塑膠成型構裝雷射模組材料之電磁屏蔽研究

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(1)國立中山大學光電工程研究所碩士論文. 塑膠成型構裝雷射模組材料之電磁屏蔽研究 The Study of Electromagnetic Shielding Materials for Plastic Packaging in Laser Modules. 研究生：鄭傑元撰. 指導教授：鄭木海博士. 中華民國八十九年六月.

(2) 學年度：八十八年校院代碼：國立中山大學系所代碼：光電工程研究所論文名稱（中）：塑膠成型構裝雷射模組材料之電磁屏蔽研究論文名稱（英）：The Study of Electromagnetic Shielding Materials for Plastic Packaging in Laser Modules 學位類別：碩士語文別：中文學號： 8735609 提要開放使用：是頁數：43 研究生姓名（中）：鄭傑元研究生姓名（英）： Cheng , Jei Yen 指導教授姓名（中）：鄭木海指導教授姓名（英）： Cheng , Wood Hi 關鍵字（中）(1)：電磁屏蔽關鍵字（中）(2)：導電複合材料關鍵字（英）(1)：Electromagnetic Shielding 關鍵字（英）(2)：Conductive Composite Materials.

(3) 中文摘要本論文目的為塑膠成型封裝雷射模組材料之電磁屏蔽研究。本實驗研究電木、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的製程，並對產生之導電性複合材料進行電磁屏蔽量測。製程上包括熱壓縮成形、雙螺桿混合、射出成形法。針對材料作金相分析，機械測試及屏蔽效率量測，並從屏蔽理論的觀點討論結果。實驗發現碳纖維混合塑膠材料，其在低頻 30MHz 所量測屏蔽效率達 40dB，在 1GHz 所量測屏蔽效率可達 60dB 以上，屏蔽電磁波的效果良好。因此本研究的結論為碳纖維混合塑膠材料之塑膠成型封裝適合應用於低價位光電模組的選擇。. I.

(4) Abstract Electromagnetic shielding materials for plastic packaging in laser modules application were studied experimentally. Bipheny1, Nylon and LCP mixed with Al-powder, Al-flake, carbon-fibers and steel-fibers was fabricated and measured in shielding effectiveness(SE) for EMI. Compression molding, double-screw extrusion and injection molding were used for fabrication. We examed the mechanical properties and shielding effectiveness of these compounds. The SE of conductive plastics was measured to be 40dB at 30MHz and 60dB at 1GHz for carbon-fiber and plastic mixture. The experiment result indicates that introducting conductive carbon fiber fillers into plastics will produce conductive composites having an excellent SE to reduce EMI. With these excellent SEs, such conductive carbon fiber fillers into plastics are suitable for use in low-cost laser modules.. II.

(5) 誌謝感謝我的指導老師鄭木海教授在這兩年研究生活中對我的訓練與教導，使我對光電領域有更深一層的瞭解。並且在研究的過程中，提供許多寶貴經驗，使我更虛心地學習各方面的事情。感謝這兩年來指導我研究方向的吳宗霖老師、周文祥老師、所內教導我的張弘文老師與其他諸位老師，提供研究協助的中華電信研究所王四俊博士、章鴻倫博士、王中庸博士，提供量測協助的工研院材料所鄭龍正先生，模具與加工協助的盧瑞安先生。另外也要感謝實驗室的王國林老師、邱首凱、以及許多同學們在研究或生活上對我的幫助與鼓勵。最後更要感謝我的父母與家人，有他們支持我才能夠完成學業及本論文。. III.

(6) 內容目錄頁次中文摘要. I. 英文摘要. II. 誌謝. III. 內容目錄. IV. 圖表目錄. VI. 第一章. 導論. 1. 1.1. 研究目的. 1. 1.2. 論文架構. 2. 第二章. 電磁屏蔽的理論背景與架構. 第三章. 塑膠材料導電化之製程與材料特性分析. 13. 3.1 導電漆塗佈與金屬鍍膜. 13. 3.2 電木(聯二苯基)混合鋁粉與鋁片. 14. 3.3 耐龍混合碳纖維與鋼絲. 14. 3.4 LCP 材料混合碳纖與鋼絲. 15. 3.5 材料特性分析. 17. 屏蔽效率量測理論計算與結果. 27. 4.1 屏蔽效率量測理論計算. 27. 第四章. IV. 4.

(7) 第五章. 4.2 導電材料之量測結果與討論. 29. 結論與未來工作. 38. 參考資料. 40. V.

(8) 圖表目錄頁次表1-1 提高塑膠材料抗電磁干擾技術的各種優缺點. 3. 圖2-1 電磁波垂直入射屏蔽介質示意圖. 10. 圖2-2 傳輸線結構. 10. 圖2-3 頻率，導電率與屏蔽效率的關係圖. 11. 圖2-4 低導電率下，高頻與屏蔽效率之關係. 11. 圖 2-5 特定 SE 下，導電率，頻率與介質厚度的關係. 12. 圖 2-6 40dB 的 SE 下，導電率，頻率與厚度的關係. 12. 表 3-1 不同材料的吸水率量測結果. 20. 表 3-2 機械強度量測結果. 20. 圖 3-1 熱壓縮成形法. 21. 圖 3-2 雙螺桿壓出機結構圖. 22. 圖 3-3 機械強度量測之拉伸試片. 21. 圖 3-4 耐龍與碳纖，鋼絲混合情形（X10）. 23. 圖 3-5 耐龍與碳纖，鋼絲混合情形（X200）. 23. 圖 3-6 耐龍與碳纖混合情形(X100). 24. 圖 3-7 LCP 與 10%碳纖混合(X50). 24. 圖 3-8 LCP 與 10%碳纖混合情形(X100). 25. 圖 3-9 LCP 與 40%碳纖混合情形(X100). 25. VI.

(9) 圖 3-10 LCP 與 10%碳纖混合情形(X200). 26. 圖 3-11 LCP 與 40%碳纖混合情形(X200). 26. 表 4-1 屏蔽效率量測結果. 32. 圖 4-1 屏蔽效率之基本量測方式. 32. 圖 4-2 屏蔽效率量測設備的結構. 33. 圖 4-3 屏蔽效率量測之理想電路結構. 33. 圖 4-4 考慮接面間電容電阻之電路結構. 34. 圖 4-5 固定頻率下，R 與 C 對 IL 值的關係. 34. 圖 4-6 C 視為開路時，R 與頻率對 IL 的關係. 35. 圖 4-7 Cc 與 CD 從 100nF 到 1F 時，頻率與 IL 的關係。. 35. 圖 4-8 添加纖維長寬比不同，含量與導電率的關係. 36. 圖 4-9 材料導電率量測方式. 36. 圖 4-10 導電率量測結果(PA66+CF+SSF). 37. 圖 4-11 屏蔽效率之理論值，量測值與受電容影響而衰減之區域 37. VII.

(10) 第一章. 導論. 1.1 研究目的在光纖通信系統中，影響系統性能、可靠度、及價格最重要因素之一是光源半導體雷射的模組，而目前光纖通信領域所公認未來市場主流光纖到家等架構，更期望有低價位半導體雷射模組的需求。半導體雷射模組價格目前仍然居高的原因是由於模組構裝價格高，因此為了改進現有半導體雷射模組構裝技術，以達到降低成本，進而推出廉價光電模組以加速光纖到家等架構之市場需要，現在世界許多研發單位正積極在開發廉價光電模組，其中塑膠成型封裝的架構被視為低價位光電模組的選擇之一[1]。提高塑膠材料抗電磁干擾（EMI）之技術，如表1-1(P.3)，一般可採用金屬填充材料，金屬鍍膜及無電鍍三種技術。由於金屬填充材料對EMI之屏蔽效率佳，低成本及高可靠度，因此塑膠加入金屬材料之金屬化外殼相當有前瞻性。目前電子資訊產品外殼，例如筆記型電腦，已有許多廠商採用金屬化塑膠外殼製造方法，利用塑膠基材內添加導電填充料後，直接射出成型。但在光電通信產品，例如半導體雷射模組之金屬化外殼，尚在萌芽期，量產技術尚未成熟，因此金屬化塑膠外殼在光電產品應用領域有相當大之研究範圍 1.

(11) [2]。本文旨在研討塑膠成型封裝外殼填充金屬材料，以提高塑膠材料電磁干擾之屏蔽效率，並研發廉價雷射模組構裝，以配合光纖通信之光纖到家架構光纖通信所需下一代光電模組。 1.2 論文架構本論文分為理論、製程與量測三個部分。首先對電磁屏蔽的理論做推導與計算，以瞭解其原理與意義；第二部分為製程部分，包括實驗過程所得之經驗與材料性質的分析觀察。第三部分為電磁屏蔽量測理論與計算結果，並與量測值作比較與討論。. 2.

(12) 表 1-1 提高塑膠材料抗電磁干擾技術的各種優缺點導電化方法. 優點. 缺點. 無電解電鍍 •鍍層 1.5~2.0μm 遮蔽 •電鍍設備大型需有自動濃度管理之設效率高。備，通常需數千萬元•遮蔽工程較費時 •電鍍亦可浸透到外殼狹（單面電鍍情況）。縫部分，可適用於複雜 •電鍍的塑膠基材有限制(目前大多數屬型的成品。 ABS 材)。 •外殼之嵌合較易。 •須塗裝（兩面電鍍之情況）。金屬濺鍍. •遮蔽效果佳。 •適合各種形狀。. •設備費用昂貴。 •須表面預先處理，條件控制嚴苛。 •鍍層太薄（<1µm）遮蔽效率不足，太厚易剝落。 •易有碎片而造成短路。. 塗裝導電性 •設備費投資少較經濟。 •對複雜形狀成品外殼塗料層不均勻。漆 •表面處理操作方法易。 •塗料層一般為40~50μm，對外殼之接合 •任何種類之塑膠都可適較困難。用。 •塗料噴佈的噴射壓須適時調整。 •價格低。 •塗裝層易剝落。金屬填充 •成品遮蔽加工較不費時 •模具成本之投資較高。複合材料 •無剝落之慮。 •塑膠原來之輕量特性受到影響。 •不需二次加工。 •對複雜形狀之外殼金屬填充材之分散性 •可回收。不佳。 •成品外殼表面須絕緣時，有必要加以塗裝。 •外殼接合之情況，導電通路較不易。. 3.

(13) 第二章. 電磁屏蔽的理論背景與架構. 為了研發能夠有效阻隔電磁波的塑膠材料，我們首先研究塑膠材料電磁屏蔽（electromaganetic shielding）的重要性及原理。現今電子產品趨向高速化，複雜化，其電路將產生如同天線般的電磁輻射雜訊或接收，造成電磁干擾的現象，甚或對人體健康可能有影響。電磁屏蔽的目的，即是為了隔絕這些不必要的電磁輻射。由於干擾源與接收端相當於天線的行為，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)。就以簡單的偶極天線來說，當時為近場，. 2π R << 1 λ. 2πR >> 1 時為遠場，其中 R 為源點至場點的距離。在近場 λ. 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)。而在遠場下，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）。[3] 在研究材料的屏蔽效果時，我們的量測與計算以討論平面電磁波的形式為主，其屏蔽效率(shielding-effectiveness,SE)定義為[4]： SE dB = 10 log(. incident power density ) transmitted power density 4. (2.1).

(14) 若在遠場平面波的條件下則亦可寫為： SE dB = 20 log. Ei H = 20log i Et Ht. (2.2). 其中 E i 為入射的電場， E t 為穿透過介質的電場； H i 為入射磁場， H t 為穿透過介質的磁場。我們利用用傳輸原理來解釋屏蔽效應。考慮平面波沿 z 方向垂直入射於單層，均勻而厚度 L 的平面介質，如圖 2-1(P.10)。由齊次的向量赫姆霍茲方程式： ∇2 E + γ2 E = 0 ∇2 H + γ 2 H = 0. 其中：.  γ = j ωµ ( σ + j ωε ) = α + j β  1 µε σ 2  ( 1+ ( ) − 1) 2 α = ω 2 ωε  1  µε σ 2 ( 1+( ) + 1) 2 β = ω 2 ωε . ω ：電磁波的角頻率 σ ：材料導電率 ε ：材料的絕對介電係數 µ ：材料的絕對導磁係數 γ 為波的傳播常數， α 為衰減常數， β 為相位常數。 v v 設 E 只在 x 方向， H 為 y 方向，則上式簡化為： 5. (2.3).

(15) d 2 E (Z ) − γ 2 E (Z ) = 0 2 dZ 2 d H (Z ) − γ 2 H( Z) = 0 2 dZ. (2.4). 可得電磁波之解的形式為：. E ( z ) = E 0+ e − γz + E 0− e γ z H ( z ) = H +0 e − γ z + H −0 e γz. (2.5).  E 0+ E 0− = − = η1  H+ − H 0  0  E( L ) E = Z (L ) = η2 = t 其中:  Ht  H( L)  Ei = η0   Hi. η 0 ， η1 ， η 2 各為空氣，介質，空氣的本質阻抗。. 其數學形式可類比於傳輸線的波方程式，如圖 2-2(P.10)。可定義 T 為傳輸因子： TH =. H( L) H( L) H(0) = Hi H (0) H i. （2.6）. E (L ) Z (L ) H (L ) Z( L ) TE = = = T η0 H i η0 H Ei. TE 表電場傳輸因子，即透射與入射電場強度的比值；TH 則為磁場的傳輸因子，透射磁場與入射磁場強度比值。在 η0 = η2 = Z (L ) 的條件下， TH = TE = T 故 SE = − 20 log T 6.

(16) 以下為求得 TH（磁場的傳輸因子）的方式：與傳輸線形式相同的方法，我們可以求得： H( L ) η1 = H(0) η1 cosh (γ L) + η2 sinh ( γL ). （2.7）. E (L ) η2 = E(0) η2 cosh( γL) + η1 sinh (γ L). 且從介質 1 看入之合成波阻抗 Z( 0) = η1 在 η， 0 η1 之間介面的邊界條件為：又：. η2 cosh( γL) + η1 sinh (γ L) η1 cosh( γL ) + η2 cosh( γL ). E i + E r = E(0) H i + H r = H (0). E E E (0) = Z(0 )， i = η 0 = - r H(0) Hi Hr. 可得：. H(0) 2η0 = Hi η0 + Z(0). （2.8）. 將上述關係帶回 TH，經整理可得： T = TH = p(1 − qe −2 γL ) −1 e − γL p=. 4η0 η1 (η0 + η1 )(η2 + η1 ). q=. ( η0 − η1 )(η2 − η1 ) (η0 + η1 )(η2 + η1 ). 其中：. （2.9）. 於是： SE = −20 log T = 20 log e γL − 20 log p + 20 log 1 − qe−2 γL = A + R + B （2.10）其中， A：電磁波進入介質 2 中的吸收項 7.

(17) R：反射項 B：介質 2 內多重反射吸收項圖 2-3(P.11)為不同頻率下，厚度 5mm 的介質，其導電率與 SE 的關係圖。可看出頻率越高，屏蔽效果越好，尤其當導電率提高時越顯著。圖 2-4(P.11)表示若頻率越高，而介質導電率低的話，則出現共振的現象，相當於半波介電質窗(half-wave dielectric window)—介電質層的厚度若是介電質內半波長的整數倍，則不發生反射。圖 2-5(P.12) 表示屏蔽效率欲達某特定值（30-60dB）時，其導電率、厚度與頻率的關係。可看出在低頻，低導電率的情形下，要得到好的屏蔽效果，其厚度將接近 1 公尺。圖 2-6(P.12)則表示若要得到 40dB 屏蔽效率，其材料的的導電率（104~10 7S/m），頻率（10KHz~10GHz）與厚度三者的關係。可估計厚度範圍約在數μm 到數 cm 之間。上述傳輸原理的方法亦可計算多重介質的情形[5]。若入射波阻抗為 η0 ，最後穿透的波阻抗為 ηn+1 ，屏蔽介質共 n 層，厚度分別為 l， 1 l 2 .....l n ，其本質阻抗分別為 η1 , η2 .....ηn ，則 T 可表為： n. TH = p∏[(1 − q m e − 2 γ. ml m. m =1. n ηm −1 2 n +1 [ ] ∏ (η n + Z(l n )) m=1 ηm −1 + ηm 其中： ( η − ηm −1 )[ηm − Z(l m )] qm = m (ηm + ηm +1 )[ηm + Z(l m )]. p=. 8. ) −1 e − γ. ml m. ]. （2-11）.

(18) Z (l m ) 則表示由第 m 層進入 m+1 層的合成波阻抗： Z(l m ) = ηm+1. Z(l m +2 )cosh( γ m+1l m +1 ) + ηm +1sinh( γ m+1l m +1 ) ， η m+1cosh( γ m+1l m +1 ) + Z(l m+2 )sinh( γ m+1l m +1 ). 且 Z(l n +1 ) = Z(l n +2 ) = ηn +1. 9.

(19) 介質 1. Ei. 介質 2. Hi. η0. x z. y. η1. η2. z=L. z=0. 圖 2-1. 電磁波垂直入射屏蔽介質示意圖. Z0 Zg Vg. ZL. Z(0). Z(L). 圖 2-2. 傳輸線結構. 10.

(20) S.E.. conductivity(S/m) log frequency. 圖 2-3. 頻率，導電率與屏蔽效率的關係圖. S.E.. conductivity(S/m) log frequency. 圖 2-4. 低導電率下，高頻與屏蔽效率之關係 11.

(21) thickness L(m). 60dB 50dB. 40dB 30dB. log frequency log conductivity. 特定 SE 下，導電率，頻率與介質厚度的關係. log thickness L(m). 圖 2-5. log frequency. 圖 2-6. log conductivity. 40dB 之 SE 下，高導電材料之導電率，頻率與厚度的關係. 12.

(22) 第三章塑膠材料導電化之製程與材料特性分析要使導電率極低的塑膠材料具有屏蔽電磁波的能力，我們實際採取了一些方法來實驗，包括導電漆塗佈，金屬濺鍍及金屬填充複合材料，以瞭解其效果並評估選擇較適合的方式，以下分別介紹。 3.1. 導電漆塗佈與金屬鍍膜首先做出量測屏蔽效率的圓形試片，其直徑為 13.3cm，厚度. 5mm。我們使用電木(聯二苯基,Biphenyl, Nitto Denko Corp.)作為基材。步驟如下：一、將圓柱材料儲存於冰箱內直到要使用前，再取出置於室溫下一至兩小時，使其達到室溫。二、將模具之公母模版分別固定於壓縮成型機的上下模版。(圖 3-1,P.21)。三、開壓縮成型機之加熱電源，模具設定為 180℃，從室溫加熱至 180℃須約 30 分鐘。四、將已達到室溫的圓柱狀材料放入打碎機內打碎成粉末狀。五、秤 0.140kg 粉末狀材料，並均勻的置於已加熱之模穴內。六、逐漸將上下模版關閉，並鎖模加壓。七、鎖模後約十五分鐘打開模具，並將成品取出。 13.

(23) 八、清除成品之毛邊。圓片做出之後，我們選擇市面上摻雜鋁片的銀粉漆塗佈做為實驗，塗上的厚度為 0.05mm。而金屬鍍膜方面，我們委託廠商利用無電鍍方式鍍鎳，另外亦採用濺鍍方式鍍上 Al 及 Au。 3.2. 電木(聯二苯基)混合鋁粉與鋁片為了均勻混合鋁粉及鋁片，我們先將打碎的電木材料加上少量. 丙酮，攪拌使其溶解，再加入鋁粉或鋁片攪拌均勻。之後放入預熱好的熱壓縮模具並密合，待一定時間後即可取下硬化的圓片，其步驟與 3-1 同。我們發現加入鋁粉及鋁片，材料容易脆化，成形不易。且因金屬比重較大而有沈澱的現象，故以此方式製作材料較困難。. 3.3 耐龍混合碳纖維與鋼絲利用耐龍(PA66，耐特)與鋼絲(BEKAERT)，碳纖維(耐特)，以射出成形方式製作試片。其步驟如下：一、將材料袋的密封在使用前打開，取出塑料與鋼絲充分攪拌。二、將混合的塑料置於烘箱內十二小時，將其完全乾燥。三、開啟射出成形機及螺桿之加熱電源，並溫機半小時以上。四、將模具之公母模版分別固定於射出成形機的固定板。五、將已完全乾燥的材料放入料筒。 14.

(24) 六、調整成形參數及設定溫度及壓力。七、清除料管內之殘餘料。八、以全自動模式射出試片，成形二十片，取最後五片。 3.4 液晶高分子材料(LCP)混合碳纖我們選用耐熱性相當高的液晶高分子(ECONOL，住友化工)，一般稱為 LCP，與碳纖維(耐特)，利用雙螺桿壓出方式混合(圖 3-2,P.22)。其步驟如下：一、加熱雙螺桿壓出機後，抽出螺桿清理其附著之殘餘料，並排列適當之螺桿結構順序。二、將螺桿放入機器內，確保卡筍固定以及雙螺桿轉動之順暢。三、待達到要求之設定溫度後，將抽氣幫浦打開，並控制雙螺桿之轉速，以配合出料速度。四、將粉末狀之液晶高分子原料放入計量器中，打開其減速馬達並控制適當轉速，使其穩定送入料口。五、當液晶高分子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。六、輸出的原料應呈連續且柔軟之圓柱狀。通過水冷卻硬化後送入剪切機，切成顆粒。 15.

(25) 由實驗結果我們得到以下經驗及結論：一、計量器必須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，為相當重要的一個因素。業界量產所使用之計量器價格相當高，實驗上我們秤出所需比例，先行混合再加入雙螺桿押出機內。二、液晶高分子輸送至碳纖維入口前須已融化，使其能與碳纖混合均勻。融化情形可由碳纖維入口處觀察。三、各段溫度參數之設定以輸出情形(原料穩定度，柔軟性)作參考並調整，直到調出最佳之經驗值。此實驗溫度設定在 320 ℃到 370℃不等。四、經由螺桿元件之改變，調整各段的結構使之混合均勻且出料穩定。例如碟形的元件(非螺旋狀)雖可提供高剪切力，使原料輸送至此區能混合更均勻，但此段將無向前輸送的作用。故不同的組合需依材料特性權衡考量設計之。五、碳纖長度無法太長，否則容易造成出料不穩定，產生混合不均勻、纖維向外突出，甚至出口阻塞的現象。由於我們使用的碳纖長度較長，為 5mm，故混合比例若超過 10%則輸出不穩定且容易阻塞。 16.

(26) 六、輸出之原料若均勻，則可由剪切機切成柱狀顆粒，以便下一步成形使用。若不甚均勻，可利用打碎機打碎再回收，重新加入雙螺桿押出機內加熱混煉。但液晶高分子融點會降低，材料特性會受影響。待混合好之後，我們利用熱壓縮法製作測試圓片。在使用熱壓縮成形法製作時，因其融點相當高(約 320℃)，且為熱塑性塑膠，需升降溫快，故模具另外設置四根各 500W 之加熱管以便加速生溫(約一小時可達)。而降溫則使用風扇對流，使其降至 200℃以下（約一小時）後取出成形之圓片。 3.5 材料特性分析塑膠構裝元件中材料的組成包括金屬，半導體與高分子材料等，這些材料的相互作用與破壞之發生行為為塑膠可靠度研究中極為複雜的問題，其中水氣引致的破壞即為其中重要的因素之一。量測材料的吸水性，根據定義：吸水率(%) =. 含水後試片重量- 含水前試片重量 × 100 含水前試片重量. 參考 ASTM-D570 測試方法，結果如表 3-1(P.20)。我們發現，電木抗水性最好，LCP 較耐龍具抗水性，而加入纖維對吸水率有降低的效果。對材料的強度測試，參考 ASTM-D638，取啞鈴形的薄片(圖 17.

(27) 3-3,P.21)，兩端施予拉力至斷裂。其量測結果如表 3-2(P.20)。耐龍添加碳纖與鋼絲的強度與電木接近，約在 50Mpa 以上，而添加玻纖則強度較強，可達 90Mpa 以上。我們利用顯微鏡觀察材料，以便分析其纖維分佈與長度。當觀察耐龍與碳纖，鋼絲混合的材料時，發現鋼絲混合情形較差。圖 3-4(P.23) 即為將耐龍與碳纖，鋼絲混合圓片的表面放大 10 倍所得，其中白色纖維束狀部分即為鋼絲（長 4mm，直徑 11μm），鋼絲幾乎無分散均勻。圖 3-5(P.23)為放大 200 倍觀察碳纖與鋼絲混合耐龍，鋼絲除了分散不均外，可發現鋼絲與碳纖之間有許多空隙，將會降低材料特性。圖 3-6(P.24)為無鋼絲的區域，碳纖與耐龍的分佈情形。白色纖維狀為碳纖部分，分佈均勻呈現網狀。由於耐龍無法導電，鋼絲分佈又相當不均勻，故可得知屏蔽效果是以碳纖維為主要的影響因素。在進一步的研究上，若鋼絲與碳纖要混合均勻，變數較多，複雜度將提高。於是實驗時塑膠材料以先加入碳纖維為主。利用液晶高分子與碳纖的混合後，以熱壓縮法製作圓片。原料須分次放入模具，且放入部分原料之後緩慢壓縮並保持非完全密合的狀態約數分鐘，待原料加足後再使之完全緊閉。若一次全部壓縮，由於原料尚未融化且顆粒之間有空隙，會造成相當多的氣泡。圖 3-7(P.24) 18.

(28) 為因排氣問題而產生的的氣泡，直徑約 0.2mm。圖 3-8(P.25)為 10% 碳纖與液晶高分子的混合，分佈相當均勻。白色點狀部分因纖維排列朝觀察者的方向，故橫切面為圓形或橢圓形。圖 3-9(P.25)為混合 40% 碳纖的液晶高分子，其含量較高，明顯呈現網狀。圖 3-10 與 3-11(P.26) 則更清晰觀察碳纖維的外觀以及與液晶高分子接合處，並無孔隙與氣泡產生。. 19.

(29) 表3-1不同材料的吸水率量測結果待測材料. 吸水率. 電木. ~0%. PA66+玻纖+12%鋼絲. 4.47%. PA66+12%鋼絲. 6.56%. PA66+碳纖+12%鋼絲. 3.45%. LCP. 1.2%. LCP+10%碳纖. 0.2%. LCP+30%碳纖. 0.1%. 表3-2 機械強度量測結果試件斷面積（ A 0）. PA66+ 玻纖 +12% PA66+ 碳纖 +12% 鋼絲鋼絲 2 36mm 36mm 2. 電木 60mm 2. 長度（ L 0 ）. 50mm. 50mm. 50mm. 負載（ P ）. 3.25kN. 1.96kN. 3.106kN. 90.28MPa. 54.44MPa. 51.974MPa. 位移變形量 (δ ). 3.7mm. 10.6mm. 1.0mm. 應變（ δ /L 0 ）. 7.4%. 21.2%. 2%. 應力（ P/A 0 ）. 20.

(30) 加熱器模具原料. 圖3-1 熱壓縮成形法. 7mm. 19mm. 13mm 57mm 115mm 165mm. 圖3-3 機械強度量測之拉伸試片. 21.

(31) 22. 出料口. 抽氣口. 圖3-2 雙螺桿壓出機結構圖. 碳纖 LCP. 減速馬達. 減速馬達.

(32) 圖3-4 耐龍與碳纖，鋼絲混合情形（X10）. 圖3-5 耐龍與碳纖，鋼絲混合情形（X200）. 23.

(33) 圖3-6 耐龍與碳纖混合情形(X100). 圖3-7 LCP與10%碳纖混合(X50). 24.

(34) 圖3-8 LCP與10%碳纖混合情形(X100). 圖3-9 LCP與40%碳纖混合情形(X100). 25.

(35) 圖3-10 LCP與10%碳纖混合情形(X200). 圖3-11 LCP與40%碳纖混合情形(X200). 26.

(36) 第四章 4.1. 屏蔽效率量測理論計算與結果. 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 P i 為入射電磁波的功率，P o 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)：. IL = 10 log. Po P o'. （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：. IL = 20 log 1 +. Z0 2Z L. (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 50Ω非損耗性傳輸線，且在符合： 27.

(37) IL = 20 log 1 +. Z0 = − 20 log T 2ZL. (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=R E=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.

(38) 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，ö 1 與 ö 2 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，所以 ö2 將大於 ö1。粉末狀的鋁粉及鋁片，因其展弦比低，即使含量 29.

(39) 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：. σ=. L R ×A. (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.

(40) 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. 阻為 R1、R2，則：. 於是：. A ×σ  R = 2 R + 1 c  L1   R = 2R + A × σ c  2 L2. (4.5). L1 − L 2 A( R 1 − R 2 ). (4.6). σ=. 圖 4-10(P.37)為量測 PA66 與碳纖，鋼絲混合之材料的結果，平均約在 1000S/m(10S/cm)的範圍。代入屏蔽效率計算，與實驗結果的比較如圖 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。. 31.

(41) 表4-1 屏蔽效率量測結果頻率. 30MHz. 100MHz. 300MHz. 500MHz. 1GHz. 電木塗佈導電漆. 0.6dB. 0.1dB. 0.1dB. 0.1dB. 0.6dB. 電木+20%鋁粉(wt%). 0.6dB. 0.1dB. 0.1dB. 0.1dB. 0.6dB. 電木+25%鋁粉(wt%). 0.6dB. 0.1dB. 0.1dB. 0.1dB. 0.6dB. 電木+20%鋁片(wt%). 0.6dB. 0.1dB. 0.1dB. 0.1dB. 0.6dB. 電木+25%鋁片(wt%). 0.6dB. 0.1dB. 0.1dB. 0.1dB. 0.6dB. Ni無電鍍. 50.3dB. 57.4dB. 63.8dB. 65.2dB. 53.2dB. Au濺鍍. 51.7dB. 60.3dB. 66.2dB. 66.1dB. 68.3dB. Al濺鍍. 51.5dB. 61.5dB. 65.6dB. 66.0dB. 67.2dB. PA66+GF+12 %鋼絲(wt%). 17.2dB. 26.4dB. 29.1dB. 29.2dB. 30.2dB. PA66+12%鋼絲(wt%). 20.3dB. 31.7dB. 41.3dB. 40.6dB. 44.9dB. PA66+30% CF+12%鋼絲 (wt%). 40.5dB. 55.3dB. 58.4dB. 58.7dB. 63.7dB. 材料. Pi. Po. Pi. Po' 圖4-1 屏蔽效率之基本量測方式. 32.

(42) Test Holder. Signal Generator (HP8646A). Spectrum Analyzer (HP8567A). 3.2cm. reference. Test Sample. 圖4-2 屏蔽效率量測設備的結構. Z0. Vi. ZL. 圖4-3 屏蔽效率量測之理想電路結構. 33. Z0. 7.6cm 13.3cm.

(43) CA. CB CC. Z0 RA Vi. RB ZL. RE. Z0 RF. CD CE. CF. 圖4-4 考慮接面間電容電阻之電路結構 1GHz 30MHz. 高頻IL衰減區域. IL. log R. log C. 圖4-5 固定頻率下，R與C對IL值的關係 34.

(44) IL. log frequency log R. 圖4-6 C視為開路時，R與頻率對IL的關係. IL. IL C=1F C=100nF. C=1F. C=100nF. frequency. frequency. (a) σ=1500S/m. (b) σ=500S/m. 圖4-7 Cc與CD從100nF到1F時，頻率與IL的關係。. 35.

(45) (L/D)=A1. (L/D)=A2. 導電率 A2<A1. ö1. ö2 填充導電物比例. 圖4-8 添加纖維長寬比不同，含量與導電率的關係. Metal. Ω. Sample 圖4-9 材料導電率量測方式. 36.

(46) conductivity S/m. 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Number of Sample 圖4-10 導電率量測結果(PA66+CF+SSF). Measurement Sheilding Effectiveness(dB). Calculation without capacitance effect Calculation with capacitance effect. Frequency(Hz) 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. 37.

(47) 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.

(48) 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。. 39.

(49) 參考文獻. [1]W.H. Cheng, J.Y. Cheng, T.L. Wu, C.M. Wang, S.C. Wang and W.S. Jou, "Electromagnetic shielding of plastic packaging in low-cost laser modules", Electronics Letters, Vol.36, No.2 118-119(2000). [2] J.Y. Cheng, T.L. Wu, W.S. Jou, C.M. Wang, S.C. Wang, W.H. Cheng, "EMC99 Conference Records", 93-96(1999). [3]David K. Cheng,"Field and wave electromagnetics". Reading, Mass. Addison Wesley, c1983. [4]Donald R.J.White and Michel Mardiguian,"Electromagnetic Shielding". vol.3 Gainesville, Va. : Interference Control Technologies, c1988. [5]R.B.Schulz, V.C. Plantz, and D.R. Brush, "Shielding theory and practice",IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility, EMC-30, 187-201(1988). [6]Perry F. Wilson, Mark T. MA., J.W. Adams, "Techniques for Measuring the Electromagnetic Shielding Effectiveness of Materials: Part I: Far-Field Source Simulation", IEEE Tran. on EMC, Vol.30, No.3, 239-250(1988). [7]Geoffrey Grimmett, "Percolation",Springer-Verlag, 1989 [8]Donald M. Bigg, "Conductive Polymeric Compositions", Polymer Engineering and Science, Vol.17, No.12,.842-847(1977). 40.

(50) [9]R. D Sherman, L. M. Middleman, and S. M. Jacobs, "Electron Transport Process in Conductor- Filled Polymers", Polymer Engineering and Science, Vol.23, No.1, 37-45(1983). [10]E. P. Mamunya, V.V. Davidenko and E.V. Lebedev, "Percolation Conductivity of Polymer Composites Filled With Dispersed Conductive Filler", Polymer Composites, Vol.16, No.4, 319-324(1995). [11]Wang Guoquan and Zeng Peng, "Electrical Conductivity of Poly Plastisol-Short Carbon Fiber Composite", Polymer Engineering and Science, Vol.37, No.1, 96-100, (1997). [12]Mark Weber and Musa R. Kamal, "Estimation of the Volume Resistivity of Electrically Conductive Composites", Polymer Composites, Vol.18, No.6, 711-740(1997). [13]J. Brandrup, E. H. Immergut, "Polymer handbook ", Third Edition, Physical Constants of Various Polyamides,wiley, V/111(1989). [14]Richard C. Givler, Marcel J. Crochet, R. Byron Pipes, "Numerical Prediction of fiber Orientation in Dilute Suspensions", Journal of Composite Materials,Vol.17, 330-343(1983). [15]John W. Gillespie, JR., Jean A. Vanderschuren and R. Byron Pipes,"Process Induced Fiber Orientation:Numerical Simulation With Experimental Verification", Polymer Composites, Vol.6, No.2,8286(1985) [ 16]William C. Jackson, Suresh G. Advani and Charles L. 41.

(51) Tucker,"Predicting. the. Orientation. of. Short. Fibers. in. Thin. Compression Moldings.", Journal of Composite Materials,Vol.20,539557(1986). [17]Takaaki Matsuoka,Jun-Ichi Takabatake,Yoshinori Inoue,and Hideroh Takahashi,"Prediction of Fiber Orientation in Injection Molded Parts of Short-Fiber-Reinforced Thermoplastics", Polymer Engineering and Science, Vol.30, No.16,957-966(1990). [18]J.D. Baldwin, M.C. Alatan, and K. Rajamani,"Structural Analysis of an Injection Molded Short-Fiber-Reinforced Disk", Journal of Materials Processing and Manufacturing Science", Vol.6, 123145(1998). [19]LLOYD A. Goettler,"Mechanical Property Enhancement in ShortFiber Composites Through the Control of Fiber Orientation During Fabrication", Polymer Composites,Vol.5, No.1, 60-71(1984). [20]John B. Titchener and John R. Willis,"The Reflection of Electromagnetic Waves from Stratified Anisotropic Media", IEEE Tran. on Antennas and Propagation, Vol.39, No.1, 35-39(1991). [21]Michael. A.. Morgan,. Milne,"Electromagnetic. Dean Scattering. L. by. Fisher. and. Stratified. Edmund. A.. Inhomogeneous. Anisotropic Media", IEEE Tran. on Antennas and Propagation, Vol.AP-35, No.2, 191-197(1987). [22]Ming-Shing Lin and Chun Hsiung Chen,"Plane-Wave Shielding 42.

(52) Characteristics of Anisotropic Laminated Composites",IEEE Tran. on EMC, Vol.35, No.1, 21-27(1993). [23]M. Quinten, A. Pack, R. Wannemacher,"Scattering and extinction of evanescent waves by small particles", Applied Physics B,68, 8792(1999). [24]P.Sewell,J.D.Turner,M.P.Robinson,D.W.P.Thomas,T.M.Benson, C.Christopoulos, "Comparison of analytic, numerical and approximate models for shielding effectiveness with measurement", IEE Proc. Sci. Meas. Technol., Vol.145, 61-66(1998). [25]J.R. James, A.J. Race and L.A. Scott, "Electromagnetic shielding degradation effects in composite material enclosures",Electronics letters, Vol.35, No.3, 209-211(1999).. 43.

(53)