透明金屬薄膜在電磁屏蔽中的應(yīng)用

魏程 李剛 王天琦 王威力 孫海洋 王寶瑞 單鵬宇

摘 要 由于電磁輻射導(dǎo)致電子技術(shù)領(lǐng)域的信息安全問題備受關(guān)注，尋找降低電子設(shè)備運(yùn)行時伴隨的輻射的方法，是亟待解決的技術(shù)問題之一，本文對真空沉積法制備的透明金屬薄膜在電子元器件顯示器屏幕上的電磁屏蔽效能進(jìn)行了理論分析與試驗驗證，討論了金屬薄膜材質(zhì)及單層與多層金屬薄膜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對電磁屏蔽效能的影響，通過實驗數(shù)據(jù)分析可知，由具有高導(dǎo)磁率和低電阻率的金屬制成的給定厚度的單層金屬薄膜屏蔽層具有最大的磁場屏蔽效能，即電子結(jié)構(gòu)元件屏蔽涂層的最佳選擇是厚度為 30-50μm 的單層鋁膜。

關(guān)鍵詞 電磁屏蔽；薄膜涂層；屏蔽效能；光學(xué)透明屏幕

Application of Transparent Metal Film

in Electromagnetic Shielding

WEI Cheng，LI Gang，WANG Tianqi， WANG Weili， SUN Haiyang， WANG Baorui， SHAN Pengyu

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT The information security problem in the field of electronic technology has attracted much attention due to electromagnetic radiation. Finding a method to reduce the radiation accompanying the operation of electronic equipment is one of the technical problems to be solved urgently. In this paper， the electromagnetic shielding effectiveness of transparent metal film prepared by vacuum deposition on the display screen of electronic components has been theoretically analyzed and experimentally verified， The influence of metal film material and single-layer and multi-layer metal film mesh structure on electromagnetic shielding effectiveness is discussed. Through the analysis of experimental data， it can be seen that the single-layer metal film shielding layer with a given thickness made of metal with high permeability and low resistivity has the maximum magnetic shielding effectiveness， that is， the best choice of shielding coating for electronic structural elements is 30-50 μm thickness of single layer aluminum film.

KEYWORDS electromagnetic shielding; film coating; shielding efficiency; optical transparent screen

通訊作者：魏程，工程師，碩士生。研究方向為功能復(fù)合材料。E-mail：weicheng2012@163.com

1 引言

隨著電子技術(shù)在人類活動領(lǐng)域的大量引入，處理、存儲和保護(hù)信息的問題備受關(guān)注。在計算機(jī)技術(shù)中使用矩形脈沖信號和高頻開關(guān)導(dǎo)致發(fā)射光譜中出現(xiàn)頻率高達(dá)微波頻率的成份，此外，由于寄生耦合會產(chǎn)生共振，這會導(dǎo)致某些頻率處的輻射增加。眾所周知，經(jīng)過計算機(jī)技術(shù)處理的信息可以通過分析電磁輻射來恢復(fù)，因此，任何電磁輻射，即使符合電磁兼容性的標(biāo)準(zhǔn)，從維護(hù)處理信息的機(jī)密性的角度來看也是不安全的，尋找降低電子設(shè)備運(yùn)行時伴隨的輻射的方法，是亟待解決的技術(shù)問題之一［1-5］。

電子元器件屏幕的電磁屏蔽效果至關(guān)重要，目前主要使用金屬薄膜和金屬網(wǎng)柵兩種透明屏蔽材料制備，金屬網(wǎng)柵透光性不及金屬薄膜，可視性和在低頻段的屏蔽性能較差，容易老化［6］，隨著微電子等行業(yè)真空沉積方法的發(fā)展，幾乎可以在屏蔽器件外殼的任何形狀的表面上獲得均勻的金屬薄膜，使用金屬薄膜具有許多優(yōu)勢，金屬薄膜的真空沉積過程確保了屏蔽層的緊密性以防止電磁輻射泄漏，且不會增加設(shè)備的重量和尺寸，容易使用光刻技術(shù)進(jìn)行刻蝕，而且可以施加延長其使用壽命的保護(hù)層 ［7-11］。

本文采用真空沉積方法制備多種材質(zhì)和多層結(jié)構(gòu)的透明金屬薄膜，通過研究其屏蔽效能，為軍用電子顯示器、武器裝備和方艙通信保密窗口等需要透明屏蔽材料的領(lǐng)域提供技術(shù)支持。

2 透明金屬薄膜屏蔽效能研究

2.1 金屬薄膜層數(shù)對屏蔽效能影響的研究

在交變磁場中，由于薄膜各層之間的距離很近，它們之間會發(fā)生相互作用，從而影響屏蔽效能。由于其中感應(yīng)的渦流，可以通過導(dǎo)電屏蔽來屏蔽交變磁場，在許多資料中給出了單層屏幕的屏蔽效能計算方式［4］，形式如公式（1）所示。

k0э=（1+ωLэRэ2 ）（1）

其中，k3表示屏蔽因子，L3是屏蔽電感系數(shù)，R3是屏蔽阻抗。

然而，在實踐中有時需要使用由幾層不同厚度組成的金屬網(wǎng)絡(luò)，要分析由多個導(dǎo)電層組成的金屬網(wǎng)絡(luò)對交變磁場的屏蔽效能，就需要考慮以下形式， 每個導(dǎo)電層表示為由并聯(lián)的電感 L 和電阻 R 組成的等效電路，其中 L 是層電感，R 表示屏幕對流過其中的渦流的電阻。

一般來說，n層結(jié)構(gòu)、場源和測量裝置的等效電路，如圖 1 所示。

圖1 等效電路示意圖

磁場由頻率為w的交流電I0經(jīng)過的線圈L0產(chǎn)生，在沒有屏蔽的情況下，在接收線圈L′中感應(yīng)出電動勢，如公式（2）所示。

U0=iωI0 kL0 L（2）

其中，k是線圈的互感系數(shù)。由于我們考慮的是用封閉的屏蔽設(shè)備對源進(jìn)行屏蔽的研究，我們可以假設(shè)源和屏蔽層之間的連接，以及各屏蔽之間的連接是完整的，使用I1……In表示各個屏蔽層中的電流，可以為每層中出現(xiàn)的電動勢編寫一個包含 n 個方程的系統(tǒng)，如公式（3）所示。

iωL1+R1iωL12…iωL1n

iωL21iωL2+R2…iωL1n

…………

iωLn1iωLn2…iωLn+Rn ×I1I2…In=iwL01I0iwL02I0…iwL0nI0（3）

第 i 個和第 j 個線圈的互感用Lij表示。 我們將尋找屏蔽系數(shù)作為在沒有屏蔽和有屏蔽的情況下在接收線圈中感應(yīng)的電動勢能的比率，如公式（4）所示。

k0э=U0U0-Uэ（4）

其中，Uэ是由在屏蔽中流動的渦流引起的，如公式（5）所示。

Uэ=k∑ni=1iωLi L′Li （5）

從公式（3） 中我們可以發(fā)現(xiàn)如公式（6）所示。

Uэ=kLi L′ I0 （1-11+∑ni=1iωLiRi

（6）

將公式（2）和公式（5）代入公式（4）我們得到屏蔽因子的值如公式（7）所示。

k0э=1+∑ni=1iωLiRi

|k0э |=1+ω2 （∑ni=1LiRi）2（7）

同樣屏蔽因子對數(shù)，如公式（8）所示。

kэ=20 lg|k0э |=10 lg（1+ω2 （∑ni=1LiRi）2 ）（8）

從公式（7）可以看出，與單層屏蔽相比，多層屏蔽的屏蔽系數(shù)的頻率依賴性的性質(zhì)沒有改變，屏蔽層的電阻與制成它的材料的比體積電阻 （ρI） 成正比，與層厚（di）成反比， 電感與材料的磁導(dǎo)率（μI）成正比， 公式（7）可以如公式（9）所示。

|k0э |=（1+Aω2 （∑ni=1ui diρi）2（9）

其中，A 是取決于屏蔽幾何形狀的比例因子。

給定頻率下的最大屏蔽將是公式 （9） 括號中總和的最大值。如果屏蔽層總厚度固定為d=d1+d2+…+const，那么這種線性函數(shù)的最大值將在處d=di實現(xiàn)。

因此，我們可以得出結(jié)論，由具有高導(dǎo)磁率和低電阻率的金屬制成的給定厚度的單層屏蔽將具有最大的磁場屏蔽效能。在實踐中，更方便的是使用薄膜材料表面電阻的值來代替它的比體積電阻，其表面電阻值如公式（10）所示。

kэ=10 lg（1+Aω2 （∑ni=1μiρSi）（10）

通過沉積在平坦介電基板上的各種厚度的鋁膜如表1所示，在交變磁場中的屏蔽效能的測量數(shù)據(jù)。

理論研究表明，由高導(dǎo)磁率和低電阻率的金屬制成的給定厚度的單層屏蔽層將具有最大的磁場屏蔽效能。然而，不排除多層涂層，但在這種情況下，有必要優(yōu)化技術(shù)和提高經(jīng)濟(jì)性。還應(yīng)該注意的是，雖然薄膜屏蔽的理論模型可以給出正確的定性結(jié)論，但它們并不能給出足夠準(zhǔn)確的定量結(jié)果。

2.2 金屬薄膜材質(zhì)對屏蔽效能影響的研究

對于聚苯乙烯和塑料等電子元器件屏幕而言，在不加熱基材的情況下提供所需的導(dǎo)電薄膜參數(shù)至關(guān)重要。由于鋁、銅和鐵鎳等可以進(jìn)行等離子體化學(xué)反應(yīng)并獲得氮化物、氧化物等化合物，通過工藝參數(shù)的控制改變所得導(dǎo)電薄膜的結(jié)構(gòu)和性能，基于此，選擇鋁和銅作為高導(dǎo)電材料，選擇鐵和鎳作為鐵磁性材料。采用磁控濺射和真空沉積的方法制備薄膜屏蔽涂層，因為它們可以控制生產(chǎn)過程中和生產(chǎn)后的薄膜屏蔽涂層的物理機(jī)械參數(shù)，如表面電阻率、體積電阻率、附著力、厚度和屏蔽效能等。單層屏蔽涂層的測試樣品列表及其特性如表2所示。

為了測試多層屏蔽涂層的屏蔽效果，制作了兩層和三層導(dǎo)電薄膜屏蔽層樣品，使用鋁層與鐵和銅層的組合，多層屏蔽涂層的測試樣品列表及其特性如表3所示。

在樣品 2.1～2.3 中，一層具有高磁導(dǎo)率的材料（鐵）既是電磁場源的外層又是內(nèi)層。 因此，應(yīng)該研究屏蔽中層的交替對其效能的影響。

使用三個樣品對光學(xué)透明屏蔽層進(jìn)行比較分析。第一個是在玻璃基板上通過真空沉積和光刻獲得50 μm厚的銅光柵，光柵周期為400 μm，帶寬為200 μm；第二個樣品是在絕緣橡膠基板上制備具有相同幾何參數(shù)的光柵；第三個樣品是通過在玻璃基板上磁控沉積0.25 μm 厚的半透明氧化硅和3.0 nm 厚的鎳薄膜獲得的，試驗數(shù)據(jù)總結(jié)如表4所示。

電子顯微鏡研究表明，透明導(dǎo)電薄膜涂層具有分散結(jié)構(gòu)，顆粒形狀接近球形，不同粒徑的分散鎳膜的電磁輻射的反射系數(shù) K 和透射率 T 的頻率依賴性如圖 2所示［4］。

1-3 （T） 和1'-3'（R）對應(yīng)粒徑1.5、2.0、 3.0 nm

表2～表4試驗樣品在電場和磁場中的屏蔽效能的測量結(jié)果如表5和表6所示。

由表5和表6中實驗數(shù)據(jù)分析可知，銅膜的屏蔽效能與相同厚度的鋁膜的屏蔽效能幾乎沒有差異。至于鋼膜，由于電阻率高，其屏蔽效果在此頻率范圍內(nèi)明顯降低。從表6中可以看出，頻率為3 MHz或更高的濺射銅膜會產(chǎn)生足夠強(qiáng)的屏蔽效能（超過10 dB），而對于連續(xù)銅膜，該頻率約為100 kHz，頻率比超過了一個數(shù)量級，造成這種差異的原因在于通過真空沉積獲得的薄膜的結(jié)構(gòu)特征，電子顯微鏡研究表明，沉積的薄膜由細(xì)晶粒組成，其大小取決于影響金屬沉積在基板上的各種因素，平均而言，晶粒尺寸可以從單位到幾十微米不等， 在薄膜生長過程中，晶粒相互接觸，然而，在接觸面上，金屬晶體結(jié)構(gòu)的周期性被打破，晶粒間形成勢壘，阻止電流在晶粒間流動［12-14］，這些結(jié)果與理論計算定性一致。

2.3 噴涂透明導(dǎo)電薄膜后顯示器外殼的屏蔽效能研究

就信息安全而言，計算機(jī)中最脆弱的元素是顯示器，因此，測量噴涂屏蔽涂層后的顯示器外殼的屏蔽效能很重要。在顯示器的塑料外殼上通過真空沉積方法制備鋁膜屏蔽涂層，厚度為 40-50 μm，測量了屏蔽效能， 結(jié)果如表 7 所示。

3 結(jié)語

（1）多層導(dǎo)電薄膜樣品的測試結(jié)果表明，使用 A1-Fe 和 A1-Fe-A1（樣品 2.1 和 2.3）導(dǎo)電薄膜的屏幕可獲得最佳的電磁屏蔽效果，其中鐵層與輻射源隔絕鋁層可以降低磁場強(qiáng)度，

一般來說，多層薄膜屏幕的屏蔽效能（通過磁場測量）低于單層鋁屏幕。

（2）鋁薄膜屏幕的電磁場屏蔽效能，與氧化硅鎳的半透明屏幕（表 4 和 表5）相比，它們具有更高的屏蔽效能。

（3）電子結(jié)構(gòu)元件屏幕屏蔽涂層的最佳選擇是厚度為30～50 μm 的單層鋁導(dǎo)電薄膜。真空沉積在電子結(jié)構(gòu)元件上的鋁膜涂層厚度均勻，耐腐蝕，對聚苯乙烯的附著力高，彎曲強(qiáng)度大，并且屏蔽效能高。然而，由于氧化鋁對鋁膜的自鈍化作用，在組裝電子復(fù)合體的組件時會出現(xiàn)所謂的“接頭”問題，這個問題可以通過在鋁膜表面沉積一層氧化硅鎳薄膜來解決。

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