新型編織碳纖維複合材料應用於2.5Gb/s光收發模組電磁屏蔽效應之研究
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(2) 中文摘要 新型編織碳纖維複合材料具有質量輕、成本低等優點，並且在遠 場量測中有良好的電磁屏蔽效率。本研究目的係以編織形式碳纖維 (woven continuous carbon fiber, WCCF)複合材料為電磁屏蔽外殼，量 測 其 在 近 場 輻 射 及 應 用 於 2.5Gb/s 光 收 發 模 組 之 電 磁 屏 蔽 效 率 (Shielding Effectiveness, SE) ，將 WCCF 以三種不同編織方式：平織、 斜織及單一方向編織結構。在遠場量測結果中，WCCF 斜織雙層結構 其電磁屏蔽效率可高達 80dB。而將此斜織結構作為 2.5Gb/s 光收發模 組的塑膠外殼，在近場量測結果其電磁屏蔽效率可高達 50dB。 針 對 WCCF 複 合 材 料 、 奈 米 碳 球 (nanoscale hollow carbon nanocapulses, HCNCs)複合材料、尼龍(Nylon)與碳纖維複合材料及液 晶高分子(liquid crystal polymer, LCP)與碳纖維複合材料，比較其成 本、重量及屏蔽效率等特性作比較，結果顯示 WCCF 複合材料有較 低成本、較輕重量及較佳電磁屏蔽效率。. I.
(3) Abstract A High electromagnetic shielding, light weight, low cost plastic package is developed by using a woven continuous carbon fiber (WCCF) epoxy composite. Three different weaving types of WCCF, plain、 balanced. twill. and. uni-direction. structure,. are. fabricated. for. understanding the shielding property of the WCCF composites. By weaving the WCCF in a balanced twill structure with excellent conductive network, it shows that the SE can reach to about 80dB under plane-wave source measurement and about 50dB in the near-field source measurement. By comparison of cost, weight, and shielding performance for optical transceiver modules fabricated by the housings of woven continuous carbon fiber, nanoscale hollow carbon nanocapulses (HCNCs) epoxy composites and nylon and liquid crystal polymer (LCP) with carbon fiber filler composite, the WCCF composites shows lower cost, light weight, and higher electromagnetic shielding than the other types of composites.. II.
(4) 致謝 感謝指導教授鄭木海博士這兩年在研究與生活上的悉心指導和 教誨，使我對學習研究的方法與待人處事的態度有更深一層的體認與 瞭解。並且在研究的過程中提供許多寶貴建議，使我在各方面更虛心 的學習與進步。 另外要感謝口試委員李清庭教授、吳宗霖教授、施天從教授、黃 贛麟博士的蒞臨指教，使我的論文內容更加地完善。 接著感謝中山大學電機系吳宗霖教授在研究方向的指導與建 議、工研院化工所黃贛麟博士提供的奈米碳球材料、高雄應用科技大 學模具系提供的碳纖維複合材料，以及所內老師們在課業上的指導， 使我在學業與研究上能順利地進行。 再來要感謝中山大學電機所電磁相容實驗室、射頻微波實驗室、 機電所磨潤實驗室與光電所的所有成員們在研究過程中的諸多幫忙 與協助。其中尤其要感謝與我朝夕相處的光電構裝實驗室所有的學長 姊、同學與學弟們，在研究、課業與生活上給予我的指導和鼓勵。此 外還有陪伴我一起走過這段歲月的高中與大學時期的同學朋友，以及 工研院親切的學長姊們。 最後特別要感謝長期來不辭辛勞工作並且教育栽培我的父母 親，與親友們的在這一路求學過程中的支持與鼓勵，很高興能與大家. III.
(5) 一起分享這份研究成果，謝謝大家。. IV.
(6) 內容目錄 中文摘要. I. 英文摘要. II. 致謝. III. 內容目錄. V. 圖表目錄. VIII 1. 第一章 導論 1.1. 研究目的. 1. 1.2. 文獻回顧. 2. 1.3 論文架構. 3. 第二章 電磁屏蔽於輻射理論基礎. 4. 2.1 電磁屏蔽理論. 4. 2.2 電磁波輻射理論. 7. 第三章 編織形式碳纖維複合材料與電磁屏蔽效率. 10. 3.1. 編織形式碳纖維的製程與編織結構. 10. 3.2. 屏蔽外殼之製作. 12. 3.3 電磁屏蔽效率之量測. 14. 3.3.1 實驗架構. 14. 3.3.2 量測系統與方法. 15. V.
(7) 3.4. 22. 實驗結果. 第四章 奈米碳球複合材料與電磁屏蔽效率. 28. 4.1. 奈米碳球複合材料. 28. 4.2. 屏蔽試片與外殼之製作. 31. 4.3. 遠場電磁屏蔽效率量之測. 34. 4.3.1 實驗架構. 34. 4.3.2 量測系統方法. 35. 4.3.3 等效電路模型. 40. 4.4. 近場電磁屏蔽效率之量測. 4.5 實驗結果. 43 44. 第五章 尼龍、液晶聚合物之碳纖維複合材料與電磁屏蔽效率. 46. 5.1. 尼龍、液晶聚合物與碳纖維複合材料. 46. 5.2. 遠場電磁屏蔽效率量測. 48. 5.3. 近場電磁屏蔽效率之量測. 49. 5.4 實驗結果. 50. 第六章 結果與討論. 53. 6.1. 整合分析比較. 53. 6.2. 結論. 58. 6.3. 未來方向. 60. VI.
(8) 參考文獻. 61. 附錄一、常見產品設備的電磁波輻射頻段. 63. 附錄二、碳纖維的基本特性. 64. VII.
(9) 圖表目錄 表 3.1 三種編織結構的碳纖維複合材料基本特性. 10. 表 6.1 複合材料在遠場中的各項特性之比較. 56. 表 6.2 複合材料在近場中的各項特性之比較. 57. 表 6.3 複合材料應用在 2.5Gb/s 光收發模組中的各項特性之比較 57 圖 2.1 屏蔽材料的電磁屏蔽效應. 6. 圖 2.2 電磁波輻射源 (a)電單極天線 (b)環形天線 (c)光收發模組 9 圖 3.1 碳纖維束. 11. 圖 3.2 碳纖維複合材料之編織方式 (a) Balanced Twill weave (b) Plain weave. (c) Uni-direction. 11. 圖 3.3 碳纖維複合材料之屏蔽外殼 (a) Balanced Twill weave (b) Plain weave. (c) Uni-direction. 11. 圖 3.4 碳纖維排列方向示意圖 (a)斜織與平織結構 (b)單一方向結構. 13. 圖 3.5 無反射波電磁相容實驗室. 18. 圖 3.6 量測 EMI 的儀器設備 (a)訊號產生器 (b)號角天線 (c)低雜訊前置放大器. (d)頻譜分析儀 (e)方位控制器. (f)轉接頭. 19. 圖 3.7 使用電單極天線為電磁波輻射源之實驗架構示意圖. 20. 圖 3.8 使用環形天線為電磁波輻射源之實驗架構示意圖. 20. VIII.
(10) 圖 3.9 使用光收發模組為電磁波輻射源之實驗架構示意圖. 21. 圖 3.10 光收發模組正常工作中的眼圖. 21. 圖 3.11(a) 單層碳纖維試片使用電單極天線的電磁屏蔽效率. 24. 圖 3.1(b) 單層碳纖維試片使用環形天線的電磁屏蔽效率. 24. 圖 3.12(a) 碳纖維試片使用電單極天線的電磁屏蔽效率. 25. 圖 3.12(b) 碳纖維試片使用環形天線的電磁屏蔽效率. 25. 圖 3.13(a) 不同層數碳纖維試片使用電單極天線之電磁屏蔽效率 26 圖 3.13(b) 不同層數碳纖維試片使用環形天線之電磁屏蔽效率. 26. 圖 3.13(c) 不同層數碳纖維試片使用光收發模組之電磁屏蔽效率 27 圖 4.1 奈米碳管與奈米碳球示意圖. 30. 圖 4.2 奈米碳球之電子顯微鏡照片 (a)填充金屬奈米碳球 (b)中空奈米碳球. 30. 圖 4.3 拉伸試驗機. 33. 圖 4.4 奈米碳球複合材料 (a)屏蔽試片 (b)屏蔽外殼. 33. 圖 4.5 遠場輻射實驗架構示意圖. 38. 圖 4.6 遠場輻射實驗儀器 (a)向量網路分析儀與夾具 (b)同軸夾具. 38. 圖 4.7 遠場輻射量測試片幾何規格 (a)參考試片 (b)負載試片. 39. 圖 4.8 理想同軸傳輸線等效電路模型. 42. IX.
(11) 圖 4.9 加入寄生阻抗與接觸電阻修正後的等效電路模型. 42. 圖 4.10 奈米碳球複合材料遠場之電磁屏蔽效率. 45. 圖 4.11 奈米碳球複合材料近場之電磁屏蔽效率. 45. 圖 5.1 尼龍與液晶聚合物加入碳纖維之金相分析 (a)尼龍加入 25%碳纖維 (b)液晶聚合物加入 25%碳纖維 47 圖 5.2 遠場輻射量測試片 (a)尼龍與碳纖維複合材料 (b)液晶聚合物與碳纖維複合材料. 48. 圖 5.3 屏蔽外殼 (a)尼龍與碳纖維複合材料 (b)液晶聚合物與碳纖維複合材料. 49. 圖 5.4(a) 遠場輻射中 Nylon 與碳纖維複合材料之電磁屏蔽效率. 51. 圖 5.4(b) 遠場輻射中 LCP 與碳纖維複合材料之電磁屏蔽效率. 51. 圖 5.5(a) 近場輻射中 Nylon 與碳纖維複合材料之電磁屏蔽效率. 52. 圖 5.5(b) 近場輻射中 LCP 與碳纖維複合材料之電磁屏蔽效率. 52. 圖 6.1 複合材料在遠場輻射中的電磁屏蔽效率. 55. 圖 6.2 複合材料在近場輻射中的電磁屏蔽效率. 55. 圖 6.3 複合材料應用於光收發模組之電磁屏蔽效率. 56. X.
(12) 第一章. 導論. 1.1 研究目的 科技的發展日新月異，近年來由於電子與通訊技術的快速進步， 電子產品趨於低電壓、高速與小型化發展方向。通訊系統的操作頻率 越來越高，系統中電子元件的電磁波輻干擾射問題日益嚴重，輻射問 題不僅影響電子元件本身以及週邊其他電子產品的正常功能，更可能 危害人體健康。例如美國聯邦傳播委員會(Federal Communications Commission, FCC) 與美國電機電子工程協會(IEEE)制訂對電子產品 的電磁波輻射規範，而對於現今普遍使用的行動電話系統也制訂了電 磁波能量吸收比值(Specific Absorption Rate, SAR)等相關規範[1]，常見 產品設備的電磁波輻射頻段如附錄一所述。因此如何預防與降低電磁 波的干擾，已成為現今研究的重要課題。 碳纖維具有元素碳的許多優點，例如導電性良好、比重小、強度 大、耐熱、耐腐蝕、導熱係數大和膨脹係數小等。碳纖維材料應用廣 泛，其具有優越的強度大與質量輕特性廣為現今工中業例如航太與汽 車工業等所常用，此外應用在許多運動器材上亦屬生活中所常見。碳 纖維具有的良好導電特性更是工業與生活中常使用的抗電磁干擾材 料之一，此外並具有纖維結構的撓曲特性，可進一步加以編織與加工 成型，以應用在各種不同的方面[2]。. 1.
(13) 本研究主要以碳纖維為電磁屏蔽複合材料之基材，將碳纖維複合 材料以三種不同的編織方式：平織 (Plain Weave)、斜織(Balanced Twill Weave)、單一方向 (Uni-direction)碳纖維排列方式。將碳纖維複合材 料製作成屏蔽外殼，量測分析其應用於天線系統與光纖通訊系統中 2.5Gb/s 光收發模組之電磁屏蔽效率(Shielding Effectiveness, SE)。接 著分別將奈米碳球(Nanocapsule)複合材料、尼龍(Nylon)與碳纖維複合 材料、液晶高分子(Liquid Crystal Polymer, LCP)與碳纖維複合材料製 作成的屏蔽外殼，以相同的實驗架構量測其電磁屏蔽效率。最後將這 些複合材料的各項特性數據作一整理，比較分析其應用上的優缺點， 以期能夠應用於質量輕、低成本的光纖通訊系統與各種電子產品上。. 1.2 文獻回顧 塑膠是現代工業廣泛使用的一種材料，在生活中也是隨處可見。 而一般的塑膠材料並不具有電磁屏蔽的效果，應用在電子產品的外殼 封裝時，除了要提供對內部電子電路及元件的保護功能外，有時還必 須加強對防止電磁波干擾的能力。為了使外殼封裝能夠抵抗對電磁波 的干擾，最基本的要求是材料本身需具有導電性質，一般電磁屏蔽複 合材料的製造採用添加導電性填充材料、金屬直接加工、金屬電鍍與 無電解電鍍等方式，但這些方式有著成本高與環境保護上等問題。. 2.
(14) 碳纖維的發現由來已久，其主要是由碳元素所組成。碳纖維具有 高強度與質量輕的特質早已在工業與民生用品各方面受到廣泛應 用，另一方面由於碳纖維具有導電性質，因此也漸漸被應用在電磁屏 蔽的功能上。碳纖維複合材料和金屬材料比較起來，除了導電性之 外，在其他方面例如質量輕、耐高溫、高強度、扭力強等特性均在金 屬材料之上，因此將碳纖維電磁屏蔽複合材料應用在電子資訊產品的 外殼封裝上，應具有長遠的發展潛力。. 1.3 論文架構 本論文共分為電磁屏蔽與輻射理論、電磁屏蔽材料簡介與製作、 EMI 屏蔽量測與整合分析探討四部分。首先對於電磁屏蔽與輻射的理 論基礎作一介紹；第二部分為電磁屏蔽材料的特性簡介與試片製程， 這部分簡介了四種複合材料的特性與製程，這四種複合材料分別為編 織形式碳纖維複合材料、奈米碳球複合材料以及尼龍、液晶聚合物與 碳纖維複合材料；第三部分為電磁屏蔽效率的量測，將前述四種複合 材料分別進行遠場量測與近場量測；第四部分為綜合比較探討，以量 化的數據來比較四種複合材料在成本與表現上的關係，進而瞭解各種 材料在應用上的優缺點。. 3.
(15) 第二章. 電磁屏蔽理論基礎. 2.1 電磁屏蔽理論 一般導電性材料的電磁屏蔽方式主要可分為三部分：反射損失 (Reflection Loss)、吸收損失(Absorption Loss)、多重反射損失(Multiple reflection Loss)[3]，如圖 2.1 所示。因此電磁屏蔽效率(SE)可由以下方 程式描述： SE = Reflection Loss + Absorption Loss + Multiple reflection Loss =R+A+M. (2.1). 反射損失發生在當電磁波由自由空間中入射到一導體表面時，由 於 介 面 兩 端 的 介 質 阻 抗 不 同 ， 導 致 阻 抗 不 匹 配 (Impedance Mismatch)[4] ，因此會有部分反射部分穿透的情形產生。反射係數 ( Reflection Coefficient )與傳輸係數(Transmission Coefficient)可由下 式定義： Γ=. T=. Z Z. W W. − ZS. (2.2). + ZS. 2Z. (2.3). S. ZW + Z S. ZW：波組抗(Wave Impedance) ZS：屏蔽組抗(Shielding Impedance) 接著當電磁波入射到介質中時，電磁波能量部分傳遞到介質中使. 4.
(16) 電子產生自由運動，部分因離子碰撞產生熱能而耗損，此皆可構成介 質對電磁波的吸收損失，一般來說入射到介質中的電場與磁場會呈現 指數衰減。 而多重反射損失則是因電磁波在介質中，因與外部介質阻抗不匹 配而來回重複反射震盪所造成。 對於電場的電磁屏蔽效率定義為： SE = 20 log. E E. (2.4). i t. Ei：入射電場強度(V/m) Et：穿透電場強度(V/m) 對於磁場的電磁屏蔽效率定義為： SE = 20 log. H H. (2.5). i t. Hi：入射磁場強度(A/m) Ht：穿透磁場強度(A/m) 對於功率(Power)的電磁屏蔽效率定義為： SE = 10 log. P P. (2.6). i t. Pi：入射功率(Watt/m2) Pt：穿透功率(Watt/m2). 5.
(17) 在電磁屏蔽理論中，對於場源為為近場或遠場的區分是以波阻抗 (Wave impedance) Zw 來定義[5 ]：. Z. w. =. Eθ Hφ. (2.7). 在遠場時 Zw 的值等於空間中的本質阻抗(intrinsic impedance)η0， 因此遠場電磁波可假設為均勻平面電磁波，而在近場中 Zw 並不是一 個定值。一般定義遠場與近場的分界點為距離場源的距離為 λ/6 的位 置： 遠場(Far-field)：γ > λ/6 近場(Near-field)：γ > λ/6 其中 γ：距離場源的距離 λ：輻射電磁波之波長 Power Incident. Reflection. Interface 1 Absorption &. Shielding. Multiple Reflection. Material. Interface 2. Power out. 圖 2.1 屏蔽材料的電磁屏蔽效應 6.
(18) 2.2 電磁波輻射理論 根據馬克斯威爾方程式(Maxwell’s equations)[6]可知，電磁波的產 生來自於時變電荷與時變電流，換句話說電子在導體中以非等速度運 動則會產生電磁波。因此，對於一個適當的天線系統提供具有頻率的 交流電訊號即會有電磁波輻射的產生，而電磁波輻射的場型則會因天 線的形式架構而有所不同。 本研究在量測中使用了三種電磁波輻射源：電單極天線、環形天 線與光收發模組。電單極天線與環形天線屬於簡單的天線系統，因此 用來與電路形式的光收發模組在其經過封裝之後的電磁屏蔽效果作 比較，而由於光收發模組內部電路複雜，其輻射的電磁波形式亦較電 單極天線與環形天線來的複雜許多。. (一)電單極天線 電單極天線由一小根長直的導體所構成，可視為電偶極天線的正 端[7]。本研究使用長度為 2cm 的電單極天線作為電磁波輻射源，如圖 2.2(a)所示，電單極天線經由同軸電纜線連接到訊號產生器，當由訊 號產生器饋入訊號時，便會產生電磁波輻射。. (二)環形天線 環形天線同樣是由單一的導線彎曲成圓形構成，其一端連接到訊 7.
(19) 號源，另一端則接地，本研究使用直徑為 2cm 的環形天線作為電磁 波輻射源，如圖 2.2(b)所示，環形天線經由同軸電纜線連接到訊號產 生器，當由訊號產生器饋入訊號時，便會產生電磁波輻射。. (三)光收發模組 光收發模組(Optical Transceiver Module)為光通訊系統中的重要 元件之一，如圖 2.2(c)所示，其功能為將光訊號轉換成電訊號或將電 訊號轉換成光訊號，換句話說就是光訊號與電訊號彼此間轉換的介 面 ， 光 收 發 模 組 內 部 的 電 路 大 致 可 分 為 傳 送 (Transmitter) 與 接 收 (Receiver)兩部分。由於光訊號比電訊號有失真低、傳輸距離遠等優 點，因此以光纖取代電纜線已成為一種趨勢，光收發模組的應用量也 將隨之增加，如現在各先進國家普遍推行的 FTTH (Fiber to The Home) 就是一個例子。本研究使用 OC-48(2.5Gb/s)光收發模組，其操作波長 為 1310 nm。. 8.
(20) (b) 環形天線. (a) 電單極天線. (c) 光收發模組. 圖 2.2 電磁波輻射源. 9.
(21) 第三章. 編織形式碳纖維複合材料 與電磁屏蔽效率. 3.1 編織形式碳纖維的製程與編織結構 碳纖維是由母材在一定的張力與溫度下，經過一定時間的預氧 化、碳化和石墨化等處理程序製作而成。將碳纖維依照不同的 k 數抽 絲之後成為碳纖維束，如 3.1 圖所示。本研究使用的碳纖維 k 數為 3， 代表一束碳纖維約由 3000 根的碳纖維組成，最後再將碳纖維束以不 同的編織方式製作而成為碳纖維布。 本研究使用的碳纖維複合材料共有三種不同的編織方式：斜織 (Balanced Twill Weave)、平織 (Plain Weave)、單一方向 (Uni-direction) 碳纖維排列方式，如圖 3.2 所示，表 3.1 為這三種編織結構的基本特 性。而經由研究的需要再將碳纖維布製作成屏蔽外殼，如圖 3.3 所示。. 表 3.1 三種編織結構的碳纖維複合材料基本特性 Weaving type. Thickness. Weight. Balanced Twill Plain Uni-direction. 0.28 mm 0.28 mm 0.15 mm. 250 g/m2 200 g/m2 150 g/m2. 10.
(22) 圖 3.1 碳纖維束. (a) Balanced Twill weave. (b) Plain weave. (c) Uni-direction. 圖 3.2 碳纖維複合材料之編織方式. (a) Balanced Twill weave. (b) Plain weave. (c) Uni-direction. 圖 3.3 碳纖維複合材料之屏蔽外殼. 11.
(23) 3.2 屏蔽外殼之製作 由圖 3.2 中可以看到，平織與斜織結構同樣都是具有兩個相互垂 直的碳纖維排列方向，而單一方向編織結構顧名思義只有全部皆為同 一方向的碳纖維排列。本研究使用到一到三層厚度變化的結構，因此 在屏蔽外殼製作上，第一層、第二層與第三層平織、斜織屏蔽外殼的 碳纖維排列方式都是相同的，如圖 3.4(a)所示。 另一方面，在遠場輻射的量測研究中發現到：當單一方向結構在 層數為三層時，第二層與第一層呈 90 度排列，第三層與第二層呈 90 度並與第一層平行時，會有最佳的電磁屏蔽效果[8 ]。因此單一方向結 構的屏蔽外殼在製作上也以同樣的方式，如圖 3.4(b)所示，使其第二 層與第一層呈垂直排列，第三層與第二層呈垂直並與第一層平行。. 12.
(24) Layer 1. Layer 2. Layer 3. (a) 斜織與平織結構. Layer 1. Layer 2. (b) 單一方向結構. 圖 3.4 碳纖維排列方向示意圖. 13. Layer 3.
(25) 3.3 電磁屏蔽效率之量測 3.3.1. 實驗架構. 電磁屏蔽效率的近場量測在無反射波電磁相容實驗室( fully anechoic electromagnetic compatibility chamber) 中進行[9]，如圖 3.5 所 示，無反射波實驗室的大小為 3×4×7m。在實驗中使用置於無反射波 實驗室外的訊號產生器為訊號源，如圖 3.6(a)所示，連接到無反射波 實驗室內部置於木桌上的電磁波輻射源，再由距離電單極天線 3m 的 號角天線(Horn Antenna)接收電磁輻射，如圖 3.6(b)所示，接收天線的 架設需與木桌高度相同，如此才能接收到最大的電磁輻射能量。接收 天線將接收的電磁波訊號經由同軸電纜線傳送到無反射波實驗室 外，先經過低雜訊前置放大器(Preamplifier)將訊號放大，如圖 3.6(c) 所示，再傳送到頻譜分析儀(Spectrum Analyzer)做觀測，如圖 3.6(d) 所示。. (一)以電單極天線為電磁波輻射源 第一種實驗架構是以電單極天線為電磁波輻射源，直接由訊號產 生器饋入訊號產生電磁波輻射，量測中將改變頻率由 1GHz 到 3GHz 與屏蔽外殼由一到三層兩個變數，來觀察電磁屏蔽效率的變化，整體 實驗架構如圖 3.7 所示。. 14.
(26) (二)以環形天線為電磁波輻射源 如同以電單極天線為電磁波輻射源的近場電磁屏蔽效率量測，將 電磁波輻射源置換成環形天線，量測中將改變頻率由 1GHz 到 3GHz 與屏蔽外殼由一到三層兩個變數，來觀察電磁屏蔽效率的變化，整體 實驗架構如圖 3.8 所示。. (三)以 2.5Gb/s 光發模組為電磁波輻射源 以光發模組為電磁波輻射源的近場電磁屏蔽效率量測，除了使用 訊號產生器饋入訊號之外，還需外加直流偏壓來驅動，由於 2.5Gb/s 光收發模組的操作頻率為單一頻率 2.5Gb/s，因此在量測中僅改變屏 蔽外殼由一到三層這一個變數，來觀察電磁屏蔽效率的變化，整體實 驗架構如圖 3.9 所示，為了確定光收發模組能正常運作，可經由眼圖 的量測來確定，正常運作中的眼圖如圖 3.10 所示。. 3.3.2. 量測系統與方法. 在無反射波實驗室量測 EMI 時所需要的儀器設備有訊號產生 器、頻譜分析儀、低雜訊前置放大器、方位控制器(如圖 3.6(e))、接 收天線、同軸電纜線、轉接頭(如圖 3.6(f))等，以下分別介紹訊號產 生器與頻譜分析儀的設定。 15.
(27) (一)訊號產生器設定 1. 按 Power 鍵開啟電源，先熱機約 10 到 15 分鐘。 2. 按 Frequency 鍵，依所要量測的頻率輸入數值，在以光收發模 組為電磁波輻射源的量測中，由於光發模組操作在 2.5Gb/s，因 此頻率部分設定在 2.5GHz。 3. 按 Amplitude 鍵，依所需要的訊號振幅大小輸入數值，在以單 極天線與環形天線為電磁波輻射源時，分別設定振幅大小為 -10dBm、0dBm 與 10dBm，以光收發模組為電磁波輻射源時， 則分別設定振幅大小為 300mV、400mV 與 500mV，此外光收發 模組需外加 3.3V 的直流偏壓。 4. 若需要做掃頻的動作時，訊號產生器必須做掃頻的設定，首先按 下 Sweep 鍵，進入選單之後，Sweep Type 設定為 step，Sweep Repeat 設定為 count，接著再設定訊號的振幅大小和掃頻的起始 和截止頻率。. (二)頻譜分析儀設定 1. 按 Power 鍵開啟電源，先熱機約 10 到 15 分鐘。 2. 依序按 Frequency 與 Center 鍵，設定螢幕顯示的中心頻率。 3. 按 Span 鍵，設定要量測的起始和終點頻率。. 16.
(28) 4. 依序按 BW 與 Resolution Bandwith ，設定解析頻寬為 300k， 解析頻寬越大，螢幕顯示的背景雜訊越高，但掃瞄速度也較快。 5. 在量測時，按 TRACE 鍵可進入觀看量測結果的功能畫面，按 MAX HOLD 鍵選取量測到的訊號最大值，接著按 VIEW 鍵將 畫面固定，再按 MKR→ 鍵可用旋扭來移動螢幕上的游標觀察 定點的精確數值，此時可按 HCOPY 鍵再選擇 Print Screen 、 Print Trace 或 Print Table 鍵儲存資料。 CLEAR/WRITE 鍵功 能為使畫面更新以進行重新的量測觀察， SELECT TRACE 與 BLANK 鍵功能為使用兩個觀察模式時交互觀測用。. 由於儀器的靈敏度極高，在實驗操作中必須注意到以下幾點： 1. 儀器操作者需戴靜電環，避免操作儀器時人體身上的靜電傳導 到儀器上，而影響儀器的正常運作甚至損壞儀器。 2. 訊號產生器在掃頻模式下操作時，儘量避免操作時間過長而使儀 器損壞。 3. 無反射波實驗室對外電纜線的通道需用銅絲球塞住，如此一來可 避免內部訊號的外漏而影響量測的正確性。 4. 訊號產生器和頻譜分析儀在關機先按 Preset 鍵再關機，以方便 下一次的使用。. 17.
(29) (三)量測方法 由訊號產生器輸出訊號後，在無反射波實驗室內部接收天線將會 接收到輻射的電磁波訊號，此時可經由頻譜分析儀觀察到所量測的數 值，碳纖維複合材料之電磁屏蔽效率可由如下的公式計算[10]：: SE =∣Eref∣-∣Erad∣ (dB). (3.1). ∣Eref∣：未加上屏蔽外殼之前輻射源的輻射電場 ∣Erad∣：加上屏蔽外殼之後輻射源的輻射電場 為了儘量得到數據的正確性，實驗須經過多次反覆的量測，再取 其量測結果的平均值。. 圖 3.5 無反射波電磁相容實驗室 18.
(30) (b) 號角天線. (a) 訊號產生器. (c) 低雜訊前置放大器. (d) 頻譜分析儀. (e) 方位控制器. (f) 轉接頭. 圖 3.6 量測 EMI 的儀器設備. 19.
(31) Monopole type Shielding house. emission source. Coaxial cable Horn Antenn Radiation. Spectrum Signal. Wooden. Generator. table. Analyzer. 3. 圖 3.7 使用電單極天線為電磁波輻射源之實驗架構示意圖. Loop emission source. Shielding house. Coaxial cable Horn Antenna Radiation. Spectrum Signal. Analyzer. Wooden. Generator. table. 3. 圖 3.8 使用環形天線為電磁波輻射源之實驗架構示意圖. 20.
(32) Package. Horn Antenna Radiatio. Spectrum Signal Generator. Analyzer. Wooden table. 3. 圖 3.9 使用光收發模組為電磁波輻射源之實驗架構示意圖. 圖 3.10 光收發模組正常工作中的眼圖. 21.
(33) 3.4 實驗結果 本研究在對於以編織形式碳纖維複合材料的電磁屏蔽效率的量 測分析中，由屏蔽外殼的製作到電磁屏蔽效率的量測，接著將量測結 果分為兩部分，第一個部分為三種編織結構在單層時，SE 對於不同 頻率 1GHz 到 3GHz 的變化，使用的電磁波輻射源有電單極天線與環 形天線兩種；第二個部分為三種編織結構在頻率 2.5GHz 時，SE 對於 不同層數一到三層的變化，使用的電磁波輻射源有電單極天線、環形 天線與 2.5Gb/s 光收發模組三種。. (一)電磁屏蔽效率對頻率的變化 針對電磁屏蔽效率對於頻率變化範圍在 1GHz 到 3GHz 的量測結 果，如圖 3.11 所示，斜織結構由於編織方式與單位面積碳纖維含量 較高的因素，電磁屏蔽效率在三種結構中為最高，約為 25dB 到 35dB。平織結構在各頻段上約相差斜織結構 3dB 到 5dB 左右。另一 方面，對於這些 SE 變化的趨勢，另外增加了一個量測結構來與此作 分析比較，將單一方向兩層結構的屏蔽外殼，量測其 SE 對於頻率的 變化，如此做的原因是由於單一方向雙層結構與斜織和平織結構同樣 都具有兩個互相垂直的導電方向，這樣一來便能多一項研究數據來做 參考比較。而量測結果顯示出單一方向雙層結構與斜織、平織兩種編. 22.
(34) 織結構大致相同的 SE 變化趨勢，如圖 3.12 所示，因此 SE 對於頻率 的變化趨勢應為材料的因素所導致，而由於網眼數量、大小與分佈情 形等的不同，則會造成其他較細微部分的改變[11]。. (二)電磁屏蔽效率對層數的變化 針對電磁屏蔽效率對於不同層數一到三層的量測結果中，如圖 3.13 所示，在頻率固定為 2.5GHz 時，斜織結構的 SE 在三種結構中 仍為最高，平織結構則同樣相差斜織結構約 3dB。在單一方向的單層 結構中，由於屏蔽外殼的導電方向僅侷限在單一方向上，整體的導電 性比起斜織與平織結構具有二維的導電平面相差很多，因此電磁屏蔽 效率相對較低。當層數增加到兩層的結構時，由於多了一個垂直方向 的導電平面，並且這兩層彼此間有互相的接觸，如此一來整體的導電 性較單層的結構有大幅的提升，電磁屏蔽效率也隨之提升。 此外在光收發模組的部分，由於光收發模組是一種電子電路元 件，電磁波輻射形式較為複雜，並且接地不如電單極天線與環形天線 來的良好，因此電磁屏蔽效率相較於電單極天線與環形天線為低。另 一方面由於編織形式碳纖維複合材料是屬於網狀屏蔽材料，其電磁屏 蔽效率自然會受到頻率與網眼等因素的影響。. 23.
(35) Shielding Effectiveness(dB). 50. Balanced Twill Weave Plain Weave Uni-directon. 40 30 20 10 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. Frequency(MHz) 圖 3.11(a) 單層碳纖維試片使用電單極天線的電磁屏蔽效率. Shielding Effectiveness(dB). 50 Balanced Twill Weave Plain Weave Uni-direction. 40 30 20 10 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. Frequency(MHz) 圖 3.11(b) 單層碳纖維試片使用環形天線的電磁屏蔽效率. 24.
(36) Shielding Effectiveness(dB). 50. Balanced Twill Weave Plain Weave Uni-direction (2 layers) Uni-directon. 40 30 20 10 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. Frequency(MHz) 圖 3.12(a) 碳纖維試片使用電單極天線的電磁屏蔽效率. Shielding Effectiveness(dB). 50. Balanced Twill Weave Plain Weave Uni-direction (2 layers) Uni-direction. 40 30 20 10 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. Frequency(MHz) 圖 3.12(b) 碳纖維試片使用環形天線的電磁屏蔽效率. 25.
(37) Shielding Effectiveness(dB). 70. Blnanced Twill Weave(2.5GHz) Plain Weave(2.5GHz) Uni-direction(2.5GHz). 60 50 40 30 20 10 0 0. 1. 2. Layers. 3. 4. 圖 3.13(a) 不同層數碳纖維試片使用電單極天線之電磁屏蔽效率. Shielding Effectiveness(dB). 70 Balanced Twill Weave(2.5GHz) Plain Weave(2.5GHz) Uni-direction(2.5GHz). 60 50 40 30 20 10 0 0. 1. 2. 3. 4. Layers 圖 3.13(b) 不同層數碳纖維試片使用環形天線之電磁屏蔽效率. 26.
(38) Shielding Effectiveness(dB). 50 Balanced Twill Weave Plain Weave Uni-direction. 40 30 20 10 0 0. 1. 2. 3. 4. Layers 圖 3.13(c) 不同層數碳纖維試片使用光收發模組之電磁屏蔽效率. 27.
(39) 第四章. 奈米碳球複合材料與電磁屏蔽效率. 奈米技術應用發展約是在 1980 年代之後逐漸快速發展，這其中 當然也伴隨著相關技術的發展，例如各式掃描探針顯微鏡相繼出現， 從而幫助人們對奈米材料的特性有更進一步了解，此外一般所熟知的 半導體製程技術也逐漸由微米(µm)進入奈米(nm)階段。 一般定義奈米材料的顆粒尺寸為 1 nm 到 100 nm，其物理與化學 特性也和巨觀特性有很大的差異。奈米技術在應用上能使產品更具輕 薄短小、省能源、高容量密度、高精細、高性能、高功能等優點，因 此奈米科技已成為全世界科技發展的重點之一。. 4.1 奈米碳球複合材料 由於碳六十(Fullerene)與奈米碳管(Carbon Nanotube)的相繼發 現，這些質輕、結構完美的碳簇材料漸漸受到重視，奈米碳管在 1991 年由 NEC 公司研究員利用電弧放電法合成碳六十時所發現。碳奈米 管具有高強度、高韌性、質量輕、可撓曲、高表面積、表面曲度大、 高熱傳導度及熱穩定性、導電性特異等優點。 奈米碳球(Carbon Nanocapsule)是由多層石墨層以球中球結構所 組成的多面體碳簇，其粒徑約為數個至數十奈米，外部石墨層中央部 份都是六圓環，邊角或轉折部份則有五圓環組成，每個碳原子皆為 sp2 28.
(40) 構造，此特殊石墨結構使其具有熱傳導性、導電性、強度佳、化學性 穩定等優點。奈米碳球上石墨層之構造與多層奈米碳管相似，因此亦 可將其視為一種徑長比約等於 1 的顆粒狀碳奈米管，如圖 4.1 所示。 奈米碳球的製備方法有雷射濺鍍法(Laser Ablation)、化學氣相沈 積法(Chemical Vapor Deposition)、電弧放電法(Electric Arc Discharge) 等。碳球內部為中空或可填充金屬，因此有填充金屬奈米碳球(Metal filled nanocapsule)與中空奈米碳球(Hollow carbon nanocapsule)兩種， 如圖 4.2 所示，奈米碳球不但與奈米碳管同樣具有優越的電子特性與 機械特性，填充金屬奈米碳球的外層石墨結構可提供內部奈米金屬粒 子一個穩定存在的環境。在奈米碳球中，顆粒不會再聚集長大、或受 到環境氧化破壞，使其結構以及量子效應等性質得以長久保存，外層 石墨結構亦可進行化學修飾改質，使其易分散於溶劑中而方便利用， 並增加親和力。此外填充金屬奈米碳球的特性會因為填入不同類的金 屬而改變；可依此開發出各式功能性的奈米碳球衍生物材料，進而擴 大其應用範圍。這些優點都是碳六十及奈米碳管不容易做到的。 奈米碳球過去是在製造碳奈米管的同時被少量發現，其數量僅足 夠在電子顯微鏡下觀察其結構。由於奈米碳球與碳管間有強的凡得瓦 力，不易將其分離純化。目前工研院化工所研發的奈米碳球製程技術 製備量大且純度超過 95%，本研究使用之中空奈米碳球係由工研院化. 29.
(41) 所使用電弧放電法所製備[12]。. Carbon nanotube. Carbon nanocapsule. 圖 4.1 奈米碳管與奈米碳球示意圖. (b) 中空奈米碳球. (a) 填充金屬奈米碳球. 圖 4.2 奈米碳球之電子顯微鏡照片. 30.
(42) 4.2 屏蔽試片與外殼之製作 本研究使用奈米碳球複合材料進行電磁屏蔽效率之量測，奈米碳 球複合材料的試片製作上，使用拉伸試驗機將試片加壓，拉伸試驗機 如圖 4.3 所示，此目的在使奈米碳球分佈更均勻與緊密，進而讓試片 的導電性更為良好。初步先經由人工方式將奈米碳球均勻置放分佈於 兩層樹脂之間製作成試片，試片的直徑大小為 133mm，接著再使用 拉伸試驗機將試片加壓，以下分別介紹拉伸試驗機的熱機程序與試片 加壓的操作步驟。. (一)熱機程序 1. 將電源開啟。 2. 將幫浦開啟。 3. Manual Control 之旋扭旋轉至 Return 處，待液晶顯示器之 stroke 為 0mm 後，依序旋轉至 Hold、Open、待 Stroke 約為 100mm 時， 再，依序旋轉至 Hold、Return 等待 stroke 為 0mm，將以上過程 重複操作五次以完成熱機程序。 4. 使用 ZERO 旋扭將 Load 調整為零。. (二)試片加壓操作步驟 1. 將試片置於加壓平台的墊片上。 31.
(43) 2. 設定壓力為 100 KN，下壓速度為 0.1 mm/s。 3. 當壓力到達設定值後，開始進入保壓時間，保壓的目的為使試片 內部的奈米碳球能均勻分佈，如此一來能使奈米碳球彼此之間 接觸的更為緊密，保壓時間設定為 10 分鐘。. 製作完成的試片如圖 4.4(a)所示，而屏蔽外殼的製作也是使用同 樣的製程，只是初步的試片製作換成了矩形的形式，之後再製作成屏 蔽外殼。由於樹脂是屬於不導電的物質，並且接地是影響屏蔽效果的 重要因素之一，在量測時必須再考慮屏蔽外殼接地的問題，因此屏蔽 外殼在製作時將一小部分的樹脂以銅箔取代，以利奈米碳球與外界的 導電，屏蔽外殼如圖 4.4(b)所示。 在試片的製作過程中與製作完成後，有以下幾點需要注意： 1. 奈米碳球經過長時間放置會有些許結塊的情形產生，在製作試片 之前務必將結塊的部分加以磨碎或敲碎，如此一來能使製作完 成的試片在結構上更為結實緊密。 2. 經過加壓之後的試片必須保持水平放置，且盡量避免搖晃而使內 部變的鬆散。. 32.
(44) 圖 4.3 拉伸試驗機. (b)屏蔽外殼. (a)屏蔽試片. 圖 4.4 奈米碳球複合材料. 33.
(45) 4.3 遠場電磁屏蔽效率之量測 本研究在遠場電磁屏蔽量測中，以模擬遠場平面電磁波的傳播情 形，使用向量網路分析儀 (Vector Network Analyzer)提供與接收電磁 波能量，進而量測得到散射參數(Scattering parameters)[13]。 定義插入損失(Insertion Loss)為輸入功率與輸出功率的比值： IL( R) = 10 log POR. P. (4.1). i. IL( L) = 10 log POL. P. (4.2). i. IL(R)：參考試片的插入損失 IL(L)：負載試片的插入損失 因此屏蔽材料的電磁屏蔽效率(SE)為： SE = IL(R) - IL(L). (4.3). 在研究則直接計算由儀器所量測得到的散射參數[14]：. SE = S 21R − S 21L. 4.3.1. (4.4). 實驗架構. 在遠場輻射的電磁屏蔽量測研究中，根據美國材料及測試學會制 訂的量測規範 ASTM D4935-89 為基準進行量測[15]，實驗架構示意圖 如圖 4.5 所示，使用的儀器為 Agilent 8714 向量網路分析儀，如圖 4.6(a) 34.
(46) 所示，量測頻率範圍為 300kHz 到 3GHz，預設訊號源功率為 0.5dBm， 並連接同軸夾具(Flanged Coaxial Holder)進行量測分析，夾具內導體 的直徑為 33mm，外導體的內直徑與外直徑分別為 76mm 與 133mm， 如圖 4.6(b)所示。量測所使用的試片分別為使用 5g 和 10g 奈米碳球 所製成的兩種試片。. 4.3.2. 量測系統與方法. 進行量測所需要的儀器設備有向量網路分析儀、同軸夾具與兩條 50Ω 阻抗匹配電纜線。由於在未放入試片之前，入射功率應等於接收 功率，但實際上因外界環境及其他因素的影響而使結果並非如此，因 此必須進行儀器校正歸零的動作以增加數據的準確性，儀器的校正需 要準備阻抗測試套件(Impedance test kit)，以下分別介紹儀器的校正與 量測步驟。. (一)儀器校正 1. 按 Power 鍵開啟電源。 2. 按 Preset 鍵，回復原始設定。 3. 由於儀器可以同時進行兩種量測模式，因此依序按下 Measure 1 與 Transmission 鍵，先將 Measure 1 用來顯示與儲存電磁波穿透 35.
(47) 能量(S21 參數)的量測數值。 4. 依序按下 Cal 與. Response ，使用接頭連接 RF 輸出端與 RF 輸. 入端，接著按下，此時可見到螢幕上顯示的數值全部歸零，如此 便完成 Measure 1(S21 參數)部分的校正。 5. 接著校正 Measure 2 部分，依序按下 Measure 2 與 Reflection ， 使 Measure 2. 用來顯示與儲存電磁波穿透能量(S21 參數)的量測. 數值。 6. 依序按下 Cal 與 1 Port ，按照螢幕指示依序接上開路終端 (Open)、短路終端(0 Ohm)與負載終端(50 Ohm)至 RF 輸出端，每 接上一種阻抗需按 Measure Standard ，如此便完成 Measure 2(S11 參數)部分的校正。. (二)量測步驟 1. 將連接到 RF 輸出與輸入端的兩條電纜線分別接到夾具的兩端。 2. 將參考試片與欲量測的負載試片置於上下夾具間，參考試片與負 載試片的幾何規格如圖 4.7 所示，藉由按 Measure 1 與 Measure 2 鍵，可由螢幕上看到 Measure 1(S21 參數) 與 Measure 2(S11 參數) 的量測數值。 3. 若要將量測結果作資料儲存，以便在電腦上作分析，除了以直接. 36.
(48) 記錄的方式外，可準備軟式磁碟片來做儲存。在放入磁碟片後， 依序按 File Utilities 、 Select Disk 與 Internal 3.5” Disk 鍵，設 定儲存的目標為磁碟機。 4. 依 序 按 Save 、 Define Save 與 Save ASCII 鍵 ， 接 著 按 下 Measure 1 ，儲存 Measure1 的量測資料，按下 Measure 2 鍵，儲 存 Measure 2 的量測資料。. 37.
(49) Sample. Vector Network Analyzer. Flanged Coaxial Holder. 圖 4.5 遠場輻射實驗架構示意圖. (b) 同軸夾具. (a) 向量網路分析儀與夾具. 圖 4.6 遠場輻射實驗儀器. 38.
(50) 133 mm. 133 mm 76 mm 33 mm. (a) 參考試片. (b) 負載試片. 圖 4.7 遠場輻射量測試片幾何規格. 39.
(51) 4.3.3. 等效電路模型. 在遠場的電磁屏蔽量測中，除了實際的量測之外，對於電磁波在 電纜線、夾具與試片中傳遞的情形，先假設電纜線、接頭與夾具等皆 為 50 Ohm 阻抗匹配的傳輸線，使用一個理想的等效同軸傳輸線電路 模型來模擬計算理論的電磁屏蔽效率數值，如圖 4.8 所示，因此 SE 可由以下公示計算[16 ]： SE = 20 log 1 +. Z 2Z. (4.5). 0 L. Z0：同軸傳輸線之特徵阻抗(Characteristic Impedance) ZL：試片之負載阻抗 然而這樣的模擬計算與實際的量測結果有著相當大的誤差，原因 是由於在實際情況中，夾具本身與試片之間會有寄生阻抗效應存在， 在考慮寄生阻抗效應之後，將前述模擬計算 SE 的公式修正為： SE = 20 log 1 +. Z 2( Z + Z L. (4.6). 0 cl. + Z dl ). 其中 ⎡⎛ ⎜ = Z cl ⎢⎢⎜ ⎣⎝. ⎞ ⎟+ jwl c ⎟⎠. ⎤ 1⎥ + jwcc ⎥ r0 ⎦. ⎡⎛ = ⎢⎜⎜ ⎢ ⎣⎝. 1 ⎞⎟ + jwl d ⎟⎠. ⎤ jwcd ⎥⎥ ⎦. Z. dl. 1. −1. (4.7). −1. (4.8). 40.
(52) Zcl：Parasitic between holder and sample Zdl：Frequency dependent impedance of the tested sample 電磁屏蔽效應的理論計算使用 Matleb 軟體，經由理論計算的過 程與結果，可對於電磁屏蔽理論提供另一個以等效電路模型觀念的思 考方式。. 41.
(53) Z0 Vs. ZL. Z0. 圖 4.8 理想同軸傳輸線等效電路模型. ro. Z0. ro. lc. lc. cc. cc. Zcl. Zcl. Vs. cd. ld. Zdl. Z0. ZL. 圖 4.9 加入寄生阻抗與接觸電阻修正後的等效電路模型. 42.
(54) 4.4 近場電磁屏蔽效率之量測 奈米碳球複合材料的近場電磁屏蔽效率量測，實驗架構和量測方 法與編織形式碳纖維複合材料大致相同；在無反射波實驗室中進行量 測，以電單極天線與 2.5Gb/s 光收發模組作為電磁波輻射源，電單極 天線的量測頻率為 1GHz 到 3GHz，使用由奈米碳球複合材料所製作 成的屏蔽外殼，屏蔽外殼的製作過程如前面所述，實驗架構如圖 3.7 與圖 3.9 所示。 另一方面在奈米碳球複合材料近場輻射的電磁屏蔽效率量測 中，使用含有重量約 6g 奈米碳球的複合材料所製作成的屏蔽外殼進 行量測分析。. 43.
(55) 4.5 實驗結果 在本章研究中使用奈米碳球複合材料進行電磁屏蔽效率之量測 分析，在遠場輻射中，屏蔽試片分別有 5g 與 10g 兩種不同的奈米碳 球摻雜重量，其單位面積奈米碳球重量分別約為 0.036 g/cm2 與 0.072 g/cm2 另一方面在近場輻射中屏蔽外殼使用的奈米碳球摻雜重量約為 。. 6g，其單位面積的奈米碳球重量約等於遠場量測中 5g 試片的單位面 積奈米碳球重量，約為 0.036 g/cm2。 在遠場輻射的量測結果中，如圖 4.10 所示，使用含有奈米碳球 5g 的試片 SE 約為 30dB，含有奈米碳球 10g 試片其 SE 約為 50dB。 在近場輻射的量測結果中，如圖 4.11 所示，含有 6g 奈米碳球的屏蔽 外殼經過量測後其 SE 約為 20dB。 由於奈米碳球與相關的奈米技術目前仍處於研究開發的階段，依 照奈米碳球在許多方面優越的特性，未來必定還有相當大的發展空間 和潛力。本研究對於奈米碳球複合材料的電磁屏蔽效應研究方面發展 了一個初步的試片製作、量測架構與結果，以提供將來在更進一步研 究中作為參考。. 44.
(56) Shielding Effectiveness(dB). 70 60 50 40 30 20. 10g HCNCs (0.072 g/cm‧cm) 5g HCNCs (0.036 g/cm‧cm) Calculation (10g) Calculation (5g). 10 0 0. 1000. 2000. 3000. Frequency(MHz) 圖 4.10 奈米碳球複合材料遠場之電磁屏蔽效率. Shielding Effectiveness(dB). 50 6g HCNCs (0.036 g/cm‧cm). 40 30 20 10 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. Frequency(MHz) 圖 4.11 奈米碳球複合材料近場之電磁屏蔽效率. 45.
(57) 第五章. 尼龍、液晶聚合物之碳纖維複合材料與 電磁屏蔽效率. 5.1 尼龍、液晶聚合物與碳纖維複合材料 尼龍、液晶聚合物之碳纖維複合材料是分別以尼龍(Nylon)、液 晶聚合物(Liquid Crystal Polymer, LCP)為基材，碳纖維為填充材料， 使用雙螺桿混料機將基材與填充材料以特定比例混合製作成碳纖維 複合材料之母材，再將母材以射出成形機製作成所需要的屏蔽試片與 外殼[17]。 在複合材料的金相分析中發現，LCP 添加碳纖維之複合材料，其 內部的碳纖維排列比 Nylon 添加碳纖維之複合材料較具有方向性 (Orientation)，如圖 5.1 所示，如此在製程上便能控制碳纖維的排列方 式而達到較佳的電磁屏蔽效果。而添加長碳纖維的複合材料也比添加 短碳纖維的複合材料有較佳的導電性，電磁屏蔽效果也較好[18]。. 46.
(58) (a) 尼龍加入 25%碳纖維. (b) 液晶聚合物加入 25%碳纖維. 圖 5.1 尼龍與液晶聚合物加入碳纖維之金相分析. 47.
(59) 5.2 遠場電磁屏蔽效率量測 Nylon、LCP 之碳纖維複合材料的遠場電磁屏蔽效果量測，實驗 架構與奈米碳球複合材料的電磁屏蔽效果量測大致相同，使用向量網 路分析儀與同軸夾具，根據美國材料及測試學會制訂的量測規範 ASTM D4935-89 為基準進行量測，量測的頻率為 300kHz 到 3GHz， 在實驗中同樣須先經過儀器校正的動作，之後再將尼龍、液晶聚合物 之碳纖維複合材料製作成的參考試片與負載試片分別放入夾具中量 測，實驗架構如圖所示。研究中所使用的試片的製程為使用射出成形 所製成，如圖 5.2 所示，Nylon、LCP 之碳纖維複合材料試片分別各 有摻雜碳纖維 10%與 20%兩種，厚度均為 3 mm。. (a) 尼龍與碳纖維複合材料. (b) 液晶聚合物與碳纖維複合材料. 圖 5.2 遠場輻射量測試片. 48.
(60) 5.3 近場電磁屏蔽效率之量測 Nylon、LCP 之碳纖維複合材料的近場電磁屏蔽效果量測，實驗 架構與 WCCF 複合材料的電磁屏蔽效率量測大致相同；在無反射波 實驗室中進行量測，使用電單極天線與 2.5Gb/s 光收發模組作為電磁 波輻射源，電單極天線的量測頻率為 1GHz 到 3GHz，使用由 Nylon、 LCP 之碳纖維複合材料所製作成的屏蔽外殼，實驗架構如圖 3.7 與圖 3.9 所示。研究中使用的屏蔽外殼的製程為使用射出成形所製成，如 圖 5.3 所示，Nylon、LCP 之碳纖維複合材料屏蔽外殼分別摻雜 25% 的碳纖維，外殼厚度均為 3 mm。. (a) 尼龍與碳纖維複合材料. (b) 液晶聚合物與碳纖維複合材料. 圖 5.3 屏蔽外殼. 49.
(61) 5.4 實驗結果 在本章研究中分別使用 Nylon、LCP 之碳纖維複合材料進行電磁 屏蔽效率之量測分析。在遠場輻射的研究中分別量測摻雜碳纖維 10% 與 20%的 Nylon、LCP 之碳纖維複合材料試片；近場輻射的研究中則 分別量測摻雜 25%碳纖維的 Nylon、LCP 之碳纖維複合材料製作成的 屏蔽外殼。 在遠場輻射的研究中，Nylon 與碳纖維複合材料中摻有 10%碳纖 維的試片其 SE 約為 30dB，摻有 20%碳纖維的試片其 SE 約為 40dB， 如圖 5.4 所示。LCP 與碳纖維複合材料中摻有 10%碳纖維的試片其 SE 約為 30dB，摻有 20%碳纖維的試片其 SE 約為 45dB，如圖 5.5 所 示。 在近場輻射的研究中，摻有 25%碳纖維的 Nylon、LCP 與碳纖維 複合材料屏蔽外殼的 SE 約為 20dB 到 30dB，量測結果如圖 5.6 與圖 5.7 所示。 另一方面由 LCP 與碳纖維複合材料在製程上，能對碳纖維的排 列方向作有效的控制，使得碳纖維排列的方向能儘量與電場振盪方向 平行，因此在遠場輻射與近場輻射的量測結果上，LCP 與碳纖維複合 材料的電磁屏蔽效率都比 Nylon 與碳纖維複合材料要高一些。. 50.
(62) Shielding Effectiveness(dB). 60 50 40 30 20 10. nylon+20%CF nylon+10%CF. 0 0. 1000. 2000. 3000. Frequency(MHz) 圖 5.4(a) 遠場輻射中 Nylon 與碳纖維複合材料之電磁屏蔽效率. Shielding Effectiveness(dB). 60 50 40 30 20 LCP+20%CF LCP+10%CF. 10 0 0. 1000. 2000. 3000. Frequency(MHz) 圖 5.4(b) 遠場輻射中 LCP 與碳纖維複合材料之電磁屏蔽效率. 51.
(63) Shielding Effectiveness(dB). 50 Nylon+25%CF. 40 30 20 10 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. Frequency(MHz) 圖 5.5(a) 近場輻射中 Nylon 與碳纖維複合材料之電磁屏蔽效率. Shielding Effectiveness(dB). 50 LCP+25%CF. 40 30 20 10 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. Frequency(MHz) 圖 5.5(b) 近場輻射中 LCP 與碳纖維複合材料之電磁屏蔽效率. 52.
(64) 第六章. 結果與討論. 6.1 整合分析比較 本研究在前面章節中分別對於 WCCF 複合材料、奈米碳球複合 材料、Nylon 與碳纖維複合材料、LCP 與碳纖維複合材料的電磁屏蔽 效率作量測與分析，研究結果顯示這些複合材料都具有良好的電磁屏 蔽效果。 在這一節當中，對於這些複合材料在能達到相同電磁屏蔽效果的 條件下，將製程與應用上所需要電磁屏蔽複合材料的成本、重量等作 一比較，經由量化的數值比較，能使我們更清楚的看出這些複合材料 其特性間的各項關係。. (一)遠場電磁輻射 在遠場電磁輻射部分，首先設定電磁屏蔽效率範圍約在 40dB 到 50dB，如圖 6.1 所示，將四種複合材料的研究結果與材料的各項特性 作一整合，整理之後的各項量化數值如表 6.1 所述，WCCF 複合材料 與奈米碳球複合材料在質量與厚度上具有較佳的表現，但奈米碳球卻 是需要相當高的成本才能達到要求的屏蔽效果，因此在遠場輻射的比 較中，WCCF 複合材料在四種複合材料中具有重量最輕、成本最低等 優點。 53.
(65) (二)近場電磁輻射 在近場電磁輻射部分，設定的電磁屏蔽效率範圍約在 20dB 到 35dB 之間，將整合之後的 SE 量測結果如圖 6.2 所示。各項特性比較 如表 6.2 所述，WCCF 複合材料仍然在重量與成本上具有較低成本與 較輕重量的優勢，表 6.3 則為將此屏蔽外殼應用在 2.5Gb/s 光收發模 組的外殼封裝上的各項特性與量測結果，其各項數值顯示出 WCCF 複合材料在實際應用於 2.5Gb/s 光收發模組時，相較於其他複合材料 具有最佳的電磁屏蔽效果，其 SE 約為 24dB。 將這四種複合材料分別應用於 1.25GHz 與 2.5GHz 光收發模組 時，如圖 6.3 所示，WCCF 複合材料在兩種傳輸速率的光收發模組其 SE 皆有超過 20dB 的表現，其次為 LCP 與碳纖維複合材料、Nylon 與碳纖維複合材料，而奈米碳球複合材料的 SE 表現則較低，其原因 一方面由於奈米碳球複合材料中奈米碳球的重量較少，整體的導電性 尚未達到理想的情形，另一方面由於奈米碳球被密封於兩層絕緣的樹 脂之間，使得接地方面無法達到相當良好，因此未來若能將這些問題 改進，必定能將奈米材料其優越的特性更加地發揮出來。. 54.
(66) Shielding Effectiveness(dB). 70 60 50 40 30 20. Weavon Carbon Fiber LCP+20% CF nylon+20% CF HCNCs. 10 0 0. 1000. 2000. 3000. Frequency(MHz) 圖 6.1 複合材料在遠場輻射中的電磁屏蔽效率. Shielding Effectiveness(dB). 50 Weavon Carbon Fiber LCP Composite Nylon Composite HCNCs. 40. 30. 20. 10. 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. Frequency(MHz). 圖 6.2 複合材料在近場輻射中的電磁屏蔽效率. 55.
(67) Shielding Effectiveness(dB). 40 Weavon Carbon Fiber LCP Composite Nylon Composite HCNCs. 30. 20. 10. 0. 0. 1. 2. 3. 4. Frequcency(MHz) 圖 6.3 複合材料應用於光收發模組之電磁屏蔽效率. 表 6.1 複合材料在遠場中的各項特性之比較 Sample. Material ( Cost/g ). Filler ( Cost/g ). Weight Total Thickness Cost of SE of Filler Weight of Sample Sample ( dB ) (g) (g) ( mm ) ( NT ). Nylon Nylon-66 Composite ( 0.3 ). Carbon Fiber ( 0.8 ). 16.6. 83. 3. 33.2 40~50. LCP Composite. LCP ( 0.8 ). Carbon Fiber ( 0.8 ). 16.6. 83. 3. 66.4 40~50. Weavon Carbon Fiber. Epoxy ( 0.3 ). Carbon Fiber ( 0.8 ). 2. 4. 0.5. 10. 12. 0.5. Carbon Epoxy Carbon Nanocaplsule ( 0.3 ) Nanocaplsule ( 200 ). 56. 2.2. 40~50. 2000 40~50.
(68) 表 6.2 複合材料在近場中的各項特性之比較 Sample. Material ( Cost/g ). Filler ( Cost/g ). Weight Total Thickness Cost of SE of Filler Weight of Sample Sample ( dB ) (g) (g) ( mm ) ( NT ). Nylon Nylon-66 Composite ( 0.3 ). Carbon Fiber ( 0.8 ). 12.8. 51.5. 3. 21.9 20~30. LCP Composite. LCP ( 0.8 ). Carbon Fiber ( 0.8 ). 12.8. 51.5. 3. 41.2 20~30. Weavon Carbon Fiber. Epoxy ( 0.3 ). Carbon Fiber ( 0.8 ). 1.24. 2.5. 0.5. 1.4 25~35. 6. 8. 0.5. 1200 20~30. Carbon Epoxy Carbon Nanocaplsule ( 0.3 ) Nanocaplsule ( 200 ). 表 6.3 複合材料應用在 2.5Gb/s 光收發模組中的各項特性之比較 Sample. Material ( Cost/g ). Nylon Nylon-66 Composite ( 0.3 ) LCP Composite. LCP ( 0.8 ). Weavon Carbon Fiber Carbon Nanocaplsule. Epoxy ( 0.3 ) Epoxy ( 0.3 ). Filler ( Cost/g ) Carbon Fiber ( 0.8 ) Carbon Fiber ( 0.8 ) Carbon Fiber ( 0.8 ) Carbon Nanocaplsule ( 200 ). Weight Total Thickness Cost of SE of Filler Weight of Sample Sample ( dB ) (g) (g) ( mm ) ( NT ) 12.8. 51.5. 3. 21.9. 15. 12.8. 51.5. 3. 41.2. 17. 1.24. 2.5. 0.5. 1.4. 24. 6. 8. 0.5. 1200. 12. 57.
(69) 6.2 結論 本研究先由 WCCF 複合材料開始，以不同的編織架構針對 2.5GHz 與附近的頻段做電磁屏蔽效率的量測分析，以期能有效應用 於 2.5Gb/s 光收發模組的情形下逐一研究探討。接著將屏蔽材料分別 改為奈米碳球複合材料、Nylon 與碳纖維複合材料、LCP 與碳纖維複 合材料，進行相同的研究分析，最後將這些複合材料對於其成本、質 量與電磁屏蔽效率作一比較探討。 綜合實驗的結果與分析，本研究提出以下幾點結論： 1. 在近場輻射源的量測分析中，頻率由 1GHz 到 3GHz，斜織結構 的 WCCF 複合材料屏蔽外殼之 SE 約為 20dB 到 40dB，平織結 構屏蔽外殼約為 15dB 到 30dB，單一方向排列結構屏蔽外殼約 為 10dB 到 15dB。而此三種不同編織結構的屏蔽外殼在以光收 發模組為近場輻射源的量測研究中，同樣是斜織結構的 SE 高於 平織與單一方向編織結構。 2. 斜織方式屏蔽外殼的 SE 在一至三層結構下比平織方式屏蔽外殼 和單一方向排列方式屏蔽外殼增加約 3dB 到 10dB。 3. 斜織結構 WCCF 在高頻段 2GHz 到 3GHz 的 SE 超過 30dB，並 且在疊加層數至三層結構時可使 SE 再增加約 15dB。. 58.
(70) 4. WCCF 複合材料的編織方式與碳纖維排列的方向性會影響整體 的導電特性，進一步影響電磁屏蔽效率，此外 WCCF 複合材料 的編織方式與材料的厚度是影響電磁屏蔽效率的兩個主要因 素。 5. 良好的接地對電磁屏蔽效果是相當重要的，例如在許多電子產 品的電源線中含有一條地線。 6. 奈米碳球複合材料在遠場與近場輻射的量測中，SE 已可分別達 到 50dB 與 20dB，若能在製程與屏蔽材料的接地上繼續研究改 進，必定能有更好的結果。 7. Nylon、LCP 之碳纖維複合材料由於其內部碳纖維是均勻分散在 Nylon、LCP 的基材當中，導電性不如直接將碳纖維直接抽絲成 束來的好。因此在複合材料中，單位體積中碳纖維含量是影響 電磁屏蔽效率的重要因素。. 本研究所使用的複合材料，皆能在合理的重量與成本下，達到良 好的電磁屏蔽效果，除了應用在光纖通訊系統中光收發模組的外殼封 裝之外，應用在其他的電子產品上，相信也會有不錯的效果。. 59.
(71) 6.3 未來方向 由於資訊科技的快速發展，多媒體影音與網際網路的使用量漸 增，資料傳輸量也相對的增加，在使用者對於頻寬的需求量逐漸提高 的情況下，提高通訊系統的傳輸速率成為一個必然的趨勢。在光纖通 訊系統中傳輸速率的技術演進為 2.5Gb/s、10Gb/s、40Gb/s，因此對 於傳輸速率 10Gb/s 通訊系統的電磁屏蔽效應之研究成為接下來的重 點。除了在電路的設計上減少電磁波的輻射外，另一方面對於屏蔽材 料的選擇，質量輕、低成本與具有良好電磁屏蔽效果，也是在實際應 用上的重要考量因素，而奈米技術的進步與應用的普及性逐漸增加， 奈米碳球與碳管在未來的研究與應用上應具有長遠的發展潛力。. 60.
(72) 參考文獻 [1] Clayton R. Paul, “Introduction to Electromagnetic Compatibility,” A Wiley-interscience Publication, ch.1.pp42-60, 1992 [2] D.D.L. Chung,“Electromagnetic interference shielding effectiveness of carbon materials”, Carbon 39, p279-285, 2001 [3] Clayton R. Paul, “Introduction to Electromagnetic Compatibility,” A Wiley-interscience Publication, ch.11.pp632-664, 1992 [4] David M. Pozar,”Microwave and RF Wireless System,” John Wiley& Sons, INC., ch.2.pp29-67, 2000 [5] Henry W. Ott, “Noise Reduction Techniques in Electronic Systems,” A Wiley-interscience Publication, ch.6.pp159-202, 1988 [6] David K. Cheng, “Field and wave electromagnetic”. Reading, Mass. Addison Wesley, 1983 [7] 卓聖鵬, “最新天線工程－行動通信時代的天線技術”, 全華書局, 1998 [8] 洪文祺, ”新型編織碳纖維複合材料電磁屏蔽效應之研究” 國立中 山大學碩士, 2003 [9] M.S. Sarto, S. Di Michele, P. Leerkamp, “Electromagnetic performance of innovative lightweight shields to reduce radiated emissions from PCBs “, IEEE Transactions on , Vol. 44 ,pp. 353 – 363, May. 2002 [10] T.L. Wu, W.S. Jou, W.C. Hung, C.H. Lee, C.W. Lin and W.H. Cheng, “High shielding effectiveness plastic package for 2.5Gbit/s optical 61.
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(74) 附錄一、常見產品設備的電磁波輻射頻段 頻段. 產品設備 家電用品：電磁爐、吹風機、電腦、電視. 50Hz～5KHz. 機、洗衣機、電毯、冷氣機、檯燈、電刮 鬍、錄放影機…等等 電力公司所使用之高壓輸配電線、變電所 廣播電台：調頻廣播、調幅廣播. 5KHz～500MHz 無線電、電視訊號 500MHz～50GHz. 雷達、手機、微波爐 可見光：太陽光、加熱鎢絲. 50GHz～2.4×1015Hz 紅外線：夜視鏡、太陽光、烤箱、煉鋼、 電燈泡、烘烤麵包機等. 63.
(75) 附錄二、碳纖維的基本特性 直徑( µm ). 7.01. 比重( g/cm2 ). 1.77. Mpa ( ksi ). 3650(530). 機械強度 Gpa (106 psi). 230(33.5). Elongation ( % ). 1.4. 熱膨脹係數( 10-6/K ). -0.54. 導熱係數( W/m‧K ). 8.7. 體積電阻率( µΩ-m ). 18. 64.
(76)
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