EMC电磁屏蔽材料设计者指南

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1、EMC设计的紧迫性 、EMC设计的紧迫性

本章讲解EMC设计的紧迫性，为本书重点介绍实际技术提供背景。首先简单介绍EMC符合性测试的要求， 最后复习一下电磁屏蔽的理论，以为读者提供足够的知识来选择适当的屏蔽技术。 什么是电磁兼容性？ 什么是电磁兼容性？

电磁兼容是一台设备在所处的环境中能满意地工作的能力，它既不对其它设备造成干扰，也不受其它干扰源的 动作或性能下降的电磁能量，今后我们称为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

都垂直于波的传播方向。这种情况如图1-1所示。虽然如图1-2所示的频谱中的任何频率的都能引起干扰，

GHz 范围内的射频能量引起的。射频干扰(RFI)是电磁干扰的一种特殊形式，光、热和X射线是电磁能量

图 1-1 电磁场

图 1-2 电磁谱

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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。

和敏感器。另外，在源和敏感器之间还需要传播路径来传输能量。电磁干扰屏蔽通常改变电磁能量传播路径来达

表 1.1 电磁干扰源和敏感器

电磁干扰源 电磁干扰敏感器 电视和广播 航空导航系统 等幅波发射机 微处理器 电气马达 高保真设备 遥控单元 计算机 电焊装置 等幅波接收机 电气设备 心脏起搏器 发动机点火系统 电子测量设备 雷达发射机 广播和电视接收机 电动工具 电子车库门

电磁干扰分为两类：辐射干扰和传导干扰，这是由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

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 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。

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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

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 使程序发生变化。 技术驱动力 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

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 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

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 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 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

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

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 MI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。已有报道揭露美国驻莫斯科使追究中的信息已被前苏联

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 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 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

设备有不同的标准。表1.2给出了一些电子设备的标准。虽然一个产品要获得市场的成功，满足这些标准是必要

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 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。

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表 1.2 与电磁干扰和兼容相关的标准 标题 工业、 科学和医疗射频设备射频干扰特性的测量方法和极限值 汽车、 机动船和火花塞点火发动机驱动设备的射频干扰特性测 CISPR12 量方法

和极限值 声音和电视接收机的射频干扰特性的测量方法和极限值 家用电器和便携式工具射频干扰特性测量方法和极限值 荧光灯和照明设备的射频干扰性测量方法和极限值 射频干扰测量装置和测量方法的规范 声音和电视广播接收机敏感度的测量 信息技术设备的射频干扰特性测量方法和极限值 家用电器和类似电气设备引起的电源干扰 第 1-3 部分 IEC801 工业过程测量恶化控制设备的电磁兼容性 第 1-3 部分 国际 HD481 EN55012 国际标准 CISPR11 欧洲标准 EN55011

CISPR13

EN55013

CISPR14 CISPR15 CISPR16

EN55014 EN55015 EN55016

CISPR20

EN55020

CISPR22 IEC555

EN55022

EN60555

CISPR是国际电工委员会(IEC)的一个分委会，它成立于1934年，那时射频干扰问题开始出现。

的第一个国际化联合组织。CISPR没有编制法律或发布法规的机构。它所推荐的标准，只有当个别成员国采

律。CISPR22中推荐的针对信息技术设备的传导和辐射发射要求构成了许多主要国家标准的基础。不幸的 准作为国家标准时，进行了调整，这造成了不同国家的要求之间的差异。 美国

联邦通信委员会(FCC)是负责频率管理和干扰控制的政府机构。FCC有覆盖多种设备发射限制的规范。 第15部分，第J分部适用于所有的数字设备。

这些FCC规范给出了两个不同的发射极限值。哪一个极限值适用取决于设备在什么环境中使用。A级设备被

用。更严格一引进的B级适用于在家庭或居民工内使用的设备。FCC没有规定屏蔽效能值，而规定了射频发射 和辐射发射极限值，表1.4给出了传导发射极限值。

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所有在美国国内使用的设备必须满足FCC规范。虽然FCC的大部分强制性要求在第15部分，第18部分

也与EMC有关，第18部分中有关于用于工业、科学和医疗目的的射频发生设备的管理条例。它规定了在一些 10KHz 至245GHz 频段内这类设备可以使用的频段。 表 1.3 FCC 辐射干扰极限值 频率范围， 频率范围，MHz 场强( 场强(µV/m) ) A 级 30m 30-88 88-216 216-1000 德国 30 50 70 B 级 3m 100 0.45-1.6 150 1.6-30 200

表 1.4 FCC

频率范围， 频率范围，M

德国的关于干扰控制的法规是基于VDE制定的标准。相关的标准VDE0871覆盖了所的产生或处理射频

适用于所有种类的计算和数字设备，还适用于工业、科学和医疗设备。唯一的限制是设备产生的基频高于10K

对于数字设备的要求与FCC规定的相似，但是频率范围更宽，低频拓宽到10KHz。极限值也分为A级和 的用途。A级限于需要特殊安装的设备。VDE关于辐射和传导的极限值在表1.5

和表1.6 中给出。 符合VDE0871是强制性的，并由德国邮电部执行。 表1.5VDE辐射干扰极限值 频率范围， 频率范围，MHz 场强(μV/m) 场强(μV/m) A 级 100m B 级 30m 0.01-0.15 34 30 米 0.15-30 34 30 米 30-41 41-68 68-174 174-230 230-470 470-760 54 29.5 54 29.5 54 45 34 10 米 34 10 米 34 34 34 34 34 46

表1.6VD

频率范围， 频率范围，

0.01-0.15 0.15-0.5 0.5-30

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760-1000

59-57 46

英国

从表１.2中可以看出，英国标准协会发布了好几个关于ＥＭＩ的标准。应用最多的是ＢＳ６５２７关于数据

信号的极限值和测量方法。这个标准的范围和内容与ＣＩＳＰＲ２２相同，尽管它们的标题不同。覆盖于０.１

要求适用于商业和工业场合的应用，更严格的Ｂ级极限值适用于住宅区中使用的设备。两级都包含准峰值和平均

值是相同的，严格度是通过将测量距离从３０米减小到１０米来实现的。表１.7给出了推荐的辐射场强极限值。限值。

表１.７ ６２５７辐射干扰极限值 频率范围，MHz

30-230 230-1000

表１.８ ＢＳ６频率范围，MHz

场强（μV/m）

A级 30m B级 10m

30 37

30 37

准峰值

0.15-0.5 79 0.5-5 5-30

欧洲经济共同体

73

73

为了在欧共体内实现单一的ＥＭＣ标准，以适应１９９２实行的单一欧洲市场，欧洲委员会推行了欧共指令８

成员对所有的电子装置的电磁兼容性法规化。法规必须包含干扰和敏感度两个方面。这个指令中定义的“装置”

以及配套的电气、电子器件。例外情况是出现在其它包含ＥＭＣ要求的指令中的装置。目前，这种例外包括机动

外，不是用于商业目的的业余无线电装置也属于例外。这个法规不仅适用于设备的新设计，也适用于指令实施后

欧洲委员会已经责成ＣＥＮＥＬＥＣ，电工标准化欧洲组织，制定欧洲标准（ＥＮ）。成员国必须将这些标准

盾的标准必须撤除。ＣＥＮＥＬＥＣ ＥＮ可以在ＩＥＣ或ＣＩＳＰＲ标准的基础上应用，但不一定要与它们等 制造商有两种方法来证明符合这个指令，即“自认证”和使用“技术构造文件”。

使用自认证方法时，制造商通过自己测试或按照适当的ＥＮ进行测试，来认证产品是否符合。在这种方法中，

施。但是，如果日后发现产品不符合，制造商将承担法律责任。在关于产品符合性的争端中，一个由特许测试部量的。

如果没有相关的ＥＮ，或设备制造商不准备使用它，符合性只有通过编辑技术构造文件来证明。这个文件描述

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一致的措施，并包含一个技术报告或权威部门的认证。在英国，一个权威部门是NAMAS(国家测量批准服务 权威部门提供认证在欧共体的所有成员国内

都是可行的。 军用设备

为军用设计的电子系统必须满足MIL-STD-461D的要求，这个标准不仅规定了最大辐射发射和传导

辐射和传导干扰的敏感度要求。配套标准MIL-STD-462规定了必要的测试装置。商业公司经常将MI 部分作为产品内部EMC规范。

另一个关于EMI的军用标准是保密的TEMPEST计划，这是用来保证保密通信系统安全的。现在可以接

党工作时所发射的功率很低的射频信号。象对电子窃听很脆弱的CRT终端那样的军用产品就属于TEMPES PEST控制设备和系统的发射，使无法解译携带信息的信号。

由于关于EMC的法规和标准十分复杂，关于信息技术设备的相关标准总结在表1.9中。一些标准的频率范 信息技术设备(ITE) 表 1.9 信息技术设备(ITE)的电磁兼容标准 IEC/CISPR 传电和辐射发射 关于以下的敏感度 静电放电 辐射电磁场 电气快速瞬态 电源线良涌 辐射磁场 远程通信线路的传导发射 IEC801-2 IEC801-3 IEC801-4 IEC801-5 CISPR CISPR EN55 101-2 EN55 101-3 未发表的建议稿 CISPR22 FCC 15 部分 J 子部分 CENELECEC EN55022

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

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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 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。图1-4是开阔场的示意图。

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 线的装置如图1-5所示。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。图1-6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。

图 1-6 屏蔽室测试 屏蔽的理论方法

电磁波理是经典的理论。麦克斯威尔、法拉第和其它人在电子学之前就建立了描述电场

和磁场的基本方程式。

中的复杂硬件几乎不能直接应用这些方程式。电场和磁场的衰减用从试验中得到的方程式能够更好的表达，这些 的设计中广泛应用。

有许多因素会影响电磁能量源周围的场。源的种类赋予了场一些特征，如辐射幅度。距离源的距离和电磁波传

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性都会影响场与屏蔽之间的相互作用。 在电磁屏蔽中，波阻抗 Zw 是联系这些参数的有用的概念。波阻抗定义为电场 E 与磁场 H 的比值。

源上的驱动电压决定了干扰的特性。例如，环天线中流动的电流与较低的驱动电压对应。结果是在天线附近产

和较大的磁场，具有较低的波阻抗。另一方面，四分之一波长的距离上，所有源的波的阻抗趋近于自由空间的特 欧姆。这时，称为平面波，作为参考，1MHz 的波长是 300m。

按照到源的距离，电磁波可以进一步分为两种，近场和远场。两种场的分界以波长 λ 除以 2π 的距离为分界

近的区域称为过渡区。源与过渡区是近场，超过这点为远场。近场波的特性主要由源特性决定，而远场波的特性 定。如果源是大电流、低电压。则在的近场以磁场波为主。高电压、小电流的源产生电场为主的波。

在设计屏蔽控制辐射时，这个概念十分有用。由于这时屏蔽壳与源之间的距离通常在厘米数量级，相对于屏蔽 的情况。在远场，电场和磁场都变为平面波，即，波阻抗等于自由空间的特性阻抗 。

知道干扰辐射的近场波阻抗对于设计控制方法是十分有用 的。用能将磁通分流的高导磁率铁磁性材料可以屏蔽 200KHz 以下的低阻抗波。反过来，用能将电磁波中电矢量短路的高导 电性金属能够屏蔽电场波和平面波。 入射波的波阻抗与屏蔽体 的表面阻抗相差越大，屏蔽体反射的能量越多。因此，一块高 导电率的薄铜片对低阻抗波的作用很小。 对于任何电磁干扰，屏蔽作用由三种机理构成。入射波的一 部分在屏蔽体的前表面反射，另一部分被吸收，还有一部分在 后表面反射，如图 1-7 所示。 屏蔽效能 SE 等于吸收因子 A 加上反射因子 R,加上多次返射修正因子 B,所有因子都以 dB 表示。 表 1.10 和表 1.11 给出了不同的屏蔽效能，吸收损耗的计算公式如下： A=1.13t 式中；t-屏蔽厚度，cm; μr-屏蔽材料的相对导磁率； 由于吸收主要由屏蔽厚度产生的，吸收因子对所有类型的电磁波都一样，与近场还是远场无关。 以下是计算平面后反射损耗的公式，等于电场波和磁场波有类似的公式。 R=168 101g(μrf/σr)dB 表 1.10 信号强度的衰减

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dB 10 20 30 40 50 60 70

衰减的百分比 90 99 99.9 99.99 99.999 99.9999 99.99999

表 1.12 给出了一些常用屏蔽材料的相对导电率和导磁率。 如果吸收因子

6dB 以上，多次反射因子 B 可以忽略，仅当屏蔽层很薄或频率低于 20KHz 时，B 才是重要的。

在设计磁屏蔽时，特别是 14KHz 以下时，除了吸收损耗外，其它因素都可以忽略。同样，在设计电场或平面波 虑反射因子。

当一束电磁波碰到屏蔽体时，在表面上感应出电流。屏蔽的一个作用是将这些电流在最小扰动的情况下送到大

流的路径上有开口，电流受到扰动要绕过开口。较长的电流路径带来附加阻抗，因此在开口上有电压降。这个电

应出电场并产生辐射。当开口的长度达到 λ/4 时，就变成效率很高的辐射体，能够将整个屏蔽体接收到的能量

去。为了限制开口效应，一个一般的规则是，如果屏蔽体的屏蔽效能要达到 60dB,开口长度在感兴趣的最高频 0.01λ。每隔一定间隔接触的复合或用指形簧片连接的缝隙可以作为一系列开口来处理。

值得指出的是，材料本身的屏蔽特性并不是十分重要的，相比之下缝隙开口等屏蔽不连续性是更应该注意的因 表 1.12 用于屏蔽的金属特性 金属 银 铜 铝 锌 黄铜 镍 铁 铜 相对收导率 σr 1.05 1.00 0.61 0.29 0.26 0.20 0.17 0.10

相对磁导率 µ 1 1 1 1 1 1 1000 1000

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化学镀镍 总结

0.02

1

所有从事电气或电子设备设计的工程师都应该认识到他们所开发的项目的电磁兼容性要求。为了用较低的成本

题， 必须在项目的初期就考虑适当的 EMC 措施来满足相关的标准。 虽然仔细地进行电路设计能够有效一减小电磁 但本文后面所详细介绍的有关实际屏蔽技术的资料将使你在每一个特殊项目中采取一种适当的屏蔽。

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2、导电涂层 有了前一章中关于 RFI/EMI 背景的考虑，现在能研究导电涂层的选择范围。 干扰源 RFI/EMI 源可以划分为两类： · · 天然干扰源—例如雷电放电；

人为干扰源—它可以进一步划分为有意和无意干扰源，有意辐射信号来源于电源开关，焊接设备和射频加

设备都不同程度的产生辐射干扰。 (1)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

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 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 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

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 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 屏蔽材料的导电率将决定波的反射损耗。 (2)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 开的设备之间，都会产生干扰。

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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。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

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 如何进行屏蔽

下面这一节中，将从敏感设备防护外来电磁波的观点来考虑屏蔽。有效的屏蔽对设备自射 产生的电磁波也同 电磁波对其它设备造成危险。对于已有标准来说，屏蔽的后一个目的特别重要。

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

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

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

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 过窄缝隙到达另一个面，如图 2.1 所示。

电源围绕金属机箱运行

电流在机箱内表面运行

机箱/盖板截面图

图 2.1 围绕金属机箱的电流路径

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

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

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 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

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 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。 图 2.2 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

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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

图 2.2 辐射 RFI

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

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

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 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

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

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

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 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 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，见图 2.3。银常用于军 用设备，特别是需要防护 EMP(电磁脉冲)的设备。

图 2.3 屏蔽效能数据

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

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

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，

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 (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

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

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 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。

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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

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

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 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 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

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

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 0.0

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 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

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

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 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 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

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 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，

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 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，

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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

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

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 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

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 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，

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

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 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

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

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

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 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 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 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 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

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 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。

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(2)化学镀

化学镀的程序不应与常规的电镀混浠，电镀需要用直流电流使金属镀覆。化学镀或自动催化镀是化学镀覆均匀

金属涂层，它将减小零件表面的微电池反应。塑料的化学镀处理是在非导电塑料基材上产生薄金属涂层。通常选 镀，即镀铜(高导电性)再镀镍(防锈)。化学镀铜本质上是纯铜镀覆，而化学镀镍可包含3-10%磷。

在塑料镀的基本过程中，模压塑料机壳总是浸泡在一系列化学处理溶液中，由三个主要处理步骤组成，即预处

化处理和化学镀处理。化学镀的预处理包括溶解过程的改善——对于所有塑料则不需这一过程——还有酸洗和中

些溶液被配成能在塑料表面产生微观孔穴，可为化学镀金属涂覆提供粘附点。催化是由超微金属把颗粒对塑料基

洗后的微孔上的稀释溶液进行吸收而获得的。最后，将酸洗后的塑料部件浸泡在化学镀槽中，把颗粒的吸收作用

液至金属涂覆塑料表面的金属离子减少，从而完成化学镀。典型的处理步骤示于图2.5。这将产生一个模压式

箔壳并相应于双侧塑料镀处理。各种类型和级别的聚合物可以用这种方法进行化学镀，但每种聚合物的估量和模 是很重要的，因为同一种聚合物的不同级别的化学反应可以在很大范围内变化。 较差质量的模压制品不适用于双侧处理：因为所有模压制品的 高应力部分对化学反

应都很敏感，所以较差质量的模压制品在化 学腐蚀阶段就要发生破裂。 在塑料表面进行化学镀时，目前采用表面选择法。它应用表面 喷涂屏蔽薄膜，即在原始化学镀以后，两次浸泡在化学预处理溶 液中实现。这意味着许多不适用于双侧处理的聚合物模压制品， 可以在屏蔽壳的内表面进行选择表面镀。

图 2.5 塑料制品化学镀的典型处理过程

由于采用更厚的金属涂覆，塑料制品双侧和单侧镀处理都能使屏蔽效能增加而提供更大的衰减。

通过自动处理对所有内外表面及凹进部分进行化学镀，以避免人工操作时，视觉上出现的问题。由于化学镀铜

纯金属涂层，而没有粘结剂、填充物、氧化物和吸附气体等电镀涂层所附有的物质，一个0.625微米的极薄

可以提供约80dB屏蔽效能。铜可以在很宽频率范围内提供65至120dB屏蔽效能。而这种处理为保证可重

均匀的屏蔽效果提供了可能性，而且，大量生产时重要的是如何合理地降低成本，但这种处理方法的成本是镍导 列用于少量未镀件时所无法比拟的。 表2-1给出铜和镍在30MHz~1GHz频率范围内屏蔽效能的数据。

虽然许多聚合物的类型和等级能用这种方法进行化学镀，但早期估计化学反应是很重要的。在早期，化学镀专

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和设备设计者以及模压工紧密结合，以便在设计被确定以后，能获得最好的结果。塑料部件的几何形状和模压的 化学镀模具设计的重要依据；模压质量是处理时排除空气和化学杂质的保证。 表2-1化学镀屏蔽效能测试数据 屏蔽效能(dB) 化学镀层厚度(µm) 双侧或单侧 ASTM ESU-83 传输线 频率(MHz) 镍铜 30 A 0.375 B C D E 0.625 2 2 2 2 2 1 2 40 51 66 71 70 62 72 100 39 52 70 78 76 61 80 300 39 56 71 81 82 58 87

1

0.375 0.625

>

0.375 0.625

>

F 0.750 1.250 G 0.375 0.625 (56 天湿度) H 0.375 0.625 (56 天干燥) 动态范围(DR) 这种处理的优点是：

>

2

71

80

89

98

95

91

·对于所选金属给定的重量，实芯全金属箔能提供最佳的导电性/屏蔽。铜箔可在很宽的频率范围内提供屏蔽 ·所提供的电镀液能自由流动并湿润元件表面，使涂层均匀，可在全部镀层表面得到恒定的屏蔽衰减； ·它能简单快速的用于复杂的、大型或小型的部件，特别适用于大体积部件； ·与基体有极好的胶粘性，保证不会破碎或剥落。 (3)火焰喷涂

金属电弧喷涂，通常用来镀锌，已是很流行的方法，特别是在商用方面。它比导电漆和箔屏蔽更有效。厚度为

时，具有55~65dB的屏蔽效能，对于更厚的度层将有更大的衰减。然而，它的应用会受到环境的侵蚀，涂 匀性不定期取决于操作者的技巧，而且由于

涂层相当薄、韧性低，使塑料变得很容易损坏。

此项技术涉及在两条金属导线之间产生电弧，将金属汽化后，利用空气吹在塑料基体上。当熔融金属的粒子撞

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表面时，它们展平和冷却后，形成连续的金属薄膜。锌是常用的金属，用于RFI/EMI屏蔽目的，由专门的 工厂用专用设备进行。

虽然这项技术是最早的屏蔽方法之一，便它的应用受到粘着性和温度这两个内部相关的因素的限制。锌与塑料

纯粹是一种由金属粒子撞击所引起的机械连接。如果电弧枪离塑料部件太远，金属粒子就没有足够的能量保证适 着性；然而，枪如果离塑料部件太近，金属冷却时的热耗散，将足以使塑料变形。

在面对枪的一侧，锌涂覆的薄膜相当厚，对于大部分应用都能提供有用的屏蔽效能和低电阻率，见图2.6。

值得注意的是，如果机壳内侧被设计得更容易进行电弧喷涂，例如没有尖角、在肋之间有适当空间，并消除裂

将降低成本，并保证使用寿命。75~120RMS锌镀层能用适当的维护设备始终如一地获得，而且表面呈现

金属镀层，并当破碎时还留下金属光泽。当附加耐磨垫圈时，在磨擦表面得到一个类似的表面。紧配合时，相邻 配和拆卸时，互相摩擦的任意区域，每次都将产生新的、高导电率的接触。

锌是除银以外，在塑料上获得商用屏蔽涂层，最常用的导体之一。例如，电弧喷锌的电阻率仅为镍的几分之一

多情况下，适当的屏蔽能产生30~40dB衰减。如果采用电弧喷锌，这是很容易做到的，它提供的衰减范围

5~90dB,装入喷枪的锌为99.99%纯度。而喷涂的结果，金属与任何粘结料或其它运载物无关。锌镀层 性和抗腐蚀性质，其表面电阻率的典型为0.02Ω/□,衰减可达90dB。 (4)真空金属化

真空金属化将提纯的金属沉积在塑料部件上，其主要优点是美观和显著的屏蔽性质。所用的金属为铝(最常用 铜、钢、镍和银。涂层为0.05~10μm 厚，且相当均匀。

尼龙，聚芳基化物，聚酯很适合进行这种处理，而丙烯睛——丁二烯——苯乙烯三元共聚物，聚苯乙烯和聚碳

能被金属化。然而，粘接性和耐久性却不如其它技术。许多材料，特别是聚芳基化物，需要在镀覆之前先做基础

还有许多材料需要一个外部涂层作打底和抗紫外线。真空金属化小室的费用较贵，其尺寸大小将限制需要镀覆的 数量。而且保证平滑的金属涂层所用的夹具也将占用小室的空间。

当希望良好的装饰漆能在低频范围同时得到良好的屏蔽性能时，夹具的初始成本将很高，不锈钢的铜夹芯涂层

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的组合，能给出上至70dB抗扰度

,并具有抗腐蚀性。

通常，真空镀覆的涂层是均匀的，不影响塑料的冲击强度，也不影响其内部公差。这种处理能提供涂层的最佳 能屏蔽某些产品的重要区域而堵塞穿孔。

这种处理能用于聚光灯反射器，特种封装，底部封装和镜面，与用于RFI/EMI屏蔽目的相比，更适宜于 个目的。 涂层的代用技术

本节介绍屏蔽塑料基底的另外两种方法，一种是在模压元件系列上附加导电性质；另一种方法是应用导电金属 (1)导电填充塑料

近几年来，为发展导电填充物作出了许多尝试和努力，这种导电填充物将在不损伤塑料的机械性质的情况下提

性能。为了具有竞争力，所使用的材料必须比前述导电涂层技术中所用的材料价格低廉，并能提供RFI/EM

导电聚合物模压元件能提供物理性能坚固的机壳，它能使设备受到冲击时得到防护，而且当受到磨损或物理损

不致象喷涂涂层那样， 会使RFI/EMI屏蔽受到损害。 设备制造者也因导电涂层不必抛光而从降低成本中得

不同材料被用作塑料中的导电填充物，包括铝粉和纤维、石墨、不锈钢、镍粉和涂银玻璃珠。影响选择填充物 三个因素是： ·成本； 成本；

·要求导电填充物所占百分数。高面分数填充物不仅增加设备的磨损，还影响模压件的表面光洁度和物理性能

·纤维将按照处理时的熔液流动方向排列，而使角形和截面变化区域的屏蔽不均匀性增加，同时不定期引起机 的损失。

粉末金属已被证明具有某些优点，它能通过粉末与聚合物树脂的连接，改进模压件的机械性能。铝粉可使树脂

热传导增加，可用来改进导热性，而不锈钢纤维只需填充5%,就可获得良好的导电性，但铝粉通常则需要填充 40%。低填充不锈钢纤维可以将模压件所处理材料的设计改为未加压材料所期望的压缩的设计。

有些应用填充树脂系列模压件的用户，报告说不仅应考虑设备磨损问题——当考虑复杂模压设备结构形式的塑

的巨额费用这一主要因素时所需要考虑的问题——之外，还应考虑到在有些模压件中存在导电颗粒的不均匀漂移

特别是拐角区域和截面急剧改变的地方，以及几乎找不到任何颗粒的恶劣情况。如果需要采用此项技术，在机壳

需要特别仔细，尤其要注意截面的任何一个突变。在设计模具时，如缺乏周密的考虑，就会出现无法使用的模压

而在制冷设备中，此类填充物能不太昂贵地提供有用的导热性质，此项技术已成功地应用在与EMC目的相反的 制中。 (2)胶箔和胶带

有时需要改变形状，则可采用背胶金属箔，它主要用于塑料表面，以提供屏蔽。通常，柔软的箔或

带是用铜或

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的，可以用于机壳的内表面。然而，此项技术存在两个固有的问题如下： ·生产是基于手工在基体易损的表面上安放箔片；

·由基体至基体很少有完全相同的，特别是覆盖复杂的圆角。在一些部件上，需要在箔片之间进行重叠，这就 留下缝隙而成为缝隙天线。所采用的背胶常常是非导电的，它将在重叠的胶带或箔片之间形成电阻层。

不用置疑，在R&D环境中，对于RFI/EMI实验室鉴定，导电箔是一种有用的助手。可用于改进在EM

中失败的产品，并提高它们的性能。虽然不能被认为是一种理想的生产技术，但 μ 合金和其它软磁合金箔带是

的。尽管这些镍铁型合金有加工硬化的性质，如果应用适当，它们在磁场中能提供有用的屏蔽效能，并能很容易

属组件、部件附加在塑料模压件上。如果仔细地用在适当设计的部件上，则不需要对镍铁带或箔片重新进行热处 如果应用此技术需要箔有一定的形变，则还需进行热处理提高导磁性质。

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3编织丝网衬垫 机壳、机柜或机箱材料，无论是塑料喷涂导电漆的，还是用全金属的，在其上都有 密封要求。 在接头和缝隙处，导电衬垫是补救屏蔽裙带性(图3.1)被破坏的方法之一，这是对 RFI/EMI屏蔽的非永久性的措施，例如门的密封、面板与机壳、机柜工机箱间 的密封，以及与其它设备壳体间的密封。还有一种较永久性的密封，这包括： · · · 设备上安装蜂窝板和其它屏蔽通风板； 设备上安装透明的导电窗； 用自攻螺丝、螺检栓或其它紧固方法，把金属面板固定于金属框架上。图 3.1

屏蔽体完整

导电衬垫不是屏蔽体，但能保持屏蔽体的连续性。有各种各样已证明是有效的材料，其选择是根据衰减要求、 求、安装方法、防腐蚀、压紧力、接缝的不规则性和价格等因素。

本章详细描述设计编织丝网衬垫的原理。下一章介绍填充导电物的硅树脂衬垫。接地规则都是相同的。编织丝

已有几十年历史了，有最大的市场，为在接缝处恢复屏蔽体完整性以及其它壳体的连续性，提供了简便的方法。 设计思想 实际上，设计和研究工程师们一定要熟悉编织丝网衬垫，用于屏蔽时才能得到最佳蔽。 低阻接触

如果沿机箱周围的导电路径的连续性遭到破坏，例如加盖板(图3.2)时，妨碍了电流的流动，因为盖板和

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在几处点接触， 而且在这些点处又不可能有低阻接触。 细缝隙的作用就象有效的缝隙天线一样， 能接收和传输电磁

在所有频率(四分之一波

长小于缝隙长度)上，有RFI/EMI潜在的危险性。如果要保证好的屏蔽，必须在 盖板之间是低阻接触，而且接触处应是连续的。此外，为 有效实现屏蔽，在邻近接触点之间的间隔要小。

图 3.2 金属机箱/衬垫的电连续性；a)感应电流的路径； b)由于盖板，导电连续性被破坏；c)由衬垫重新建立导电路径的连续性。 衬垫使用

为了使机箱和盖板之间很好接触，可以使用屏蔽衬垫。在机箱和盖板之间填充衬垫，就可得到低阻接触。衬垫 性的，中以调节尺寸的变化，满足规定的机械允差。

编织丝网衬垫是最普通、最经济的衬垫。它的弹性结构满足长接缝的不均匀性，丝网的微微磨损可以破坏氧化

表面间更好接触。机械硬度是重要的因素。丝网衬垫抗金属表面压力，其压力是集中在金属丝网的接触区。当丝 属表面的硬度相近，并在氧化膜上有大的压力出现时，氧化膜被破坏，重建了良好的电接触。

衬垫可以减小接缝(金属机箱两部分之间的接缝)处的泄漏，是由于提供了两部分之间连续的、低阻路径。只

装填衬垫，且接触面干净，低阻 是能够实现的。在衬垫和两个导电表面之间，不应有涂漆层、粘合剂、润滑剂 绝缘物。常常，为了改善电接触，金属机箱的配合表面可以涂些镍环氧树脂涂料。 衬垫结构

编织丝网衬垫有两种类型：一种是压成矩形截面；一种是和状硅橡胶或其它弹性体加上一层或几层编织丝网。

3为第一种类型。图3.3a 中，在金属片XX和YY之间，衬垫提供低阻路径。导电路径是由丝网提供的，即

到YY是丝网的金属丝提供导电路径，也在它们之间起间隔作用，于是最好的安装如图3.3b 所示，使衬垫压缩

因此XX和YY之间又回到自身的机械接触。按这样的配置，使XX和YY紧靠在一起，缝 隙产生泄漏的可能性 衬垫在接缝处保持了良好的电接触。

图3.3丝网衬垫的安装

图3.3c 表示衬垫是由弹性体上加有管状金属丝网而组成。 XX和YY之间的接触是靠弹性体芯周围的金属丝

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