1、電磁屏蔽材料設(shè)計(jì)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(jìn)一步劃分為有意和無(wú)意干擾源，有意輻射信號(hào)來(lái)源于電源開(kāi)關(guān)，焊接設(shè)備和射頻加熱器，實(shí)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(chǎng)  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(chǎng)強(qiáng)。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(jiǎn)單的屏蔽機(jī)殼來(lái)防止，而只能用適當(dāng)?shù)木€路濾波器來(lái)保護(hù)有用信號(hào)不受損害。更高頻率的干擾（30MHz）與導(dǎo)線的輻射有關(guān)，因?yàn)檫@時(shí)導(dǎo)線尺寸可以和波長(zhǎng)相比擬。  就電磁波而論，電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)度H是由一定的關(guān)系或聯(lián)系在一起的。通常是將電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)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(mén)或 窗以及引入的主要部件。這時(shí)電力線不再保證全部是

3、連續(xù)的，從約100MHz頻率開(kāi)始，電場(chǎng)屏蔽效能將逐漸減小，而磁場(chǎng)屏蔽效能則不再增加。  對(duì)于100MHz以上頻率范圍，所傳播的波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量應(yīng)當(dāng)認(rèn)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(guò)傳導(dǎo)，耦合或輻射離開(kāi)干擾源或進(jìn)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(gè)分開(kāi)的設(shè)備之間，都會(huì)產(chǎn)生干擾。  傳導(dǎo) RFI/EMI可以通過(guò)信號(hào)線、天線饋線、電源線、甚至通過(guò)RFI/EMI敏感設(shè)備之間的接地線進(jìn)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(guò)這種互阻抗，一個(gè)電路中的電流或電壓能在另一電路中引起電流或電壓?；プ杩箍梢允请妼?dǎo)、電容或電感，或者是它們的任意組合。  輻射 RFI/EMI可以通過(guò)任何一種設(shè)備機(jī)殼的開(kāi)口、通風(fēng)孔、出入口、電纜、測(cè)量孔、門(mén)框、艙蓋、抽屜和面板，以及機(jī)殼的非理想連接面等進(jìn)行輻射。RFI/EMI也可由進(jìn)入敏感設(shè)備的導(dǎo)線和電纜進(jìn)行輻射，任何一個(gè)良好的電磁能量輻射器也可以作為良好的接收器。如何進(jìn)行屏蔽  下面這一節(jié)中，將從敏感設(shè)備防護(hù)外來(lái)電磁波的觀點(diǎn)來(lái)考慮屏蔽。有效的屏蔽對(duì)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(duì)其它設(shè)備造成危險(xiǎn)。對(duì)于已有標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，屏蔽的后一個(gè)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(shí)，如果該導(dǎo)電體是由良好導(dǎo)體制成，此電流不會(huì)穿透該導(dǎo)電體。如果敏感設(shè)備封閉在一個(gè)較大的導(dǎo)電體內(nèi)，例如在銅制機(jī)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(guò)電磁波到達(dá)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(shí)質(zhì)。  電磁波感應(yīng)的電流沿著電阻最小的路徑并繞著無(wú)縫金屬機(jī)箱外表面運(yùn)行，但遇到任何一個(gè)連接面時(shí)，該電流寧愿繞過(guò)一個(gè)面進(jìn)入內(nèi)部而不越過(guò)窄縫隙到達(dá)另一個(gè)面，如圖2.1所示。

6、 電源圍繞金屬機(jī)箱運(yùn)行    電流在機(jī)箱內(nèi)表面運(yùn)行   機(jī)箱/蓋板截面圖圖2.1圍繞金屬機(jī)箱的電流路徑   因此，用鋼制機(jī)柜進(jìn)行屏蔽時(shí)，由于能為所有連接面提供一條由一個(gè)面至另一個(gè)面的高導(dǎo)電路徑，所以電流仍保持在機(jī)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(jìn)行導(dǎo)電涂敷而建立的，導(dǎo)電襯墊將在另外兩章中詳細(xì)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(hào)波長(zhǎng)之間的關(guān)系。對(duì)于較低頻率或較長(zhǎng)波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，如果只有一個(gè)小孔則不會(huì)明顯降低屏蔽效能；對(duì)于高頻或較短波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，屏蔽效能的下降將是很劇烈的。  舉一個(gè)例子，

7、屏蔽體上如果有一個(gè)直徑為15mm的孔洞，對(duì)于10MHz信號(hào)（波長(zhǎng)為30m）來(lái)說(shuō)，將仍然能提供60dB屏蔽效能，但對(duì)于1GHz信號(hào)（波長(zhǎng)為30mm）來(lái)說(shuō)，若要保持同樣的屏蔽效能，則孔徑不能超過(guò)0.15mm。直徑為15mm的孔對(duì)于1GHz信號(hào)只能提供20dB衰減。   如果不止一個(gè)孔洞，而且孔距小于信號(hào)半波長(zhǎng)時(shí)，屏蔽效能將進(jìn)一步降低。如果高頻信號(hào)波長(zhǎng)時(shí)，屏蔽效能將進(jìn)一步降低。如果高頻信號(hào)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(guò)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(duì)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(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)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(guò)的塑料是無(wú)用的，因?yàn)殡姶挪苤苯油ㄟ^(guò)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(chǎng)分量，還有磁場(chǎng)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(jí)也會(huì)令人滿意。它也是相對(duì)廉價(jià)并能提供很大機(jī)械強(qiáng)度的材料，所以有理由利用鋼材，廉價(jià)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(chǎng)分量。因此，對(duì)于非常低的干擾頻率，屏蔽材料的導(dǎo)磁率遠(yuǎn)比高頻時(shí)更為重要。  用于屏蔽外場(chǎng)直接耦合的機(jī)殼或機(jī)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(chǎng)屏蔽的薄導(dǎo)電材料。對(duì)于30MHz以上更高的頻率，通常應(yīng)主要考慮電場(chǎng)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?yàn)檫@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(jià)廉、重量小、便于安裝、抗腐蝕、外觀好等優(yōu)點(diǎn)，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(gè)導(dǎo)電涂層。就象將塑料機(jī)箱放入金屬機(jī)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(jià)格是否合適。然而，當(dāng)用作涂料填充物時(shí)，它具有50至80dB衰減或屏蔽效能，但還取決于頻率，見(jiàn)圖2.3。銀常用于軍用設(shè)備，特別是需要防護(hù)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(jià)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(lái)鎳已成為主要的研制對(duì)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(jiàn)，而且

11、市場(chǎng)進(jìn)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(hù)，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(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)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(gè)月。所有這些漆都對(duì)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(xì)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(jiǎn)單組合系統(tǒng)，它在環(huán)境溫度中約20min便可干燥，再過(guò)20或30min，便可進(jìn)行下一次涂敷，直到20h以后，化學(xué)反應(yīng)完成之前，尚未達(dá)到最大的導(dǎo)電率。銀乙烯基的表面電阻率可達(dá)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(shí)際上，由于過(guò)噴，約10%銀漆被浪費(fèi)。  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(duì)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(duì)人造橡膠復(fù)蓋的表面和玻璃加強(qiáng)的塑料應(yīng)當(dāng)輕輕研麻。對(duì)于聚丙烯成分，在20條件下的干燥時(shí)間為30min，若需第二次噴涂則還需進(jìn)一步干燥30min后進(jìn)行。經(jīng)過(guò)120h后達(dá)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(cè)量設(shè)備；如果噴得太厚，則費(fèi)用太高，噴得太薄，則達(dá)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(jì)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(dá)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(yuǎn)多于84%時(shí)，將使膠粘性和襯底的機(jī)械性質(zhì)變差。  當(dāng)不知道是那一種漆時(shí)，可取少量漆涂敷基底的一個(gè)小的試驗(yàn)面積，并檢驗(yàn)它在環(huán)境應(yīng)力下的破碎情況。銅漆  為開(kāi)發(fā)有效的銅填充導(dǎo)電涂層進(jìn)行了各種試驗(yàn)，但由于腐蝕而得不到廣泛使用。要克服這個(gè)問(wèn)題，只能在銅膜表面加上一層不同導(dǎo)電材料

15、的保護(hù)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(mén)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(shù)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(shí)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(shí)，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(jìn)行導(dǎo)電涂敷，可以改進(jìn)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(shí)。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(duì)與同樣材料進(jìn)行整個(gè)金屬加工后，涂敷導(dǎo)電漆進(jìn)一步應(yīng)用時(shí)，應(yīng)當(dāng)改進(jìn)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(shù)脂系列。特別是當(dāng)用于鋁部件時(shí)，鎳顯著改進(jìn)表面電導(dǎo)率，聚乙二烯氟化物和玻璃增強(qiáng)尼龍風(fēng)扇葉片實(shí)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(gè)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(jìn)一步降低，則它將擁有一個(gè)很大的市場(chǎng)，鎳可用于涂敷各種價(jià)廉的顆粒材料，它具有鎳的表面性質(zhì)，而同時(shí)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(jī)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(diǎn)。其結(jié)果是涂敷的顆粒具有比純鎳更低的密度，進(jìn)一步降低了成本。  實(shí)際上，涂敷于石墨上的鎳的總量或市場(chǎng)上買(mǎi)得到的涂鎳顆粒所具有的鎳的重量約占總重量的2585%。因?yàn)閮煞N材料的密度不同，需要涂敷足夠的鎳，達(dá)到完全復(fù)蓋石墨。然而，實(shí)際上并沒(méi)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(lái)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(diǎn)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(kāi)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(wú)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(wú)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