屏蔽效率量測理論計算與結果

4.1 屏蔽效率量測理論與計算

屏 蔽 效 率 的 量 測 有 數 種 不 同 的 方 式 ， 而 其 基 本 的 概 念 如 圖 4-1(P.32)所示。圖 4-1 中的 Pi為入射電磁波的功率，Po 為無屏蔽介質，

Po

'是加入屏蔽介質的接收端電磁功率。定義插入損失(Insertion Loss)：

' o o

P log P 10

IL =

（dB） (4.1)

IL 值即代表量測所得之材料屏蔽效率。

我們所使用的量測方式參考 ASTM-D4935，如圖 4-2(P.33)所示，

為一有凸緣的同軸夾具(Flanged Circular Transmission-Line Holder)，

圓盤形的待測物夾放於中。由於我們量測所用的電磁波頻率在 30MHz 到 1GHz 以下(FCC 規範之電磁輻射頻率範圍)，其波長比量測機構的 尺寸大許多，故用電路元件模型作近似分析[6]。圖 4-3(P.33)為理想的 電路結構，尚未考慮接面之間的電容效應。此模型下我們可以推得：

L 0

Z 2 1 Z log 20

IL = +

(4.2)

圖 4-4(P.34)為考慮夾具-待測物與夾具之間的電阻及電容。由實 驗資料我們定性討論高頻情形下這些電阻電容造成的影響。設 Z0為

20 log T Z

2 1 Z log 20 IL

L

0

= −

+

=

(4.3)

的條件下將 ZL分別在 30MHz，1GHz 頻率下以電阻元件代之，以便 作電路分析並比較。

利用 SPICE 電路軟體輔助，我們模擬了圖 4-4 的電路並比較 30MHz 及 1GHz 的變化，歸納討論以下幾種情形：

•當 RA、RB、RE、RF極小而視為短路時，IL 接近於理想值。

•當 RA、RB、RE、RF非為短路時：

1. 當 CA、CB、CE、CF 視同短路，即電容值相當大，ωC>>1。

圖 4-5(P.34)表示在 30MHz 與 1GHz 之下，R 與 C 對 IL 值的關 係(設 R=RA=RB=RE=RF且 C=CC=CD)。可看出在 30MHz 時 IL 約接近 40dB 的 R、C 範圍之中，對應到 1GHz 時有部分區域 出現衰減。

2.當 CA、CB、CE、CF非視為短路時，由於變數眾多，難以簡單 描述，但可歸納出一現象，即是當 CA、CB、CE、CF越小，高 頻衰減現象越不明顯。圖 4-6(P.35)為當 CA、CB、CE、CF視為 開路時，RA、RB、RE、RF的影響。此時接觸電阻越大，IL 值 將大於理想值。

由上述歸納結果，我們相信接觸電阻及電容在量測過程中會是不 28

可避免的因素之一，很可能影響量測結果。另外，若材料導電率越高，

其接觸電阻需越小越好，否則更容易受電容影響。以圖 4-7(a,b)(P.35) 為例，同樣令接觸電阻、CA、CB、CE、CF極大，Cc=CD=C 從 100nF 到極大值。圖 4-7(a)的材料導電率較低(500S/m)，故高頻下不較被電 容影響。圖 4-7(b)導電率為 1500S/m，屏蔽效率較高，在同樣的電容 影響下，明顯比圖 4-7(a)更受影響。至於在低頻時兩者落差較大的原 因是在低頻時若 Cc、CD電容小，阻抗將很大，使量測之 IL 值降低很 多，故低頻亦有其限制。實際上電阻電容的值隨著材料性質、與夾具 接觸緊密程度會有所不同，理論上我們希望接觸電阻越小越好，而電 容值越大越好。

4.2 導電材料之量測結果與討論

材料屏蔽效率量測結果如表 4-1(P.32)。我們發現使用粉末狀的金 屬混合塑膠材料很難達到電磁屏蔽的作用，原因若以材料導電率的觀 點來看，鋁粉及鋁片的直徑小於 20μm 以下，顆粒之間較難產生連 通的網狀結構。根據滲透理論得到的結果[7]，必須超過相當的臨界含 量，其導電率才會明顯上升[8-12]，如圖 4-8(P.36)所表示，ö1與 ö2分 別為展弦比為 A1與 A2的導電填充物之滲透臨界值。因 A1大於 A2，

超過 30%導電效果仍不明顯。且實驗結果發現摻雜物比例越高，越容 易造成金屬-基材間的接合不良，材料會明顯地脆化，使機械強度降 低，製程困難度增加。故摻雜纖維狀的導電物將會是較佳的方式。我 們改用耐龍(PA66)作為基材(matrix)，添加的纖維(fiber)為鋼絲與碳纖 維、玻璃纖維。量測結果發現，玻纖並沒有屏蔽的作用，而鋼絲混合 不均勻。鋼絲的混合不良，降低了屏蔽效率，若改進製程應會有更佳 的效果。混合碳纖維與鋼絲的試片則有最好的屏蔽效果，於是我們選 擇碳纖維作為進一步研究的材料。

為了驗證電磁屏蔽的理論，我們量測複合材料的導電率，進而計 算屏蔽效率。我們假設的前提是：材料內的纖維結構、空隙遠小於 1GHz 以下的電磁波波長。對於 PA66 而言，其相對介電係數在 1GHz 以下並沒有太大變化，約在 3-4 之間[13]，故將材料視為均勻介質。

導電率(σ)的量測，參考 ASTM-D257 測試方法，將材料(接觸面積 A，

厚度 L)兩面緊密接觸金屬(圖 4-9,P.36)，量測其電阻值 R，然後可由：

A R

L

= ×

σ

(4.4)

得到導電率σ。在量測時，由於材料導電率已相當高，故量測時的接 觸電阻會影響結果。我們假設量測時金屬與材料的接觸電阻為 Rc，

30

量測面積 A，而厚度分別為 L1、L2的兩個相同材料，所量得的總電 較如圖 4-11(P.37)所示。在 30MHz 頻率下，屏蔽效率為 40.5dB，在 100MHz 時已超過 50dB，至 1GHz 時達 63.7dB。圖中的虛線為理論 的 SE 值，實線則是假設其他因素不影響量測的情形下，估計電容效 應(Cc、CD)約在 10nF 左右，而接觸電阻(RA、RB、RE、RF)在 0.1Ω左 右所造成的影響。我們由此計算可發現無論在高低頻下將較符合量測 值。

圖4-1 屏蔽效率之基本量測方式

Z

₀

Z

_L

V

_i

Z

₀

圖4-3 屏蔽效率量測之理想電路結構

Test Sample reference

13.3 cm 3.2cm 7.6cm

圖4-2 屏蔽效率量測設備的結構

Test Holder

Signal Generator (HP8646A)

Spectrum Analyzer (HP8567A)

log R

log C

圖4-5 固定頻率下，R與C對IL值的關係

30MHz

1GHz

高頻IL衰減區域

C

_A

C

_B

Z

₀

R

_A

R

_B

C

_C

V

_i

C

_F

Z

₀

Z

_L

C

_E

R

_E

C

_D

R

_F

圖4-4 考慮接面間電容電阻之電路結構

IL

圖4-7 C_c與C_D從100nF到1F時 ，頻率與IL的關係。

(a) σ=1500S/m (b) σ=500S/m

IL IL

frequency frequency

C=100nF

C=1F C=1F

C=100nF 圖4-6 C視為開路時，R與頻率對IL的關係

log frequency log R

IL

導電率

填充導電物比例 ö₁ ö₂

(L/D)=A₁ (L/D)=A₂

A₂<A₁

圖4-8 添加纖維長寬比不同，含量與導電率的關係

Metal

Sample

Ω

圖4-9 材料導電率量測方式

Number of Sample

圖4-10 導電率量測結果(PA66+CF+SSF)

圖4-11 屏蔽效率的理論值、量測值與接觸電阻，電容 影響之計算值

Frequency(Hz)

Sheilding Effectiveness(dB)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

conductivity S/m

Calculation without capacitance effect

Calculation with capacitance effect

Measurement

第五章 結論與未來工作

我們已利用電木、耐龍、液晶高分子塑膠材料與鋁粉、鋁片、碳 纖維、鋼絲等金屬填充物混合，以熱壓縮成形、雙螺桿混合、射出成 形法製作導電化的材料。製程上，以雙螺桿混合長度 5mm 的碳纖與液 晶高分子，可穩定輸出的混合比上限為 10%。欲達到更高的比例，須 使用較短的碳纖；鋼絲與碳纖、玻纖混合時，較難分佈均勻；以熱壓 縮成形法製作圓片時，其模內溫度控制在 320℃左右為適當，且由實 驗中得知，為減低氣泡含量，須注意其壓縮程序，。

由材料的金相分析及屏蔽效率量測結果，發現含鋁粉及鋁片的導 電物無屏蔽效果，而 30%碳纖維可以使屏蔽效率達到 40dB 以上。從 量測結構的等效電路觀點討論電磁屏蔽實驗值與理論值，其接面的電 阻電容為造成量測值較理論低的原因之一。本研究的結果顯示，碳纖 維混合塑膠材料有較高的屏蔽效率，因此利用碳纖維填充塑膠複合材 料之塑膠成型封裝適合應用於低價位光電模組的選擇。

為了製造品質穩定的材料並使其電磁屏蔽效率提高，其涉及的領 域相當廣泛，包括化工，機械，電機等等且彼此相關。其中，製程對 纖維分佈[14-18]、纖維分佈對材料特性[19]、電磁波散射及吸收的

38

行為[20-23]以及電磁屏蔽理論與實驗的不確定因素[24,25]等等，可 說相當複雜，理論及實驗上都有待進一步深入研究。未來須努力的目 標為：

一、利用射出成型模具的設計控制纖維分佈，或以金屬線分層排 列於塑膠薄片的方式，研究其纖維方向對屏蔽效果的影響。

二、更深入探討影響電磁屏蔽量測的結果，除了接面電阻電容 外，量測系統以及材料的均勻度、人為因素，都是造成誤差 的原因。

三、配合塑膠封裝雷射模組製作的需求，研究適當的導電性塑膠 材料製程，並解決其電磁干擾的問題。

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在文檔中 塑膠成型構裝雷射模組材料之電磁屏蔽研究 (頁 36-52)