對不起 志陽來晚了系列G之廿七：要做好電磁屏蔽材料真的很難

來自專欄弄懂石墨烯 其實並不難

2018-03-20

在電子設備及電子產品中，電磁干擾能量通過「傳導性耦合」和「輻射性耦合」來傳輸。為滿足電磁兼容性要求，對傳導性耦合需採取「濾波」技術，對輻射性耦合則需採用「屏蔽」技術來加以抑制。電磁屏蔽已成為解決電磁兼容問題的最重要手段之一，大部分電磁兼容問題都可以通過電磁屏蔽來解決，因此電磁屏蔽技術在生活中有很大的重要性。電磁干擾（Electromagnetic Interference，簡稱 EMI）是干擾電纜信號並降低信號完好性的電子噪音，通常由電磁輻射發生源如馬達和機器產生的。一般電磁干擾分為兩大類：「自然干擾」與「人為干擾」。自然干擾主要來源於大氣層的天電雜訊、地球外層空間的宇宙雜訊。人為干擾是有機電或其他人工裝置產生電磁能量干擾，其中一部分是專門用來發射電磁能量的裝置，另一部分是在完成自身功能的同時附帶產生電磁能量的發射。

電磁干擾的傳播途徑有三種：輻射、感應和傳導。若干擾是由干擾源輻射的電磁波傳播到被干擾部件區域所造成的，稱為「遠場輻射干擾」。當干擾源與被干擾部件距離較小時，通過空間的電磁耦合會引入被干擾部件，這種傳遞方式稱為「近場感應」。干擾通過干擾源和被干擾電路之間的公共阻抗而引入被干擾電路的傳遞方式稱為傳導。總之，干擾的構成主要有三個因素：干擾源、合適的干擾途徑及敏感部件。

從電磁兼容的定義可以看出，電磁兼容設計應從電磁干擾特性（EMI）和電磁耐受特性（EMS）兩個方面進行考慮。從 EMS 角度看，主要的干擾源有射頻干擾、靜電干擾、電力干擾和自干擾。實務上，我們採用屏蔽技術以切斷近場效應或遠場輻射等干擾的傳遞途經，採用濾波技術抑制干擾源和消除與干擾信號間的耦合；採用良好的接地系統，減少通過公共地電阻而引起的相互干擾。總之，可採用各種隔離干擾技術來提高電磁兼容能力。

屏蔽的理論基礎是電磁波的反射與吸收，投射到屏幕罩上的電磁能量一部分被反射回去，另一部分被屏蔽罩吸收。屏蔽的效果一般是用屏蔽前後同一點場強的比值來表徵，稱為「屏蔽效能」（Shielding Effectiveness）。

式中，Einc、Etunnel 分別稱為屏蔽前後的場強，SEa 為吸收屏蔽效能，SEr 為反射屏蔽效能。

屏蔽的方法可分為三種，即防止靜電耦合干擾的電屏蔽、防止低頻磁場干擾的磁屏蔽和防止高頻電磁場的電磁屏蔽。電屏蔽又稱為「靜電屏蔽」，實質就是要減小兩個設備（或兩個電路、組件、元件）間電場感應的影響。電屏蔽的原理是在保證良好接地的條件下，將干擾源所產生的干擾終止於由良導體製成的屏蔽體。因此，接地良好及選擇良導體做為屏蔽體是電屏蔽能否起作用的兩個關鍵因素。磁屏蔽的原理是由屏蔽體對干擾磁場提供低磁阻的磁通路，從而對干擾磁場進行分流，因而選擇鋼、鐵、坡莫合金等高磁導率的材料和設計盒、殼等封閉殼體成為磁屏蔽的兩個關鍵因素。電磁屏蔽的原理是由金屬屏蔽體通過對電磁波的反射和吸收來屏蔽輻射干擾源的遠區場，即同時屏蔽場源所產生的電場和磁場分量。由於隨著頻率的增高，波長變得與屏蔽體上孔縫的尺寸相當，從而導致屏蔽體的孔縫泄漏成為電磁屏蔽最關鍵的控制要素。實際上，在高頻電磁場中，電場和磁場是相互依存的，因此只要對兩者之一進行屏蔽，另一方也將不復存在。一般情況下，採用非鐵磁材料的良導體金屬板屏蔽罩接地方法，即可有效地屏蔽高頻磁場。

其實，真正影響屏蔽體屏蔽效能的只有兩個因素：一個是整個屏蔽體表面必須是導電連續的，另一個是不能有直接穿透屏蔽體的導體。屏蔽體上有很多導電不連續點，最主要的一類是屏蔽體不同部分結合處形成的不導電縫隙，這些不導電的縫隙就產生了電磁泄漏。解決這種泄漏的方法是在縫隙處填充導電彈性材料，消除不導電點。這種彈性導電填充材料就是電磁密封襯墊，而縫隙或孔洞是否會泄漏電磁波，取決於縫隙或孔洞相對於電磁波波長的尺寸。當波長遠大於開口尺寸時，並不會產生明顯的泄漏。

屏蔽罩上的孔和縫的存在是降低屏蔽效能的主要原因之一。由於孔、縫耦合可以等效為二次輻射天線，它具有方向性，且使屏蔽不均勻，即可能在某些區域的屏蔽效能會很差，因此，必須科學地設計屏蔽罩上的孔或縫。而屏蔽體的泄漏偶合結構與所需抑制的電磁波頻率密切相關，三類屏蔽所涉及的頻率範圍及控制要素如下表：

在三類屏蔽中，磁屏蔽和電磁屏蔽的難度較大。尤其是電磁屏蔽設計中的孔縫泄漏抑制最為關鍵，成為屏蔽設計中應重點考慮的首要因素。根據干擾源相對於屏蔽體的位置（在屏蔽體的內部或外部）．可分為「主動屏蔽」與「被動屏蔽」。若屏蔽體用來防止干擾場進入被屏蔽空間，這種屏蔽結構稱為「被動屏蔽」。若干擾源在屏蔽體內部，屏蔽體用來防止干擾場泄露到外部空間，則稱這種屏蔽結構為「主動屏蔽」。主動屏蔽不適用於高頻，而專門用於低頻。被動屏蔽體多用於屏蔽對象與干擾源相距較遠的場合，如屏蔽室等。

根據 Shelkunoff 電磁屏蔽理論，屏蔽材料的吸收作用由其磁導率、電導率和厚度共同決定。對同一頻率的電磁波而言，在屏蔽材料的厚度和磁導率一定的情況下，材料的電導率越高，電磁波的吸收損耗就越大。傳統的金屬導體作為電磁屏蔽材料具有密度大和成本相對較高等劣勢。故密度低、易成型的導電塑料已經成為了電磁屏蔽材料的首選。導電塑料分為兩大類，用化學方法製成的導電塑料稱為「結構型導電塑料」，用物理方法製成的導電塑料稱為「複合型導電塑料」。結構型導電塑料又稱「本徵型導電塑料」，是指利用高分子本身所「固有」的導電性或經過化學摻雜後具有導電性的塑料。複合型導電塑料是指經物理改性後具有導電性的塑料，一般是將導電性物質如炭黑、碳纖維、石墨、金屬粉末、金屬絲等摻混於樹脂中製成。在技術上它比結構型導電塑料成熟，不少品種已商業化生產。其中，碳系複合型屏蔽材料主要有粉體和纖維兩種型態，該類材料具有價格低、密度小、不易沉降、耐腐蝕性強等優點。缺點是表面含有大量的極性物質，難以分散。近來，各國已開發出一些超細炭黑，可用於電磁屏蔽材料，以 Cabot 公司研製的 Super-Conductive BP2000 本徵電導率在 15ohm.cm 左右，在摻入10wt% 時其電導率為 5ohm.cm，在混入其它炭黑可以達到 10e-1 ohm.cm，此時的 SE 值可達 35dB。

通常，我們從體積電阻率就可以大致預測屏蔽效果的好壞，在10-1ohm.cm時，全頻都可以達到 30-40dB 以上（磁場波），30-100MHz 可以達到 40-50dB。到了 10e-2ohm.cm 時，在 2GHz 可能達到 50-60dB 以上，而 4-12GHz 可能達到 70-80dB 以上。目前，我們先進行石墨烯電屏蔽項目，摻入石墨烯在 27wt% 時電導率為 40ohm.cm，摻入 35wt% 時電導率為 7ohm.cm，推判還是多層石墨烯搞的鬼。接下來，可能摻入金屬來降低電導率至 10e-2ohm.cm，一邊再來加速少層石墨烯製備的工藝早日完成。

註：感謝北京許露敏老哥執行本項目，如果我跟各位說他是 49 年出生是國內在這方面的專家，這些試樣都是他做的，各位還有借口說自己不行嗎？