論文架構

本論文共分為理論模型、材料製程、成品製作與 EMI 屏蔽量測 等四部分。首先，針對電磁屏蔽的理論作一基本的探討，以瞭解其 原理與意義，並利用電路板製作導電纖維在材料中有方向性分佈的 模型，以分析電磁波的屏蔽型態；第二部分為導電塑膠材料的製作 過程，包括實驗步驟中所得的許多實務經驗與材料特性的觀察分析；

第三部分為研究壓縮成形以及射出成形兩種成形法的優、缺點及對 成品的影響；第四部分為不同尼龍與液晶塑膠材料的電磁屏蔽的量 測的定量分析與理論值的比較，以及對於纖維方向性分佈對成品 EMI 量測影響之探討。

表 1.1 提高塑膠材料抗電磁干擾技術的各種優缺點[11]

第㆓章、電磁屏蔽的理論分析

為了隔絕不必要的電磁輻射進入設備並影響其功能，在內部電 路產生雜訊，或是向外發散電磁波及對其他設備產生影響，因此我 們需要對敏感設備實行電磁屏蔽措施。為了研發可有效阻隔電磁波 的塑膠材料，我們首先研究電磁屏蔽（electromagnetic shielding）的 原理。由於干擾源與接收端相當於㆝線的行為，電磁波隨著不同的 電路結構與操作方式有相當複雜的形式，㆒般研究可將電磁場區分 為近場(near-field)及遠場(far-field)。就以簡單的偶極㆝線來說，當

R 1 2 <<

λ

π 時為近場，2 R >>1 λ

π 時為遠場，其㆗ R 為源點至場點的

距離[1]。在近場時，電偶極的電場大於磁場，稱之為高阻抗場(high-impedance field)，磁偶極的磁場大於電場，稱之為低阻抗場(low-impedance field)。而在遠場㆘，則兩者電磁輻射的波阻抗將歸於相 同，趨近於界質的本質阻抗，其可視為平面電磁波（TEM wave）[10]。

㆒個時變的電磁場照射在屏蔽材料時會產生感應電流而感應出 新的電磁場，新場方向會抵銷原來的場量。所以穿越的電磁場和原 來的場相比㆘被屏蔽材料衰減掉了。衰減量跟表面電流有關，而電 流相依於場強度及屏蔽特性，在此可用Schelkunoff 作定量分析[10]。

電磁場屏蔽可分為㆔部分：有些能量由屏蔽材料吸收，而由本

身的阻抗消耗為熱能；其他能量由於材料跟自由空間阻抗不匹配而 波的形式為主，其屏蔽效率(shielding-effectiveness, SE)定義為[3]：

)

incident log

在此常數K 和 source 有關。 過程稱為吸收損失(absorption loss)。α為㆒自然對數（每單位距離 r 的振幅改變量）又稱為衰減常數(attenuation constant)。

考慮㆒屏蔽材料厚度為 t，假設Ev₁

為電磁波剛要進入屏蔽材料表 面1 的電場強度，設Ev_1a

是穿越屏蔽材料而在離開材料表面2 前被衰

減的場，此導因於屏蔽的吸收損失A 可表示如㆘[10]：

我們可以將A 由簡單的σ、μ及f 等項目來表示：

波長在進入鋁導體內部後為2π倍的 skin depth，或 0.655mm。

在良導體㆗，其skin depth 及波長和在自由空間㆗的波長比都是非常

之比例為屏蔽阻抗（shield impedance），由 2.3、

2.4 可知對良導體而言屏蔽阻抗等於：

再來研究在屏蔽表面的磁場 Hv

在此av 及_E av 分別為_H Ev₀

和Hv₀

方向的單位向量。

所得新的場量亦需滿足 Maxwell's Equations。由於Ev_r

和Hv_r

場稱為被傳輸場（transmitted field）。

我們由以㆘Z 與_w Z 的定義得到被傳輸場強度。簡單而言，設_s

在此定義傳輸因子(transmission coefficient)，設為 T，訂為已傳 輸場Ev₁

與原始入射場Ev₀

之比，其大小為：

σ

( )

面的內部反射分量，則可定義出反射因子（reflection coefficient）:

s

( )

²

=1

dB

2.3塑膠導電原理

為什麼塑膠加入碳纖後就會變成導電的？這如同濾紙滲過墨 水，可以由逾滲的理論來說明[13]。設想我們有㆒張方格紙，物理㆖

把它稱為平面格點陣列（簡稱點陣）。這個格點陣列十分大，他的任 何邊界影響都可以不予考慮，在圖2.6a ㆗表示這個格點陣列的㆒部 分。在這些方格㆗有㆒部分在他們的㆗心有㆒個大黑點，黑點可以 是原子、分子或者其他粒子，就是說這些方格被佔據了。除了被佔 據的方格外，還有㆒部分方格是空著的，是未被佔據的方格。如 圖2.6b 所示，我們把相鄰的由大黑點所佔據的㆒組方格看成㆒個團，

並把它們圈起來，如圖 2.6c 所示。這裡所說的相鄰方格是指它們有 共同的邊，如果僅僅只有共同角的方格不能稱做相鄰方格，只能稱 為近乎相鄰方格。在㆒個團裡，把被佔據的方格，也就是黑點，互 相連接起來，連接的方法只能是沿著方格的方向來連接，連線不能 與方格的邊斜著交叉。所以連接在㆒起的只能是那些相鄰被佔據的 方格。

現在的問題是：在圖 2.6 的方塊㆗，黑點是如何分佈的呢？最

係。當黑點不斷增加，直到被佔據的方格在陣列㆗，從㆖到㆘、從 左到右，形成㆒個連續不斷的貫穿整個系統的團時，這個團稱為逾 滲團。當黑點所佔據的方格還不夠多時，便不能形成這樣子的㆒個 粒子團，但在局部區域㆗仍有逾滲現象。形成逾滲團的佔據機率稱 為臨界機率。

從實際的觀點來看，例如在絕緣合金㆗，其㆗絕緣的分子毫無 規則的被金屬原子所取代，在此可以觀察到逾滲的效應，在㆒定的 取代程度㆘，生長成類似逾滲團的金屬原子團，這種原子團在巨觀 的材料㆗便產生不為零的導電率，絕緣體就變成導體了。

在我們的實驗㆗，在塑膠㆗加入碳纖，當碳纖量很少時，無法 形成導電的路徑，因此仍為絕緣體，但當加入的碳纖量超過某㆒臨 界範圍時（1mm 短碳纖在 5％〜10％間，5mm 長碳纖<< 5％），碳 纖之間構成導電的路徑，此時塑膠與碳纖的合金就變成了導電材料。

加入的碳纖越多，所形成的導電路徑越多，就越能夠構成最低電阻 的路徑；合金的導電率也就越高，電阻也越低，電磁屏蔽效率也就 越高。

圖 2.1 由磁場Hv₀

到Hv₁

的封閉線積分路徑

圖 2.2 電磁波由空氣到金屬表面產生穿透與反射

Metal

Air

H v

1

H v

0

圖 2.3 電磁波在屏蔽材料㆗產生多重穿透、反射

圖 2.4 電磁波由金屬到空氣介面產生穿透與反射

R A+M+R

A

M

Frequency(Hz) Shielding Effectiveness (dB)

100 1k 10k 100k 1M 10M 300

250 200 150 100 50 0 -50

圖 2.5 0.5mm 的銅屏蔽材料其的屏蔽衰減量與頻率的關係

a b c

圖 2.6 逾滲現象的說明：（a）沒有被佔據的點陣、（b）被佔據的點 陣（c）逾滲團

第三章、 導電塑膠材料

3.1 材料製作

要使得導電率極低的塑膠材料具有屏蔽電磁波的效果的方法 有許多，如無電解電鍍、金屬濺鍍、塗裝導電漆、添加金屬纖 維等[3]，每種方法各有其優缺點。在本實驗中我們實際所使用 的方式以添加碳纖維為主，並與金屬蒸鍍塑膠板以及 5mm 純鋁 板作對照組，並分別測量其屏蔽能力及比較所得之實驗結果，

以下分別介紹各種不同樣品的製作過程：

3.1.1 金屬蒸鍍

首先製作量測標準 ASTM D4935-89 中所規範大小的塑膠圓 片，其直徑為 133 mm，厚度為 5 mm，在此實驗所使用的基材 為壓克力板，蒸鍍所用金屬為鋁（中山大學電機系）。執行金屬 蒸鍍之步驟如下：

一、 購買市面上已商業化的透明壓克力板（150×150×5 mm）。

二、 使用鋸床將壓克力板裁切出 133 mm 直徑的圓形，約四片備 用（圖 3.1a）。

三、 將兩片壓克力圓片表面油污以及碎屑、灰塵清除乾淨。

四、 以真空蒸鍍方式鍍上一層鋁。

五、 取出鍍好的壓克力片（參考圖 3.1b）。

3.1.2 尼龍與長碳纖的複合材料製程

在製作材料時需將尼龍（PA66，耐特，圖 3.2c），與碳纖 維（TS12，耐特，圖 3.2b），依照所需的比例，利用雙螺桿押 出機（圖 3.5）將材料熔解混合。其步驟如下：

一、 加熱雙螺桿押出機後，抽出螺桿並清理其附著於螺桿上之殘 餘料，並排列適當之螺桿結構順序。

二、 將螺桿放入機器內，試轉馬達以確保卡筍固定及雙螺桿轉動 之順暢。

三、 待達到要求之設定溫度後（融點 260℃，本實驗所使用的雙 螺桿押出機有九段設定溫度，分別設為 300℃、320℃、320

℃、320℃、320℃、300℃、300℃、280℃、280℃，馬達轉 速 200∼500rpm，注意負載電流不可超過 15A 以免跳機），

將抽氣幫浦打開，並控制雙螺桿之轉速，以配合出料速度。

四、 將尼龍原料放入計量器中，打開其計量馬達並控制適當轉 速，使其穩定送入料口。

五、 當尼龍穩定地從出口輸出後，在另一個計量器加入碳纖並使 之穩定送入料口，由於碳纖比較輕，要預防碳纖在進料口架

冷卻水槽冷卻硬化後送入剪切機中，切成顆粒狀。若顆粒大 小不甚均勻或是有過於彎曲而無法切斷的原料，可利用打碎 機打碎，以便下一階段成形實驗製作成品時使用。

七、 完成實驗後，將融點較低的塑膠加入雙螺桿押出機中，將剩 餘的高融點尼龍材料與碳纖清洗出來，以免影響到下一次的 實驗與成品，一般是使用聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）。

八、 將切成顆粒狀的原料放入烤箱中，以 80℃∼100℃烘烤 3 個 小時以上去除水分。

尼龍材料輸送至碳纖維入口前需已融化，以期能與碳纖混合 均勻。融化情形可由碳纖入口處觀察。

在實驗時，計量器必需要有效控制原料的進料速度，否則會 影響混合比例，以及出料的穩定性，此為量產時相當重要的一 個因素。業界量產所使用之計量器準確性相當高，但價格亦十 分昂貴（數十萬元）。因此在實驗時，我們先將所需之尼龍與碳 纖材料比例秤出，先大致混合均勻再加入雙螺桿押出機內融化，

並由螺桿將成束的碳纖打散，使得碳纖均勻分散於尼龍中。

3.1.3 尼龍與短碳纖的複合材料製程

尼龍與短碳纖（耐特）的混合材料其製作過程與尼龍與長碳

纖的混合材料製程相同，但需注意的是因為短碳纖外觀猶如棉 絮一般較輕且膨鬆，在加入時需另外用竹筷子束將碳纖與尼龍 一起壓入雙螺桿押出機中，否則短碳纖很容易積在入口處形成 架橋而不能跟尼龍材料混合。

另外還有尼龍與鋼絲（圖 3.2d）的混合材料，尼龍與鋼絲的 混合材料其製作過程和尼龍與碳纖的混合材料製程相同，但需 注意的是因為鋼絲比較堅硬，且比重較大，成形性差，摩擦力 大，需調高設定溫度以及並隨時注意轉速，以免材料遲滯導致 混合比例不均勻，而鋼絲混合塑料的製作過程對於螺桿的傷害 也很大，需特別留意。

3.1.4 液晶聚合物與長碳纖的複合材料製程

液晶聚合物（E6000，華宏新技，圖 3.2f）與碳纖的複合材

液晶聚合物（E6000，華宏新技，圖 3.2f）與碳纖的複合材

在文檔中 塑膠複合材料電磁屏蔽效應之研究 (頁 18-0)