EMC电磁屏蔽材料设计指南

EMC电磁屏蔽材料设计指南（一）

什么是电磁兼容性？

电磁兼容是一台设备在所处环境中能满意工作的能力，既不对其他设备造成干扰，也不受其他干扰源的影响。干扰的定义是能引起误动作或性能下降的电磁能量，称为EMI

任何一个电磁能量会产生扩散的球面波，这种波在所有方向上传播。在任何一点，这种波包含相互垂直的电场分量和磁场分量，这两种分量都垂直于波的传播方向，如下图所示

如下图所示的频谱中的任何评率的都能引起干扰，但主要的干扰问题是由10KHz~1GHz范围内的射频能量引起的，射频干扰（FRI）是电磁干扰的一种特殊形式，光、热和X射线是电磁能量的其他特殊形式

电磁干扰需要两个基本条件：电磁能量源和对这个源产生的特定幅度、频率的能量敏感的器件，称为敏感器

电磁干扰分为两类：辐射干扰和传导干扰，这是有传播路径的类型来定的

当一个器件发射的能量，通常是射频能量，通过空间到达敏感器时，称为辐射干扰。干扰源既可以是受干扰系统中的一部分，也可以是完全电气隔离的单元。传导干扰的产生是因为源与敏感器之间有电磁线或信号电缆连接，干扰沿着电缆从一个单元传到另一个单元。传导干扰经常会影响设备的电源，这可以通过滤波器来控制。辐射干扰能影响设备中的任何信号路径，其屏蔽有较大难度

辐射电磁能量成为电磁干扰的机理可以由法拉第定律来解释。这个定律表明当一个变化的电场作用于一个导体时，在这个导体上会感应出电流。这个电流与工作电流无关，但是电路会象与工作电流一样来接收这个电流并发生响应。换句话说，随机的射频信号能够向计算机发出指令，使程序发生变化

技术驱动

有许多因素使ＥＭＣ成为电子设备设计中重要的内容。

首先，日益增多的电子设备带来了许多电磁干扰源和敏感器，这增加了潜在的干扰。

设备的小型化使源与敏感器靠得很近。这使传播路径缩短，增加了干扰的机会。器件的小型化增加了它们对干扰的敏感度。由于设备越来越小并且便于携带，象汽车电话、膝上计算机等设备随处可用，而不一定局限于办公室那样的受控环境。这也带来了兼容性问题。例如，许多汽车装有包括防抱死控制系统在内的大量的电子电路，如果汽车电话与这个控制系统不兼容，则会引起误动作。

互联技术的发展降低了电磁干扰的阈值。例如，大规模集成电路芯片较低的供电电压降低了内部噪声门限，而它们精细的几何尺寸的较低的电平下就受到电弧损坏。它们更快的同步操作产生更尖的电流脉冲，这会带来从Ｉ／Ｏ端口产生宽带发射的问题。一般来说，高速数字电路比统的模拟电路产生更多的干扰。

传统上，电子线路装在金属盒内，这种金属盒能够通过切断电磁能量的传插路径来提供屏蔽作用。现在，为了减轻重量、降低成本，越来越多地采用塑料机箱。塑料机箱对与电磁干扰是透明的，因此敏感器件处于无保护的状态。

法律的变化也是驱动力支一。控制电磁发射和敏感度的强制标准的实施，迫使制造商们实施ＥＭＣ计划。产品可靠性的法规将使可靠性成为头等重要的事项，因为一旦设备由于干扰而产生误动作造成伤害，制造商要承担法律责任。这对于医疗设备特别重要。

在竞争日益激烈的工业中，可靠性已经成为电子设备的一个重要市场特征。自动化设备，特别是医疗设备，必须连续工作，这时设备内的ＥＭＩ屏蔽技术提高了设备的可靠性。

对于数据保密的要求是屏蔽市场发展的一个重要动力。已有 道揭露美国驻莫斯科使追究中的信息已被前苏联窃取到，这是通过接收使馆内设备产生的电磁能量来实现的。同样的技术也被用来截获密码，然后攻击银行计算机系统。通过屏蔽，设备的电磁发射能够减小，提高系统的安全性。

现在，人们越来越开始注意各种辐射对健康的影响。过量的Ｘ射线和紫外线照射的危险已经被充分证明了。现在讨论的焦点是微波和射频显示单元产生的辐射对妇女健康的伤害，因为已经有充分的证据说明在高压线附近生活会患疾病。

法规和标准

对于设备工程师，了解不同市场中对电子设备的ＥＭＣ法规和标准的知识是十分必要的。 现在有许多关于产品辐射和传导发射限制的国家标准和国际标准。有些还规定了对各种干扰的最低敏感度要求。通常，对于不同类型的电子设备有不同的标准。虽然一个产品要获得市场的成功，满足这些标准是必要的，但符合这些标准是自愿的。

但是，有些国家给出的是规范，而不是标准，因此要在这些国家销售产品，符合标准是强制性的。有些规范不仅规定了标准，还赋予当局罚没不符合产品的权力。下面几节简单概述一下一些主要的管理机构的电磁兼容标准。

测试

现有的规范和标准对产品辐射的电场强度的极限值是在３m、１０m或３０m处规定的。为了测试设备是否满足这些标准，需要一块能提供被测件与天线之间对应距离的足够大的场地。测试场地的背景电磁能量大大低于测试范围。 被测设备所处的状态必须与实际使用状态相同，Ｉ／Ｏ接口与适当的外设连接。被测系统要放在转台上，这样可以通过旋转来找到最大辐射信号。转台与天线放在同一个地面上。这样就可以测量系统工作时的辐射了。

这种测试也可以在半无反射室中进行，但一个合适的测试室其尺寸和成本都是可观的。大多数辐射测试是在开阔场中进行，开阔场是精心选择的，其电磁背景很低，周围没有反射物，如建筑物。

为了获得不同材料的屏蔽效能，采用一些其它的测试方法。屏蔽盒是最先开发的方法之一。在密封的屏蔽盒内放置接收天线的装置。这个盒子上有一个方形的开口，将它放置在屏蔽室内使外界干扰最小。屏蔽室内有信号发生器和发射天线。被测材料的样品牢固地夹在盒子的开口上，记录下发射天线处的场强和接收天线处的场强。这种材料的屏蔽效能就是两个值的比值。纯铜板可以用来作为参考值。下图所示的四个屏蔽室的装置可以用来提高测量精确度，并且拓宽测量的频率范围。

EMC电磁屏蔽材料设计指南（二）

干扰源

RFI/EMI源可以划分为两类

天然干扰源—例如雷电放电

干扰场

干扰能量沿着导线和自由空间传播。因此它成为与线路有关的干扰电压和辐射干扰场强。所传播的各种干扰都存在一定的频率范围。

低于30MHz的低频干扰，主要是在导线中传播。这种干扰不能靠简单的屏蔽机壳来防止，而只能用适当的线路滤波器来保护有用信号不受损害。更高频率的干扰（＞30MHz）与导线的辐射有关，因为这时导线尺寸可以和波长相比拟。

就电磁波而论，电场强度E和磁场强度H是由一定的关系或联系在一起的。通常是将电场分量和磁场分量分别屏蔽。在相应的频率范围中符合一定的规则。

在约1MHz以下的较低频率范围内，平行于导体壁的电力线是连续的。这里，频率的影响取决于所用屏蔽材料的壁厚和导磁率。

在1MHz至100MHz的频率范围内，屏蔽柜内受干扰影响的部位包括：前面板的连接面、门或 窗以及引入的主要部件。这时电力线不再保证

全部是连续的，从约100MHz频率开始，电场屏蔽效能将逐渐减小，而磁场屏蔽效能则不再增加。

对于100MHz以上频率范围，所传播的波的电场和磁场分量应当认为是相等的。均匀平面波的屏蔽取决于各自分量在屏蔽材料表面的集肤效应，屏蔽材料的导电率将决定波的反射损耗

RFI/EMI传输的含意

RFI/EMI可以通过传导，耦合或辐射离开干扰源或进入敏感设备，在设备的一部分和另一部分之间，如电源和附近的电路之间，或在两个分开的设备之间，都会产生干扰。

①传导

RFI/EMI可以通过信号线、天线馈线、电源线、甚至通过RFI/EMI敏感设备之间的接地线进行传导。

②耦合

EFI/EMI可以在具有某些互阻抗的元件、电路或设备之间耦合，通过这种互阻抗，一个电路中的电流或电压能在另一电路中引起电流或电压。互阻抗可以是电导、电容或电感，或者是它们的任意组合。

③辐射

RFI/EMI可以通过任何一种设备机壳的开口、通风孔、出入口、电缆、测量孔、门框、舱盖、抽屉和面板，以及机壳的非理想连接面等进行辐射。RFI/EMI也可由进入敏感设备的导线和电缆进行辐射，任何一个良好的电磁能量辐射器也可以作为良好的接收器。

如何进行屏蔽

当电磁波在导电体内引起感应电流时，如果该导电体是由良好导体制成，此电流不会穿透该导电体。如果敏感设备封闭在一个较大的导电体内，例如在铜制机柜内，就能产生有交的屏蔽。然而，应当明白，电磁波所感应的电流不应传导至屏蔽体的内部，这样的电流才是允许的，否则，该电流就有可能传导至设备或通过电磁波到达设备。在屏蔽体外抑制该电流和电磁波是屏蔽外部干扰的实质。

电磁波感应的电流沿着电阻最小的路径并绕着无缝金属机箱外表面运行，但遇到任何一个连接面时，该电流宁愿绕过一个面进入内部而不越过窄缝隙到达另一个面；

因此，用钢制机柜进行屏蔽时，由于能为所有连接面提供一条由一个面至另一个面的高导电路径，所以电流仍保持在机箱外侧。这种导电路径是用特殊的衬垫和在连接表面进行导电涂敷而建立的，导电衬垫将在另外两章中详细讨论。导电路径的任何中断都将使屏蔽效能降低，它取决于缝隙或孔洞尺寸与信号波长之间的关系。对于较低频率或较长波长来说，如果只有一个小孔则不会明显降低屏蔽效能；对于高频或较短波长来说，屏蔽效能的下降将是很剧烈的。

举一个例子，屏蔽体上如果有一个直径为15mm的孔洞，对于10MHz信号（波长为30m）来说，将仍然能提供60dB屏蔽效能，但对于1GHz信号（波长为30mm）来说，若要保持同样的屏蔽效能，则孔径不能超过0.15mm。直径为15mm的孔对于1GHz信号只能提供20dB衰减。

如果不止一个孔洞，而且孔距小于信号半波长时，屏蔽效能将进一步降低。如果高频信号波长时，屏蔽效能将进一步降低。如果高频信号要求足够的衰减，则不应采用为了通风目的的孔洞。

下图表示RFI/EMI能量是如何通过吸收、反射和传导而耗散的。屏蔽效能及其产生的衰减与频率、源与屏蔽体的距离、屏蔽体的厚度以及屏蔽材料等有关。由于增加了对RFI/EMI能量的反射和吸收的总和，使所传输的电磁能量减小。

屏蔽材料

哪些材料能提供最好的屏蔽效能是一个相当复杂的问题。很明显这种材料必须具有良好的导导性，所以未处理过的塑料是无用的，因为电磁波能直接通过它。当然，可以采用金属。

然而，应当记住，不能只考虑导电性，其理由就在于，电磁波不但有电场分量，还有磁场分量。要知道高导磁率和高导电率同样重要，高导磁率的意思就是磁力线的高导通性。钢是一种良导体，而磁导率的量级也会令人满意。它也是相对廉价并能提供很大机械强度的材料，所以有理由利用钢材，廉价的获得满意的屏蔽效能。

应当注意，低频电磁波比高频电磁波有更高的磁场分量。因此，对于非常低的干扰频率，屏蔽材料的导磁率远比高频时更为重要。

用于屏蔽外场直接耦合的机壳或机柜的材料是很重要的。由于是高反射屏蔽，通常采用提供电场屏蔽的薄导电材料。对于30MHz以上更高的频率，通常应主要考虑电场分量，在后一种情况下，非铁磁性材料，诸如铝或铜，能提供更好的屏蔽，因为这种材料的表面阻抗很低。

涂层类型

由于发泡塑料易成形，并具有价廉、重量小、便于安装、抗腐蚀、外观好等优点，其应用日益增加。如果能提供有效的RFI/EMI屏蔽，则用途将更广泛。通常的方法是，在塑料基底上增加一个导电涂层。就象将塑料机箱放入金属机箱一样。

用于导电涂层的主要材料有银、岣和镍。银是一种高导电性材料，但还应考虑价格是否合适。然而，当用作涂料填充物时，它具有50至80dB衰减或屏蔽效能，但还取决于频率

银常用于军用设备，特别是需要防护EMP（电磁脉冲）的设备

铜的导电性接近银，但价格低廉。然而，铜易于氧化而使屏蔽效能受到损失，在一般环境条件下，它了不稳定。近来镍已成为主要的研制对象。它不同于铜或银那样的良导体，但由于它存在导磁性，能吸收较多的EMI。它还具有抗腐蚀的性质，而且成本较低。锌在火焰喷涂中用作主要媒质，具有屏蔽和抗腐蚀性质，但它用作导电涂层并不多见，而且市场进展也较慢。由于石墨仅能提供20dB衰减，而且主要用于敏感集成电路的静电防护，所以一般也不同作导电涂层。

（1）导电漆

迄今为止，成功的导电漆都基于聚丙烯、聚氨脂、乙烯树脂或环氧树脂等衬底。导电漆都有适用期，而更重要的还有贮存期，后者典型的为6至12个月。所有这些漆都对塑料基底存在腐蚀作用，所以导电漆能穿透塑料并固定在孔缝中。九十年代的现代导电漆都有不同程度的胶粘性质，而以前由于缺乏胶粘性，经常产生导电漆剥落，甚至将印制板导电路径短路，而不完善的屏蔽所留下的缝隙将起缝隙天线的作用。

所有基底表面应仔细清洁，清除油脂或其它污渍，轻度擦伤也将影响粘附力。

①银漆

银漆能用在陶瓷或更一般的塑料基底上，甚至可用于木质表面上，它有良好的抗磨损特性和可焊接性。银乙烯基是典型的简单组合系统，它在环境温度中约20min便可干燥，再过20或30min，便可进行下一次涂敷，直到20h以后，化学反应完成之前，尚未达到最大的导电率。银乙烯基的表面电阻率可达到约0.01Ω/□而干燥膜厚度为0.025mm，每升银漆可提供理论覆盖面积为8.5m2。实际上，由于过喷，约10%银漆被浪费。

银聚胺脂涂层，通常是两部分组成的系统，其重量的55%左右为纯金属银薄片或球，对于所有导电漆，通常采用的喷枪的压力为6~10和35~55磅/平方英寸。压力设备中，空气搅拌器是防止银颗粒沉淀的重要设备。

②镍漆

镍通常与聚丙烯组成镍漆，理想情况下以ABS、聚苯乙烯、聚碳酸酯为衬底。在喷涂之前，对人造橡胶复盖的表面和玻璃加强的塑料应当轻轻研麻。对于聚丙烯成分，在20℃条件下的干燥时间为30min，若需第二次喷涂则还需进一步干燥30min后进行。经过120h后达到完全导电，获得表面电阻率优于1.5Ω/□。通常，干燥薄膜厚度规定为0.050mm,所以喷漆室内应设厚度精确测量设备；如果喷得太厚，则费用太高，喷得太薄，则达不到足够的屏蔽性能。在衬底的转角处喷漆承包商了解有关厚度的规定，以及确定不同厚度的位置都很重要的。

如果衬底用聚丙烯，而且设计成比规定值更薄，可用作更灵敏的热塑性料衬底。聚氨酯适用于复盖热固化和聚合物交联塑料，如复盖人造橡胶海棉，Noryl和GRP。聚氨酯漆做衬底再涂敷颜料、固化剂和稀料的混合物，典型的混合比是6：1：1，而且必须达到一定的精确度，如果能产生全部化学反应，则最终的干燥膜就具有应有的全部性质。干燥膜中镍粉的重量至少占80%，才能得到最佳屏蔽；金属颗粒远多于84%时，将使胶粘性和衬底的机械性质变差。

当不知道是那一种漆时，可取少量漆涂敷基底的一个小的试验面积，并检验它在环境应力下的破碎情况。

③铜漆

为开发有效的铜填充导电涂层进行了各种试验，但由于腐蚀而得不到广泛使用。要克服这个问题，只能在铜膜表面加上一层不同导电材料的保护层，但结果在另一种工作条件下将更容易失效。

④底漆

导电漆的性质一般都与基底材料不相容，特别是在胶的物质中更是这样，所以要用专门的底漆。底漆将与塑料基底胶粘在一起，而漆的化学连接本身将转化为层间或与底漆的连接。底漆也用于当所选导电漆与基底化学不相容的情况中。

⑤导电环氧树脂

前面关于导电漆的讨论，主要集中在涂层的塑料基底上，但有时却令人信服的将导电漆用于金属表面。通常，该体系是基于聚丙烯、聚氨酯、乙烯基等，当应用于金属时，它们并不显示出良好的胶粘性。解决的方法是采用粘稠环氧系列材料，它能搀入镍或银。

金属表面进行导电涂敷，可以改进它们的电化学腐蚀性质，特别是相应的导电衬垫与金属接触时。另一方面，金属可以要求装饰性涂敷，但通常的电绝缘涂层应当从衬垫和应屏蔽区域的接触面除掉，更容易的办法是对与同样材料进行整个金属加工后，涂敷导电漆进一步应用时，应当改进带有镍或银薄层的基体金属或合金的屏蔽特性，此填充物通常用于环氧树脂系列。特别是当用于铝部件时，镍显著改进表面电导率，聚乙二烯氟化物和玻璃增强尼龙风扇叶片实际上不能用聚丙烯、聚氨酯或乙烯基油漆系列和导电环氧系列和导电环氧系列涂敷。

镍环氧漆通常由三个系列组成，即衬底、较薄和较硬三类，当全部处理完毕后，能得到0.025mm厚干燥膜优于5Ω/□的表面电阻率和40至50dB屏蔽效能。这种漆能提供极好的冲击阻尼和良好的胶粘性，特别是与低碳钢、铝、铬酸铝有很好的粘着力。

⑥镍涂层填充物

导电漆如此方便，如果成本能进一步降低，则它将拥有一个很大的市场，镍可用于涂敷各种价廉的颗粒材料，它具有镍的表面性质，而同时具有基底材料的某些性质。镍涂敷的所有材料中，石墨是具有最大潜力的一种。它机械性能好，化学稳定，而且固有导电性，也较便宜，比重低等优点。其结果是涂敷的颗粒具有比纯镍更低的密度，进一步降低了成本。

实际上，涂敷于石墨上的镍的总量或市场上买得到的涂镍颗粒所具有的镍的重量约占总重量的25~85%。因为两种材料的密度不同，需要涂敷足够的镍，达到完全复盖石墨。然而，实际上并没有完全复盖，只能有部分颗粒被复盖，例如25%镍一石墨颗粒。这种颗粒能用来生产石墨和纯镍之间具有屏蔽性质的涂敷中间体。涂敷颗粒的主要优点是它的总体密度较低，要使填充物较轻，需要提供系统中材料的等效体积。然而，镍涂敷石墨是新开发的产品，尚未完全发挥它的潜力。用镍涂敷的其它导电漆的填料包括铝、玻璃和某些氧化物、碳化物和络钢碳化物。

⑦银涂层填充物

比镍涂敷颗粒更重要的是需要寻找降低纯银导电漆系列成本的途径。

如果射频只在导体的外表面传导，颗料内部的银是无用的；这种集肤效应约在导体表面1μin左右，具有壁厚为1μin的空芯银颗粒就可以了。去掉无用的银之后，既显著降低了成本，也大大减轻了重量。

将空芯银颗粒用作涂敷填充物，其颗粒的理想形状应使单位表面积包围的体积最大，这样，可用最少的银涂敷任一单位体积，因此，这个理想的形状就是球。球形颗粒还具有另外一些优点：便于喷涂，对射频能量为各向同性。

并提供浓度连续的封装安排，能填充约70%的涂层体积。银涂敷在直径约为50μm的空芯或实芯陶瓷或玻璃微球上，空芯颗粒用于优先考虑重量的导电漆中。

我们知道，球形体抗均衡压力的能力最旨，而实芯是完全不必要的，因为这将增加不需要的重量和费用。用于涂敷时，重量是很重要的，如果重颗粒在液态导电漆中快速沉淀，形成较硬的沉淀物后就很难扩散或保持分散状态。过重的颗粒还会在管道中沉淀，不仅会引起新的涂层下垂和流动，而且还可能分开，而引起小的未屏蔽的区域。