影響板級(jí)屏蔽罩效能的幾大因素

板級(jí)屏蔽罩（BLS）廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品或系統(tǒng)中，在解決電磁兼容問(wèn)題（如電磁干擾輻射、系統(tǒng)內(nèi)部干擾、射頻問(wèn)題等）中發(fā)揮重要作用。隨著終端客戶的要求不斷升級(jí)，對(duì) BLS 的設(shè)計(jì)要求也日益提升。如今，客戶需要更高的頻段、更輕、更小巧，或較低高度的屏蔽材料等等。因此，工程師如何評(píng)估 BLS 產(chǎn)品的屏蔽效能 (SE) 就成為了關(guān)鍵。本文通過(guò)介紹實(shí)際模擬和測(cè)試匯總出影響板級(jí)屏蔽性能的幾個(gè)關(guān)鍵因素。本文可在工程師設(shè)計(jì)或選擇電磁干擾屏蔽解決方案過(guò)程中提供一定參考

孔徑對(duì)屏蔽效能的影響

要設(shè)計(jì)出一個(gè)完全封閉的 BLS 是不現(xiàn)實(shí)的，設(shè)計(jì)師通常需要在 BLS 上開(kāi)一些孔，以達(dá)到通風(fēng)排氣，或者進(jìn)行信號(hào)收發(fā)，器件避讓等目的。本文提供了一些典型的 BLS 設(shè)計(jì)模型，通過(guò)比較這些模型的屏蔽效能，我們可以從中得出一些有用的 BLS 屏蔽應(yīng)用的設(shè)計(jì)原則。

孔徑大小的影響

在大部分應(yīng)用場(chǎng)景中，孔徑均不超過(guò) 2mm，在電磁學(xué)領(lǐng)域，這與電磁干擾波長(zhǎng)相比只是很小的長(zhǎng)度（即電小尺寸）。因此，單孔不可能形成有效的天線。現(xiàn)在，假設(shè)我們需要在 BLS 蓋板上開(kāi)一列圓孔。以下哪種設(shè)計(jì)更適合用于電磁干擾屏蔽？（孔的總面積保持不變。）

通過(guò)對(duì)比電磁干擾模擬，萊爾德獲得了兩個(gè)設(shè)計(jì)模型的屏蔽效能數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明，孔越小，BLS 的屏蔽效能越好。 也就是說(shuō)，孔尺寸對(duì)屏蔽效能的影響大于孔數(shù)量所產(chǎn)生的影響。

孔徑/間隙結(jié)構(gòu)的影響

在側(cè)壁或 BLS 框架與蓋板之間通常采用條狀孔。對(duì)于兩件式 BLS，由于裝配的局限性，蓋板和框架之間會(huì)有一定的間隙。這就形成了波導(dǎo)效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致電磁干擾泄漏。所以我們應(yīng)該考慮增加一些搭接點(diǎn)來(lái)阻斷輻射路徑，下面中的例子顯示了不同設(shè)計(jì)帶來(lái)的不同屏蔽效能。要注意，即使我們將間隙寬度保持在 0.01 mm，這個(gè)微小的孔隙仍然會(huì)導(dǎo)致屏蔽效能大幅下降。

有更多研究表明，孔徑的長(zhǎng)邊尺寸對(duì)屏蔽效能起著決定性作用，而短邊則幾乎無(wú)此影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，工程師應(yīng)避免采用長(zhǎng)狹縫孔設(shè)計(jì)，即使空隙非常狹小。

材料對(duì)屏蔽效能的影響

BLS 最常使用的材料是冷軋鋼、不銹鋼和洋白銅。這些材料的導(dǎo)電性均很高。鑒于此，在計(jì)算屏蔽效能時(shí)，我們可以忽略滲透率的影響。SE 的理論公式為：

SE ≈ R = 20 ·lg(η0/4η)

其中，η0是電磁干擾源的波阻抗，在平面波中此值為 377ohm；η是屏蔽材料的阻抗。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，其表達(dá)方式為：

因此，材料的傳導(dǎo)性 (σ) 是影響屏蔽效能的關(guān)鍵因素。要探明不同材料制成的 BLS 的屏蔽效能，一如往常，萊爾德進(jìn)行了多次比較模擬和測(cè)試。這些實(shí)驗(yàn)表明，不同材料的屏蔽效能值基本相同。甚至在完成了高溫高濕的老化測(cè)試后，屏蔽效能的結(jié)果也沒(méi)有發(fā)生明顯變化。

影響屏蔽的另一個(gè)重要因素是趨膚效應(yīng)。這是指高頻電流傾向于通過(guò)導(dǎo)體的外表面，而不是導(dǎo)體的內(nèi)部。因此，如果電磁屏蔽結(jié)構(gòu)采用了金屬化電鍍，那么屏蔽性能主要取決于此電鍍材料；而基底材料則不是那么重要。

在低頻率下，BLS 產(chǎn)品通常用于抑制通常由低阻抗源（例如，電感器、變壓器）引起的磁場(chǎng)。在這種情況下，電磁干擾屏蔽機(jī)制會(huì)變得較為復(fù)雜。在準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)中，磁通量將被誘導(dǎo)通過(guò)具有較高磁導(dǎo)率的材料。因此，屏蔽效能是由屏蔽結(jié)構(gòu)材料厚度和磁導(dǎo)率決定。當(dāng)頻率升高時(shí)，渦電流引起的反射損耗將占主導(dǎo)因素。也就是說(shuō)，材料的傳導(dǎo)性成為影響屏蔽效能的關(guān)鍵因素。為了量化分析在低頻下不同材料的屏蔽效能，我們建立了一個(gè)模型來(lái)計(jì)算 BLS 的屏蔽效能。我們?cè)?BLS 的內(nèi)部和外部放置兩個(gè)線圈，并在 BLS 下方設(shè)置一個(gè)理想地平面。然后，我們通過(guò)測(cè)量有無(wú) BLS 的情況下線圈的耦合量數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算其屏蔽效能，此時(shí)屏蔽效能SE可表示為：

SE(dB)=S21（無(wú) BLS）- S21（有 BLS）

下圖顯示了電磁仿真模型和結(jié)果。使用三種典型材料進(jìn)行建模。電性能參數(shù)如上表所示。我們發(fā)現(xiàn)坡莫合金在低于 100kHz 的頻率下表現(xiàn)最好。CRS 材料也適合用于低頻應(yīng)用，高于100k Hz 時(shí)，鎳銀成為最佳屏蔽材料。此外，如果將材料厚度增加一倍，我們可以看到，屏蔽效能也會(huì)隨之提升。

* 注意，我們?cè)谀M中設(shè)置的磁導(dǎo)率是一個(gè)常數(shù)，在現(xiàn)實(shí)中，金屬材料的磁導(dǎo)率會(huì)隨著頻率的增加而急劇下降。

其他因素（EMI干擾源、接地方式等）

本質(zhì)上，電磁干擾屏蔽的目標(biāo)是形成一個(gè)法拉第籠，將電磁場(chǎng)內(nèi)外隔離開(kāi)來(lái)。但 BLS 只提供了五個(gè)屏蔽面，它需要與 PCB 形成接地連接，以形成一個(gè)完整的籠體。我們還需要考慮其他可能會(huì)影響整體屏蔽性能的因素。以下是對(duì)我們研究結(jié)果的討論。

EMI干擾源

首先，我們注意到EMI干擾源（天線）的阻抗對(duì)屏蔽效能的影響微乎其微。通常情況下，高阻抗天線（如偶極子天線）會(huì)帶來(lái)更高的屏蔽效能或動(dòng)態(tài)范圍，但我們無(wú)法給出一個(gè)量化的數(shù)據(jù)，因?yàn)椴煌奶炀€結(jié)構(gòu)本身會(huì)產(chǎn)生不同的影響結(jié)果。另一個(gè)需要重視的因素是屏蔽體和干擾源之間的距離。如果干擾源位于泄漏點(diǎn)附近，那么顯然會(huì)導(dǎo)致屏蔽效能減弱。這里有一個(gè)極端情況的示例。當(dāng)有信號(hào)線穿過(guò) BLS 的孔徑時(shí)，電磁干擾泄漏就會(huì)變得非常嚴(yán)重。

下圖顯示了信號(hào)軌跡穿過(guò) BLS 的城堡狀槽口時(shí)電磁場(chǎng)的分布情況。如果我們進(jìn)行比較試驗(yàn)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，兩種場(chǎng)景下（電磁干擾源在 BLS 內(nèi)部以及穿過(guò) BLS 時(shí)）的屏蔽效能截然不同。

BLS 接地

大多數(shù) BLS 是通過(guò)貼片安裝方式焊接到 PCB 上。在某些情況下，也需要穿孔組裝。這實(shí)際上是形成了源于 BLS 的部分對(duì)板接地。接地孔的數(shù)量也可能影響屏蔽質(zhì)量。因此，萊爾德完成了對(duì)三種接地方法的模擬研究。這些方法包括完全接地（通孔間隙_0.8mm）、部分接地（通孔間隙_7mm）和浮動(dòng)式（無(wú)接地通孔）。下圖顯示了三種不同接地方式的模型。

顯然，完全接地時(shí)的屏蔽效能最好。其次是部分接地。浮地的效果最低。此外，當(dāng) BLS 用浮地方式裝配在 PCB 時(shí)，寄生電容起著重要的屏蔽作用。我們發(fā)現(xiàn)，腔體的諧振點(diǎn)發(fā)生了改變，在某些頻率下時(shí)，屏蔽效能值可能是負(fù)值。

BLS 內(nèi)部的介質(zhì)材料

在之前的研究中，我們并沒(méi)有考慮介質(zhì)材料對(duì)屏蔽效能的影響。但是，在實(shí)際工程應(yīng)用中，有許多電介質(zhì)元件安裝在 BLS 內(nèi)（例如，PCB 材料、導(dǎo)熱墊、電磁干擾吸波材料）。這些電介質(zhì)將影響屏蔽效能，尤其是改變腔體的諧振頻率點(diǎn)。一般而言，介質(zhì)材料會(huì)壓縮在其內(nèi)部傳播的電磁波的波長(zhǎng)，這是因?yàn)樗瓤諝饣蛘婵站哂懈叩慕殡姵?shù) (ε=1)。介質(zhì)材料內(nèi)的波長(zhǎng)(εr.)是

其中λ0 是真空下的波長(zhǎng)。εr 是介質(zhì)材料的介電常數(shù)。波長(zhǎng)被壓縮會(huì)導(dǎo)致屏蔽出現(xiàn)兩種結(jié)果。其一，空腔諧振頻率點(diǎn)將被轉(zhuǎn)移到更低的頻率。其二，隨著波長(zhǎng)越來(lái)越短，電磁波更有可能從孔中漏出。因此，屏蔽效能會(huì)減弱。如圖所示，在 BLS 內(nèi)部涂一層吸波材料會(huì)得到不同的結(jié)果。由于吸波材料附著在內(nèi)部，BLS 成為一個(gè)損耗腔。諧振頻點(diǎn)被全部消除。這就是 BLS 和波材料組合解決方案的一個(gè)典型應(yīng)用，萊爾德通常將其稱為多功能解決方案。

結(jié) 論

僅從結(jié)構(gòu)來(lái)看，BLS 只是一塊簡(jiǎn)單的金屬殼體。但在電磁干擾屏蔽性能方面，仍然有許多因素可以決定實(shí)際的屏蔽效能。總而言之，BLS 的主要考慮因素是孔徑/孔，而與材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率有關(guān)的因素并非主要因素，但在低頻屏蔽應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮這類因素。在較高頻率下，空腔諧振會(huì)大大削弱屏蔽效能。然而，目前已證明全波電磁干擾模擬在解決這些問(wèn)題方面特別有用。結(jié)合使用吸波材料，可以有效抑制高頻電磁干擾輻射。萊爾德高性能材料（杜邦旗下業(yè)務(wù)）為客戶提供端對(duì)端解決方案。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，屏蔽效能模擬和測(cè)試到大規(guī)模生產(chǎn)和裝運(yùn)，萊爾德致力協(xié)助制造商善用和保護(hù)電子裝置，以使其獲得最大生產(chǎn)效益。

審核編輯 ：李倩