EMC/EMI/EMS電磁屏蔽材料の選擇及應用

關鍵詞：導電膠帶，EMC,EMI,EMS,電磁屏蔽，接地，國產新材料

導語：隨著電氣電子技術的發展，家用電器產品日益普及和電子化，廣播電視、郵電通訊和計算機及其網絡的日益發達，電磁環境日益復雜和惡化，電氣電子產品的電磁兼容性越來越受到各國政府和生產企業的重視。自1996年歐共體規定電氣電子產品必須加貼CE標志方可在歐共體市場上銷售后，各國都采取了相應措施。

現代高新技術的發展，電磁波引起的電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）問題日益嚴重 ，不但對電子儀器、設備造成干擾與損壞，影響其正常T作，嚴重制約我國電子產品和設備的國際競爭力，而且也會污染環境，危害人類健康；另外電磁波泄漏也會危及國家信息安全和軍事核心機密的安全。特別是作為新概念武器的電磁脈沖武器已經取得實質性的突破，能對電子儀器設備、電力系統等進行直接打擊，造成信息系統等的暫時失效或永久損壞，其投送方式多樣，破壞力極強 ，而且強大的電磁脈沖對人體也能造成損害，使人神經紊亂、行為失控等。因此，探索高效的電磁屏蔽材料，防止電磁波引起的電磁干擾和電磁兼容問題，對于提高電子產品和設備的安全可靠性，提升國際競爭力，防止電磁脈沖武器的打擊，確保信息通信系統、網絡系統、傳輸系統、武器平臺等的安全暢通均具有重要的意義 。鑒于電磁屏蔽材料在社會生活、經濟建設和國防建設中的重要作用，其研發愈發成為人們關注的重要課題。

電磁兼容性（EMC）是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行并不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力。

什么是EMC、EMI、EMS？

EMC包括兩個方面的要求：

(1) 一方面是指設備在正常運行過程中對所在環境產生的電磁干擾不能超過一定的限值（EMI）；

(2) 另一方面是指器具對所在環境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性(EMS)。

一

EMC（電磁兼容性）

電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility）縮寫EMC是一個設備或裝置與其它裝置同時操作時，不會因為電磁干擾問題而影響正常工作之能力。EMC(電磁兼容性)也包括EMI（電磁干擾）和EMS（電磁耐受性）。具體講，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個系統的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴散；用屏蔽體將接收電路、設備或系統包圍起來，防止它們受到外界電磁場的影響。

二

EMI(電磁干擾）

一個設備或裝置在操作過程中有不利功能的電磁訊號出現，此電磁訊號是不想要且沒意義的，它可能來自外界亦可能來自自己，這些電磁信號會與電子元件作用，產生干擾現象，稱為EMI（Electromagnetic Interference）。例如，TV熒光屏上常見的“雪花”，便表示接受到的訊號被干擾。

電磁干擾又可分為二個方向考慮：

·CE(Conducted Emission)：傳導放射性，傳導干擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合(干擾)到另一個電網絡。

·RE(Radiated Emission)：輻射放射性，輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電網絡。

三

EMS（電磁耐受性或電磁敏感度）

EMS（Electro Magnetic Susceptibility，電磁耐受性）是指一個設備或裝置在操作過程中不受周遭電磁環境影響的能力。電磁耐受性又可分為二個方向考慮：

·CE(Conducted Susceptibility)：傳導放射性

·RE(Radiated Susceptibility)：輻射放射性

電磁屏蔽原理

電磁屏蔽即利用屏蔽材料阻隔或衰減被屏蔽區域與外界的電磁能量傳播。電磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽體對電磁能流的反射、吸收和引導作用，其與屏蔽結構表面和屏蔽體內部感生的電荷、電流與極化現象密切相關。屏蔽按其原理分為電場屏蔽（靜電屏蔽和交變電場屏蔽）、磁場屏蔽（低頻磁場和高頻磁場屏蔽）和電磁場屏蔽（電磁波的屏蔽）。通常所說的電磁屏蔽是指后一種，即對電場和磁場同時加以屏蔽。屏蔽效果的好壞用屏蔽效~g（SE，Shielding effecTIveness）來評價，它表現了屏蔽體對電磁波的衰減程度。屏蔽效能定義為屏蔽前后該點電磁場強度的比值，即：SE=2OIg（Eo／Es）或SH=2Olg（HdHs）式中：、 分別為屏蔽前該點的電場強度與磁場強度， 、分別為屏蔽后該點的電場強度與磁場強度。對屏蔽效果的評價是根據屏蔽效能的大小度量的。

按照屏蔽作用原理，屏蔽體對屏蔽效能的貢獻分為3部分：

（1）屏蔽體表面因阻抗失配引起的反射損耗；

（2）電磁波在屏蔽材料內部傳輸時，電磁能量被吸收引起傳輸損耗或吸收損耗；

（3）電磁波在屏蔽材料內壁面之間多次反射引起的多次反射損耗。由此可以得到影響材料屏蔽效能的3個基本因素，即材料的電導率、磁導率及材料厚度。這也是屏蔽材料研究本身所必須關注的問題和突破口。當然，對于電磁屏蔽體結構，其屏蔽效能還與結構、形狀、氣密性等有關，對于具體問題，還需要考慮被屏蔽的電磁波頻率、場源性質等。

電磁屏蔽の材料

1、 鐵磁材料與金屬良導體材料

鐵磁材料和金屬良導體材料是常用的屏蔽材料。鐵磁材料適用于低頻（1 00kHz以下1磁場的屏蔽，其作用原理是利用鐵磁材料高的磁導率引導磁力線通過高穿透材料并在附近空間降低磁通密度而達到磁屏蔽的目的。常用的鐵磁材料有純鐵、硅鋼、坡莫合金（鐵鎳合金）等。坡莫合金的電磁屏蔽效果要比其它幾種優越得多，坡莫合金有3個主要的成分閣，即78％Ni、65％Ni和50％Ni，其中78％Ni坡莫合金的磁導率要比另外兩種高得多，達3&TImes;10 ～1．2&TImes;10 量級。坡莫合金對應力較敏感，且磁性能與熱處理關系極大，而提供使用的材料是未經熱處理的，所以使用時必須了解和掌握熱處理工藝。新出現的鐵一鈷（FeCo）合金［51、鐵鋁合金［51也是軟磁合金材料，可用于低頻磁場的屏蔽。

因鐵磁性材料電導率小而不適合高頻電磁場的屏蔽，金屬良導體具有較高的電導率適合高低頻電磁場以及靜電場的屏蔽。電磁屏蔽中電導率成為選擇屏蔽材料的主要依據，表2為部分金屬的電導率和磁導率。最常用的是鋼板、鍍鋅薄鋼板、銅板、鋁板等電導率好的材料。金屬屏蔽材料還具有優良的力學性能，但是其密度大、易腐蝕、不易加工等缺點明顯，局限性較大。

2、 表面敷層薄膜屏蔽材料

這類材料是使塑料等絕緣體的表面附著一層導電層，從而達到屏蔽的目的，屬于以反射損耗為主的屏蔽材料。常用的制備方法包括化學鍍金、真空噴鍍、濺射、金屬熔射以及貼金屬箔等。這類表層導電薄膜屏蔽材料普遍具有導電性能好、屏蔽效果明顯等優點，其缺點是表層導電薄膜附著力不高，容易產生剝離，二次加工性能較差。

（1） 化學鍍金

化學鍍金是采用非電解電鍍法把金屬Ni、Fe—Nit6J或CIgNi等鍍到ABS等工程塑料表面。該方法是目前塑料表面金屬化用得最多、效果最好的一種方法，也是目前唯一不受殼體材料形狀及大小限制且能獲得厚度均勻導電層的方法。目前常用的塑料是電鍍級ABS工程塑料，鍍層采用鎳或銅鎳復合鍍層。在0MHz~1．0GHz范圍內，一般采用化學鍍鎳鍍層，屏蔽效果已達60dB左右，對于要求更高的可以采用鍍銅作底層鍍鎳作面層的形成塑料合金、塑料表面接枝、表面化學處理等使某些難于電鍍的塑料能夠電鍍，從而擴展這類材料的應用范圍。

（2） 真空鍍金

真空鍍金是在真空容器中把A1、Gr、Cu等低沸點金屬氣化，并使其在塑料表面凝結而形成均勻的金屬導電膜。真空鍍金可適用于各種塑料，鍍層導電性好、沉積速度快，但是真空容器大小限制了塑料制品的大小，對平坦表面處理效果較好，對于復雜形狀表面則成膜厚度的均勻性難于控制。為了提高鍍層與塑料的粘附力，必須使塑料表面保持高度清潔，不受污染。通常預先將塑料表面進行預處理，去除雜質，使處理后的表面變得粗糙，以提高金屬鍍層的粘附性。預處

理方法大致有噴鐵砂清潔處理、化學浸蝕和涂底漆3種。其中涂底漆法是一種比較好的預處理方法，它既不需要特殊的噴砂設備，生產速度也較快，并且也不會造成危害性較大的化學污染。對于聚烯烴類塑料在噴鍍前需進行電暈處理，以提高表面氧化基團的含量和極性。

（3） 濺射鍍金

濺射鍍金是在真空容器中將氬離子用高能量沖擊到金屬上使金屬氣化，然后在塑料織物等的表面形成金屬薄膜 。濺射鍍金也能適用于各種塑料，與真空鍍金法相比，其鍍層金屬與塑料的粘附力一般要更強一些，但是其設備費用高昂，也同樣存在真空鍍金法所存在的優缺點。

（4） 金屬熔射

金屬熔射法是將金屬在電弧高溫下瞬間熔融后立即用高壓空氣將熔融金屬吹成霧狀噴到塑料表面上。將金屬Zn經電弧高溫熔化后用高速氣流將其以極細的顆粒狀粉末吹到塑料表面，形成一層極薄的金屬層，厚度約5 n，具有良好的導電性，體電阻率可達10 ·cm以下，屏蔽效果約為60～120dB。金屬熔射法的缺點是鍍Zn層與塑料之間的粘附力較差，鍍層容易脫落，需要特殊的熔射裝置。

（5） 貼金屬箔

貼金屬箔復合屏蔽材料是將金屬箔或復合金屬箔 迥等與塑料薄板、薄片或薄膜先用粘接劑粘合在一起，再用層壓法壓制成型，可制作軟質和硬質的屏蔽材料。金屬箔可以貼在表面，也可貼在兩層塑料之間。其優點是方法簡單易行、粘接強度高、不易部分脫落，而且導電性能良好，屏蔽效果可達0dB以上，但是對于復雜形狀則施T操作非常困難

3、填充復合型屏蔽材料

這類材料是采用導電填料與塑料等成型材料填充復合而成的。導電填料一般選用導電性能優良的纖維狀、網狀、樹枝狀或片狀材料，常用的有金屬纖維、碳纖維、鍍金屬纖維、超細碳黑、云母片、金屬片、金屬合金粉等；成型材料常用合成樹脂類材料，如聚苯醚、聚碳脂酸、ABS、尼龍和熱塑性聚酯等。填充復合型屏蔽材料具有一次加工成型，縮短加工工藝過程，便于批量生產的優勢，是繼表層導電型屏蔽材料之后推向市場的新型材料，也是當前的一個發展方向。影響該類材料屏蔽效果的因素比較復雜，導電填料和基體的性質、形態，導電填料在塑料基體中的填充量和分散程度以及復合工藝技術等均與屏蔽效果密切相關。

從20世紀80年代開始，該方法受得了廣泛關注。國外美、英、日等國起步較早，發展較快，已開放了大量此類材料，我國則起步較晚。金屬纖維具有優良的導電性，而且機械力學和導熱性能良好，用金屬纖維填充的復合材料具有較好的電磁屏蔽效果、機械力學性能和導熱性能llOl。常用的金屬纖維有黃銅纖維、鐵纖維、不銹鋼纖維等。圍內外都有將金屬纖維填充到不同樹脂中制得導電復合材料的不少成功事例。金屬纖維填充復合型屏蔽材料的缺點是在成型過程中易產生纏繞折斷，金屬纖維易被氧化腐蝕、密度大、價格貴等。

碳纖維、碳化硅纖維等填充復合型屏蔽材料則具有密度小、比強度高、化學穩定性好、成型性好等優點，在電磁屏蔽復合材料的應用方面受到了重視。對用短碳纖維（SCF）和長碳纖維（LCF）與共聚物? 31等制得的復合材料的屏蔽性能得到了較好研究，并且力學性能和屏蔽效果較同等條件下的碳黑填充復合材料優良。近年來，碳纖維織物與聚合物復合成為填充復合型電磁屏蔽材料研究的一個熱點，這是因為普遍看好碳纖維織物具有良好的導電網絡，使得在碳纖維填充量較小的情況下仍具有良好的電磁屏蔽性能。

普通碳纖維用作電磁屏蔽復合材料的填料雖然得到了廣泛應用，但其填充量高、屏蔽效果不是很好。近年來發展了碳纖維表面改性處理技術來解決上述問題。普通碳纖維可以借助特殊的工藝處理方法，通過改善碳纖維的電磁性能而使屏蔽性能得到進一步提高。這些方法主要包括碳纖維表面鍍覆SiC、沉積超細石墨顆粒［141、涂敷聚苯胺（PANI） 、表面鍍金屬［16~2-等。如德圍BASF公司研制了一種表面鍍SiC的碳纖維，在頻率500MHz時屏蔽效能可達48dB。表4為碳纖維的物理特性參數鍍金屬纖維填充材料是當前研究的一個熱點，比用上述幾種纖維表面處理技術得到的材料具有更好的導電性?？梢杂脕礤兘饘俚睦w維除碳纖維外，還有玻璃纖維、木質纖維等［221。以前對鍍金屬纖維及其復合材料的研究開發主要以碳纖維為基材，高昂的成本使其在商品化的過程中受到制約，現在的鍍鋁玻璃纖維以其優越的性價比在工業化生產中得到廣泛的應用。近年來國內外在鍍鋁玻璃纖維方面開展了大量的研究工作，取得大量研究成果。已經成功開發了改性的塑料導電材料、抗靜電材料、電磁屏蔽材料以及特種導電混紡織物f 9等。

玻璃纖維與其他導電填料相比具有密度小、易成型、導電好、生產工藝簡單、成本低、可大批量生產等優點，另外它和一般的玻璃纖維性狀相同且與樹脂的親和性好、分散性好。鍍鋁玻璃纖維［一 J是一種新型復合材料，它是在玻璃纖維表面上鍍覆一層薄薄的、致密的高導電金屬—— 鋁，在金屬層上再進行表面處理，以提高其分散性及防止金屬表面氧化。使玻璃由絕緣材料變為導電材料，由熱的不良導體變為良導體。通過對玻璃纖維表面的金屬化，使玻璃纖維在保留原有力學性能的基礎上又具有了金屬纖維良好的導電、導熱等一系列新的性能。所以能使用以前的金屬模具和成型設備進行擠壓成型、注射成型，產品的外觀非常好，可達到一般玻璃纖維增強的FRP、FRTP、ABS的表面效果，因而是一種性能非常優異的導電填料。鍍鋁玻璃纖維良好的傳熱性能，在模壓成型的工藝中傳熱更快，能縮短周期，減少消除熱點，減少成品的熱應力，降低制品翹曲的幾率?？梢钥闯龀哂袃灝惖碾姶牌帘涡阅芡?，其還具有良好的力學特性，實現了結構功能一體化。

4、導電涂料類屏蔽材料

導電涂料是一種功能性涂料。根據其組成和導電機理，導電涂料可以分為本征型導電涂料和摻合型導電涂料兩類。本征型導電涂料是以本征導電聚合物為成膜物質所制成的導電涂料，主要有聚乙炔、聚苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等，但是由于這些導電聚合物難溶、難熔，加工困難，僅限于實驗室研究，離實際應用尚有一定距離。目前的導電涂料主要是摻合型導電涂料，它一般以各種合成樹脂為成膜劑，以具有良好導電性能的金屬微粉或非金屬微粒為導電填料，經混合分散后，制成可施工的涂料，噴涂或刷涂于塑料表面，在一定條件下固化成膜。

導電涂料最大的優點是成本低、簡單實用、適用面廣。根據摻合的導電填料的不同，導電涂料主要包括銀系、銅系、鎳系和碳系導電涂料。銀系導電涂料是開發較早的一類屏蔽材料，美軍早在20世紀60年代就已將其作為電磁屏蔽材料。銀系導電涂料的導電性最好，體電阻P 可達10-4~10。Q·m，涂料性能穩定，屏蔽效果可達65dB以上，但其成本太高，還存在銀容易向表面遷移等問題，只適合于某些特殊的場合下使用。銅系導電涂料 的導電性也很好，體電阻P 可達10 ·m，但是由于銅抗氧化能力差，因而導電穩定性不佳，限制了它的應用。最近，隨著抗氧化處理技術的發展，銅系涂料的開發與應用得到了新的發展。目前主要采取以下兩種處理技術來防止銅粉的氧化，一是用抗氧化劑對銅粉進行表面處理，抗氧化劑包括有機胺、有機硅、有機鈦、有機磷等化合物，或者用抗氧化性能較好的金屬包覆銅的表面，如金屬Ag、A1、sn等；二是在制備銅系涂料的過程中加入還原劑或其它添加劑等，阻止銅的氧化，從而獲得具有一定抗氧化性的導電涂料。

鎳系導電涂料幽的導電性也較好，其體電阻P 可達10_?！?0一 ·m，屏蔽性能也很好。鎳的氧化問題比銅輕得多，穩定性完全可以滿足一般的應用要求，成本也比較適中，目前已得到了廣泛的應用，在電磁屏蔽涂料中占有較大的比重，是歐美等國家電磁屏蔽用涂料的主流。對金屬系涂料屏蔽材料研究的關鍵在于如何更好地解決銅粉和鎳粉的抗氧化性能，以及涂料在儲運過程中金屬填料的沉降問題。該領域的一個潛在的重要趨勢就是水性涂料的開發。

碳系導電涂料相較于金屬涂料的最大的優勢在于耐候性好、密度小、成本低等。其不足在于導電性不是很好，體電阻率約在lfl·m，屏蔽效果不甚理想。碳系導電填料包括石墨、碳黑等，為了提高其導電性，碳素必須是高導電性、高結構性和超細化的。碳素系導電涂料研究工作的重點就是開發和利用高導電性和高結構性碳黑，以及在復合過程中如何在提高碳黑分散性的同時，保持其結構性等等。

5、其它屏蔽材料

除上述幾類電磁屏蔽材料以外，其它一些屏蔽材料也在研究之中［2S--~］，包括新機理的屏蔽材料也在探索之中。如發泡金屬屏蔽材料翻，它是由金屬骨架和連通的空洞組成的多子L材料，主要使用的發泡金屬有金屬鎳、鎳銅和鋁等，其原理是電磁波在空洞中發生多次反射和吸收損耗，從而達到屏蔽的目的。還有納米屏蔽材料，借助納米材料特殊的表面效應和體積效應，與其它材料復合也可望獲得新型的屏蔽材料。另外還有本征導電高分子材料，它依靠高分子材料本身良好的導電性達到電磁屏蔽的目的［251。它們的發展前景還有待進一步的觀察。

常用的電磁屏蔽材料

一、導電彈性體襯料（導電橡膠）

每種導電橡膠都是由硅酮、硅酮氟化物、EPDM或者碳氟化物－硅氟化物等粘合劑及純銀、鍍銀銅、鍍銀鋁、鍍銀鎳、鍍銀玻璃、鍍銀鉛或炭顆粒等導電填料組成。

由于這些材料含有銀，包裝和存儲條件應與其他含銀元件相似，它們應當存儲在塑料板中，例如聚酯或者聚乙烯，遠離含硫材料。標準形狀有：實體O形條、空心O形條、實體D形條、空心D形條、U行條、矩形條、中空矩形條、中空P形條、通道條以及模制導電橡膠成形件、模制的D-形圈/O-形圈、各種法蘭、I/O襯墊。

特點：在20M－20GHz的范圍內可達90 dB－120dB，純銀顆粒的甚至可達到120dB以上。能起到屏蔽和環境密封的作用，安裝方便，適用于通訊、醫療、軍品、航空等場合。

二、EMI導電泡棉襯料

導電泡棉是把導電編制套纏繞在采用聚氨基甲酸乙脂或EPDM構成的泡綿芯上，導電編制套通常是由鍍銀鎳尼龍、鋁泊或者Monel絲（鎳銅合金）Ferrex（鍍錫包銅鋼絲）組成，有良好的導電性。符合阻燃等級（UL94-V0），具有好的彈性和柔韌性等機械性能。導電泡棉襯墊具有良好的屏蔽性能，遇到電波時，則會根據其物體的性質而進行反射、吸收、提供極佳的屏蔽效果。并且具有極高的性價比，是目前最新的、也是應用最廣的屏蔽材料。

特點：低壓力、非常好的屏蔽效果，屏蔽性能超過90dB，有彈性，重量輕，低表面接觸電阻，截面選擇眾多，UL級防火，可以采用導電PSA固定。

三、金屬EMI襯料，夾卡襯料和鉤爪料鈹銅簧片

這些品種包括編制絲網、彈性體芯上纏繞絲網、在彈性體中的定向金屬絲和金屬絲屏，它們通常在20MHz－1GHz的范圍內提供60dB－100dB的衰減?？梢酝ㄟ^導電粘合劑或者機械固定在箱體的槽中。

還可以由Monel或鋁絲定向嵌在硅酮中，不但可以提供EMI屏蔽，還可以用做雨水、漏水、灰塵和通氣密封，溫度范圍－55°C－＋260°C 。

夾式EMI襯料則是由填充炭的硅酮條或者由硅酮帶上的Monel絲、氯丁橡膠上的Ferrex絲提供EMI屏蔽，將襯料固定在防腐的不銹鋼彈簧夾上，安裝起來方便。不需要孔或緊固件。

鈹銅簧片是用特殊合金鈹銅制成的指形簧片，使高等級EMI屏蔽效果和彈性鉤爪擦與小封閉力特性相結合。鈹銅的高性能參數：拉伸強度高、防腐性能好和導電性能佳，使得它成為一種用在寬頻段的理想EMI屏蔽材料，可用在存在EMI/RFI或者ESD問題的范圍很廣的電子設備中。有亮銅、亮鎳、亮錫不同成品，安裝在不同的金屬表面，減少不同金屬間的電化噪聲和電腐蝕。

Spira金屬螺旋管，可以選用槽式安裝，金屬管內也可以填有橡膠或硅酮芯體。

四、導電復合劑

包括導電粘合劑和導電涂料。導電粘合劑一般是將銀微?；蜚y鍍銅微粒等金屬填料通過特殊工藝摻雜在環氧樹脂或硅酮、柔性聚異乙烯中。具有剪切強度高、熱膨脹系數小、離子純凈、導熱和導電性能好這些獨特的綜合性能，典型應用包括把EMI屏蔽通道、窗口或透光導電絲網膜粘合在屏蔽的永久性接縫上。

導電涂料一般噴涂在ABS、Noryl、PVC等各種塑料機殼上，可以提供EMI屏蔽、防靜電保護、電暈屏蔽和表面接地，填料分為銀、包銀銅、銅、鎳等，粘合劑通常為環氧樹脂、聚氨脂等，導電率可以達到0.015 ohm/sq，可以為機殼在30MHz－1GHz范圍內提供60－80dB的屏蔽。

另外，其他常用的電磁屏蔽材料還有金屬導電屏蔽膠帶、屏蔽通風口板、VIP屏蔽空氣過濾器、EMI屏蔽玻璃視窗、用于LED視頻窗口的屏蔽透光絲網膜、微波吸收材料、專業的扁平電纜EMI屏蔽套、用于普通線纜的屏蔽編制絲網帶等。

100um、150um厚度雙面導電布膠帶

電磁干擾EMI膠帶產品の應用介紹

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