電磁屏蔽設(shè)計指南2

1、電磁屏蔽材料設(shè)計者指南連載（二）2、導(dǎo)電涂層  有了前一章中關(guān)于RFI/EMI背景的考慮，現(xiàn)在能研究導(dǎo)電涂層的選擇范圍。干擾源  RFI/EMI源可以劃分為兩類：·  天然干擾源例如雷電放電；·  人為干擾源它可以進一步劃分為有意和無意干擾源，有意輻射信號來源于電源開關(guān)，焊接設(shè)備和射頻加熱器，實際上，所有電子和電氣設(shè)備都不同程度的產(chǎn)生輻射干擾。（1）干擾場  干擾能量沿著導(dǎo)線和自由空間傳播。因此它成為與線路有關(guān)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范圍。  低于30MHz的低頻干擾，主要是在導(dǎo)線

2、中傳播。這種干擾不能靠簡單的屏蔽機殼來防止，而只能用適當(dāng)?shù)木€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(dǎo)線的輻射有關(guān)，因為這時導(dǎo)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(guān)系或聯(lián)系在一起的。通常是將電場分量和磁場分量分別屏蔽。在相應(yīng)的頻率范圍中符合一定的規(guī)則。  在約1MHz以下的較低頻率范圍內(nèi)，平行于導(dǎo)體壁的電力線是連續(xù)的。這里，頻率的影響取決于所用屏蔽材料的壁厚和導(dǎo)磁率。  在1MHz至100MHz的頻率范圍內(nèi)，屏蔽柜內(nèi)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

3、連續(xù)的，從約100MHz頻率開始，電場屏蔽效能將逐漸減小，而磁場屏蔽效能則不再增加。  對于100MHz以上頻率范圍，所傳播的波的電場和磁場分量應(yīng)當(dāng)認為是相等的。均勻平面波的屏蔽取決于各自分量在屏蔽材料表面的集膚效應(yīng)，屏蔽材料的導(dǎo)電率將決定波的反射損耗。（2）RFI/EMI傳輸?shù)暮?#160; RFI/EMI可以通過傳導(dǎo)，耦合或輻射離開干擾源或進入敏感設(shè)備，在設(shè)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(shè)備之間，都會產(chǎn)生干擾。  傳導(dǎo) 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(shè)備之間的接地線進行傳導(dǎo)。  耦

4、合 EFI/EMI可以在具有某些互阻抗的元件、電路或設(shè)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(dǎo)、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(shè)備機殼的開口、通風(fēng)孔、出入口、電纜、測量孔、門框、艙蓋、抽屜和面板，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(shè)備的導(dǎo)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為良好的接收器。如何進行屏蔽  下面這一節(jié)中，將從敏感設(shè)備防護外來電磁波的觀點來考慮屏蔽。有效的屏蔽對設(shè)備自射 產(chǎn)生的電磁波也同樣有效，它可以防止自身產(chǎn)生的電磁

5、波對其它設(shè)備造成危險。對于已有標(biāo)準(zhǔn)來說，屏蔽的后一個目的特別重要。  當(dāng)電磁波在導(dǎo)電體內(nèi)引起感應(yīng)電流時，如果該導(dǎo)電體是由良好導(dǎo)體制成，此電流不會穿透該導(dǎo)電體。如果敏感設(shè)備封閉在一個較大的導(dǎo)電體內(nèi)，例如在銅制機柜內(nèi)，就能產(chǎn)生有交的屏蔽。然而，應(yīng)當(dāng)明白，電磁波所感應(yīng)的電流不應(yīng)傳導(dǎo)至屏蔽體的內(nèi)部，這樣的電流才是允許的，否則，該電流就有可能傳導(dǎo)至設(shè)備或通過電磁波到達設(shè)備。在屏蔽體外抑制該電流和電磁波是屏蔽外部干擾的實質(zhì)。  電磁波感應(yīng)的電流沿著電阻最小的路徑并繞著無縫金屬機箱外表面運行，但遇到任何一個連接面時，該電流寧愿繞過一個面進入內(nèi)部而不越過窄縫隙到達另一個面，如圖2.1所示。

6、 電源圍繞金屬機箱運行    電流在機箱內(nèi)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   因此，用鋼制機柜進行屏蔽時，由于能為所有連接面提供一條由一個面至另一個面的高導(dǎo)電路徑，所以電流仍保持在機箱外側(cè)。這種導(dǎo)電路徑是用特殊的襯墊和在連接表面進行導(dǎo)電涂敷而建立的，導(dǎo)電襯墊將在另外兩章中詳細討論。導(dǎo)電路徑的任何中斷都將使屏蔽效能降低，它取決于縫隙或孔洞尺寸與信號波長之間的關(guān)系。對于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屏蔽效能；對于高頻或較短波長來說，屏蔽效能的下降將是很劇烈的。  舉一個例子，

7、屏蔽體上如果有一個直徑為15mm的孔洞，對于10MHz信號（波長為30m）來說，將仍然能提供60dB屏蔽效能，但對于1GHz信號（波長為30mm）來說，若要保持同樣的屏蔽效能，則孔徑不能超過0.15mm。直徑為15mm的孔對于1GHz信號只能提供20dB衰減。   如果不止一個孔洞，而且孔距小于信號半波長時，屏蔽效能將進一步降低。如果高頻信號波長時，屏蔽效能將進一步降低。如果高頻信號要求足夠的衰減，則不應(yīng)采用為了通風(fēng)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(dǎo)而耗散的。屏蔽效能及其產(chǎn)生的衰減與頻率、源與屏蔽體的距離、屏蔽體的厚度以及屏蔽材料等有關(guān)

8、。由于增加了對RFI/EMI能量的反射和吸收的總和，使所傳輸?shù)碾姶拍芰繙p小。 圖2.2輻射RFI/EMI能量的耗散 屏蔽材料  哪些材料能提供最好的屏蔽效能是一個相當(dāng)復(fù)雜的問題。很明顯這種材料必須具有良好的導(dǎo)導(dǎo)性，所以未處理過的塑料是無用的，因為電磁波能直接通過它。當(dāng)然，可以采用金屬。然而，應(yīng)當(dāng)記住，不能只考慮導(dǎo)電性，其理由就在于，電磁波不但有電場分量，還有磁場分量。要知道高導(dǎo)磁率和高導(dǎo)電率同樣重要，高導(dǎo)磁率的意思就是磁力線的高導(dǎo)通性。鋼是一種良導(dǎo)體，而磁導(dǎo)率的量級也會令人滿意。它也是相對廉價并能提供很大機械強度的材料，所以有理由利用鋼材，廉價的獲得滿意的屏蔽效能。  應(yīng)當(dāng)

9、注意，低頻電磁波比高頻電磁波有更高的磁場分量。因此，對于非常低的干擾頻率，屏蔽材料的導(dǎo)磁率遠比高頻時更為重要。  用于屏蔽外場直接耦合的機殼或機柜的材料是很重要的。由于是高反射屏蔽，通常采用提供電場屏蔽的薄導(dǎo)電材料。對于30MHz以上更高的頻率，通常應(yīng)主要考慮電場分量，在后一種情況下，非鐵磁性材料，諸如鋁或銅，能提供更好的屏蔽，因為這種材料的表面阻抗很低。涂層類型  由于發(fā)泡塑料易成形，并具有價廉、重量小、便于安裝、抗腐蝕、外觀好等優(yōu)點，其應(yīng)用日益增加。如果能提供有效的RFI/EMI屏蔽，則用途將更廣泛。通常的方法是，在塑料基底上增加一個導(dǎo)電涂層。就象將塑料機箱放入金屬機箱

10、一樣。   用于導(dǎo)電涂層的主要材料有銀、岣和鎳。銀是一種高導(dǎo)電性材料，但還應(yīng)考慮價格是否合適。然而，當(dāng)用作涂料填充物時，它具有50至80dB衰減或屏蔽效能，但還取決于頻率，見圖2.3。銀常用于軍用設(shè)備，特別是需要防護EMP（電磁脈沖）的設(shè)備。 圖2.3屏蔽效能數(shù)據(jù)   銅的導(dǎo)電性接近銀，但價格低廉。然而，銅易于氧化而使屏蔽效能受到損失，在一般環(huán)境條件下，它了不穩(wěn)定。近來鎳已成為主要的研制對象。它不同于銅或銀那樣的良導(dǎo)體，但由于它存在導(dǎo)磁性，能吸收較多的EMI。它還具有抗腐蝕的性質(zhì)，而且成本較低。鋅在火焰噴涂中用作主要媒質(zhì)，具有屏蔽和抗腐蝕性質(zhì)，但它用作導(dǎo)電涂層并不多見，而且

11、市場進展也較慢。由于石墨僅能提供20dB衰減，而且主要用于敏感集成電路的靜電防護，所以一般也不同作導(dǎo)電涂層。（1）導(dǎo)電漆  迄今為止，成功的導(dǎo)電漆都基于聚丙烯、聚氨脂、乙烯樹脂或環(huán)氧樹脂等襯底。導(dǎo)電漆都有適用期，而更重要的還有貯存期，后者典型的為6至12個月。所有這些漆都對塑料基底存在腐蝕作用，所以導(dǎo)電漆能穿透塑料并固定在孔縫中。九十年代的現(xiàn)代導(dǎo)電漆都有不同程度的膠粘性質(zhì)，而以前由于缺乏膠粘性，經(jīng)常產(chǎn)生導(dǎo)電漆剝落，甚至將印制板導(dǎo)電路徑短路，而不完善的屏蔽所留下的縫隙將起縫隙天線的作用。  所有基底表面應(yīng)仔細清潔，清除油脂或其它污漬，輕度擦傷也將影響粘附力。銀漆 

12、銀漆能用在陶瓷或更一般的塑料基底上，甚至可用于木質(zhì)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(tǒng)，它在環(huán)境溫度中約20min便可干燥，再過20或30min，便可進行下一次涂敷，直到20h以后，化學(xué)反應(yīng)完成之前，尚未達到最大的導(dǎo)電率。銀乙烯基的表面電阻率可達到約0.01/而干燥膜厚度為0.025mm，每升銀漆可提供理論覆蓋面積為8.5m2。實際上，由于過噴，約10%銀漆被浪費。  銀聚胺脂涂層，通常是兩部分組成的系統(tǒng)，其重量的55%左右為純金屬銀薄片或球，對于所有導(dǎo)電漆，通常采用的噴槍的壓力為610和3555磅/平方英寸。壓力設(shè)備中，空氣攪拌器是防止銀顆粒沉淀的重

13、要設(shè)備。鎳漆  鎳通常與聚丙烯組成鎳漆，理想情況下以ABS、聚苯乙烯、聚碳酸酯為襯底。在噴涂之前，對人造橡膠復(fù)蓋的表面和玻璃加強的塑料應(yīng)當(dāng)輕輕研麻。對于聚丙烯成分，在20條件下的干燥時間為30min，若需第二次噴涂則還需進一步干燥30min后進行。經(jīng)過120h后達到完全導(dǎo)電，獲得表面電阻率優(yōu)于1.5/。通常，干燥薄膜厚度規(guī)定為0.050mm,所以噴漆室內(nèi)應(yīng)設(shè)厚度精確測量設(shè)備；如果噴得太厚，則費用太高，噴得太薄，則達不到足夠的屏蔽性能。在襯底的轉(zhuǎn)角處噴漆承包商了解有關(guān)厚度的規(guī)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(shè)計成比規(guī)定值更薄，可用作更靈敏的熱塑

14、性料襯底。聚氨酯適用于復(fù)蓋熱固化和聚合物交聯(lián)塑料，如復(fù)蓋人造橡膠海棉，Noryl和GRP。聚氨酯漆做襯底再涂敷顏料、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，如果能產(chǎn)生全部化學(xué)反應(yīng)，則最終的干燥膜就具有應(yīng)有的全部性質(zhì)。干燥膜中鎳粉的重量至少占80%，才能得到最佳屏蔽；金屬顆粒遠多于84%時，將使膠粘性和襯底的機械性質(zhì)變差。  當(dāng)不知道是那一種漆時，可取少量漆涂敷基底的一個小的試驗面積，并檢驗它在環(huán)境應(yīng)力下的破碎情況。銅漆  為開發(fā)有效的銅填充導(dǎo)電涂層進行了各種試驗，但由于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(dǎo)電材料

15、的保護層，但結(jié)果在另一種工作條件下將更容易失效。底漆  導(dǎo)電漆的性質(zhì)一般都與基底材料不相容，特別是在膠的物質(zhì)中更是這樣，所以要用專門的底漆。底漆將與塑料基底膠粘在一起，而漆的化學(xué)連接本身將轉(zhuǎn)化為層間或與底漆的連接。底漆也用于當(dāng)所選導(dǎo)電漆與基底化學(xué)不相容的情況中。導(dǎo)電環(huán)氧樹脂  前面關(guān)于導(dǎo)電漆的討論，主要集中在涂層的塑料基底上，但有時卻令人信服的將導(dǎo)電漆用于金屬表面。通常，該體系是基于聚丙烯、聚氨酯、乙烯基等，當(dāng)應(yīng)用于金屬時，它們并不顯示出良好的膠粘性。解決的方法是采用粘稠環(huán)氧系列材料，它能攙入鎳或銀。  金屬表面進行導(dǎo)電涂敷，可以改進它們的電化學(xué)腐蝕性質(zhì)，特別是相

16、應(yīng)的導(dǎo)電襯墊與金屬接觸時。另一方面，金屬可以要求裝飾性涂敷，但通常的電絕緣涂層應(yīng)當(dāng)從襯墊和應(yīng)屏蔽區(qū)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后，涂敷導(dǎo)電漆進一步應(yīng)用時，應(yīng)當(dāng)改進帶有鎳或銀薄層的基體金屬或合金的屏蔽特性，此填充物通常用于環(huán)氧樹脂系列。特別是當(dāng)用于鋁部件時，鎳顯著改進表面電導(dǎo)率，聚乙二烯氟化物和玻璃增強尼龍風(fēng)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(dǎo)電環(huán)氧系列和導(dǎo)電環(huán)氧系列涂敷。  鎳環(huán)氧漆通常由三個系列組成，即襯底、較薄和較硬三類，當(dāng)全部處理完畢后，能得到0.025mm厚干燥膜優(yōu)于5/的表面電阻率和40至50dB屏蔽效能。這種漆能提供極好的沖擊

17、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。鎳涂層填充物  導(dǎo)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，鎳可用于涂敷各種價廉的顆粒材料，它具有鎳的表面性質(zhì)，而同時具有基底材料的某些性質(zhì)。鎳涂敷的所有材料中，石墨是具有最大潛力的一種。它機械性能好，化學(xué)穩(wěn)定，而且固有導(dǎo)電性，也較便宜，比重低等優(yōu)點。其結(jié)果是涂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，涂敷于石墨上的鎳的總量或市場上買得到的涂鎳顆粒所具有的鎳的重量約占總重量的2585%。因為兩種材料的密度不同，需要涂敷足夠的鎳，達到完全復(fù)蓋石墨。然而，實際上并沒有完全復(fù)蓋，只

18、能有部分顆粒被復(fù)蓋，例如25%鎳一石墨顆粒。這種顆粒能用來生產(chǎn)石墨和純鎳之間具有屏蔽性質(zhì)的涂敷中間體。涂敷顆粒的主要優(yōu)點是它的總體密度較低，要使填充物較輕，需要提供系統(tǒng)中材料的等效體積。然而，鎳涂敷石墨是新開發(fā)的產(chǎn)品，尚未完全發(fā)揮它的潛力。用鎳涂敷的其它導(dǎo)電漆的填料包括鋁、玻璃和某些氧化物、碳化物和絡(luò)鋼碳化物。銀涂層填充物  比鎳涂敷顆粒更重要的是需要尋找降低純銀導(dǎo)電漆系列成本的途徑。  如果射頻只在導(dǎo)體的外表面?zhèn)鲗?dǎo)，顆料內(nèi)部的銀是無用的；這種集膚效應(yīng)約在導(dǎo)體表面1in左右，具有壁厚為1in的空芯銀顆粒就可以了。去掉無用的銀之后，既顯著降低了成本，也大大減輕了重量。  將空芯銀顆粒用作涂敷填充物，其顆粒的理想形狀應(yīng)使單位表面積包圍的體積最大，這樣，可用最少的