不但与屏蔽层和自由空间的波阻抗的大小有关，还与屏蔽层的厚度有关。2、单层屏蔽膜2.1、屏蔽膜制备和测量电磁屏蔽可以是采用导电的电屏蔽，电磁波在膜层表面形成集肤电流被损耗掉，这就要导电良好的材料，相对导电好、成本较低的是Cu；也可以采用磁屏蔽，以磁损耗的方式吸收电磁波，具有代表性的膜层有：Ni和铁氧体。考虑到磁性材料溅射速率比较慢，我们还选择了一个特殊的材料1Cr18Ni9Ti，1Cr18Ni9Ti本身是顺磁性的奥氏体不锈钢，所以溅射速率快，在溅射成薄膜后成为铁磁性的铁素体结构。上述单层屏蔽膜采用直流溅射在PET表面制备单层膜，靶片间距8cm。图2是膜层表面形貌SEM结构，测量晶粒尺寸在200250nm之间，表面光洁平整。结合力采用牵引法测试。屏蔽效能采用波导法测试，测试频段24 GHz。图2 屏蔽膜表面形貌SEM 2.2、屏蔽膜材料的影响表1是不同材料单层膜的屏蔽效果、结合力和成膜速率，膜层厚度均为0.5um。屏蔽膜与塑料之间的结合力包括机械咬合类型的物理结合和形成化学键的化学结合，显然后者的结合力高于前者，从表1中可以看出Ni具有最好的结合力，主要是Ni可以夺取PET中的氧形成共价键的化学结合，而非单纯的机械咬合，有关研究也证实这一点。1Cr18Ni9Ti的结合力与Ni接近，相对来说Cu和铁氧体结合力较低。为了增强金属膜与PET的结合力，可以对PET表面采用喷砂处理或等离子实时处理。表1 不同单层膜的屏蔽效果、结合力和成膜速率从屏蔽效能来看，Cu的效果较好，这主要是铜具有良好的导电性，EMI电磁波可以在屏蔽层表面形成更高的涡旋电流，从而实现良好的电屏蔽。铁氧体、Ni和薄膜态的1Cr18Ni9Ti，都是磁体，前者是矫顽力低的软磁体，后两者是矫顽力高的硬磁体，显然软磁体的磁屏蔽效果更好，因为其磁畴翻转容易，所以翻转速度可以跟得上电磁波频率，而硬磁的磁畴翻转速度一般在射频段很难跟得上频率。铁氧体主要靠磁屏蔽实现，也就是通过磁畴的翻转损耗掉EMI电磁波，有关研究表明铁氧体吸收效率高、频带宽。Ni和1Cr18Ni9Ti同时存在电屏蔽和磁屏蔽。总的来说，铁氧体的屏蔽效能稍微高于Ni 和1Cr18Ni9Ti。需要提及的是，由于溅射镀覆的Ni和1Cr18Ni9Ti屏蔽膜晶粒尺寸较小（图2），所以其磁畴较小，磁畴转向相对比较灵活，矫顽力较低，所以具有接近铁氧体的屏蔽效果。从溅射成膜速率，也就是生产效率来说，铜是最快的，1Cr18Ni9Ti因为靶材是奥氏体顺磁的，所以也具有较快的成膜速率，Ni和铁氧体成膜速率较慢，特别是铁氧体成膜速率不适合生产。2.3、屏蔽膜厚度的影响下图3是不同Cu厚度的屏蔽效果和结合力，可以看出：随着屏蔽层膜厚增加，屏蔽效能增加，超过500nm后屏蔽效能变化不大，与前面MATLAB仿真结果一致。随着屏蔽层厚膜增加，结合力增加，超过300nm后基本上变化不大，过厚的膜层容易产生内应力，使得结合力反而下降。所以从结合力上说3001000nm比较合适。过厚的膜层会增加溅射时间，降低生产效率，同时PET塑料变形也会增加1Cr18Ni9Ti 和Ni 也有相同的结论。总之， 屏蔽层厚度在500-800nm之间可以获得屏蔽效能好、结合力强、生产效率高的良好效果。图3 不同Cu厚度的屏蔽效能和结合力2.4、溅射电流的影响研究表明，溅射功率（电流）对屏蔽膜的屏蔽效能影响不大，而溅射电流对结合力有一定影响（如图4），随着溅射功率增加结合力缓慢增加，超过2A时，结合力变化不大了。溅射电流增加可以增加等离子体对塑料表面的轰击，也可以加热塑料基片，从而提高结合力。但过大的溅射电流会使PET过热变形。图4 溅射功率对屏蔽膜的屏蔽效能和结合力影响3、复合膜层的屏蔽效果和结合力根据上述研究结果，我们设计了复合屏蔽膜层，我们在靠近PET塑料的一层选择结合力好的材料，比如Ni和1Cr18Ni9Ti，厚度选择300nm，其主要是用于提高结合力，同时获得一定的磁屏蔽效果，在外层使用500nm 的Cu，主要是利用Cu的高屏蔽特性获得需要的屏蔽效能。这样可以获得好的结合力和屏蔽效能。表2 复合膜系的屏蔽效果和结合力从表2 可以看出300nm 的1Cr18Ni9Ti+500nm的Cu构成的复合膜层的综合效果较好。另外由于Ni的溅射成膜速率较低，1Cr18Ni9Ti相对比较高，所以300nm的1Cr18Ni9Ti+500nmCu复合膜层也较适合生产。4、结论本文采用