电磁抗干扰防护怎样做才算优秀？SABIC推出的这款复合材料太牛了！

前言

电子设备的日益小型化以及对嵌入式无线连接功能的更高要求，对通过抗电磁干扰（EMS）和控制所产生的电磁干扰的大小（EMI）实现电磁兼容（EMC）提出了挑战。具有综合导电性的热塑性复合材料为解决EMI、EMS和静电放电难题提供了潜在解决方案。这些热塑性材料可以赋予电子产品适当水平的电磁屏蔽、复杂几何结构的设计自由，并通过避免二次操作简化加工的机会。

连接设备无论用于医疗保健、汽车、电信还是消费电子市场，都可能受到所产生的无线电信号主要内容流的干扰。这种可能对设备性能产生不利影响的干扰被称为EMI或RFI（射频干扰）现象。相邻的电子器件有可能以产生信号噪声等方式彼此产生负面影响。自从150年前左右，Guglielmo Marconi的发现以来，如何解决复杂环境电磁干扰一直是无线电通信中的一个挑战，至今仍是电子、封装和合规工程师面临的主要问题之一。

人们主要关注的领域，同时也是本文重点：非离子辐射引起的电磁干扰。对制定EMC标准并进行测试可确保电气设备在相邻位置以最低的RFI水平安全运行。

敏感元件法拉第笼

管理EMI的一个解决方案是屏蔽，即将设备与周围环境以及其它设备的信号隔离开来。简单而言，屏蔽包括在敏感元件周围形成法拉第笼，所用材料一般为金属外壳或类似解决方案。

但屏蔽本身也可能会成为一个可需要解决的复杂问题，因为大多数连接的设备直接与无线基础设施交互或通过消费设备（如智能手机）间接交互。

它们依赖于一系列具有不同信号功率的射频（RF）频段，并在一系列通信模式下工作。其中包括短程无线通信技术，如近场通信（NFC）、蓝牙（BT）、WiFi（WLAN）、ZigBee短程无线通信技术，以及ISM（工业科学和医疗）和SRD（短程设备）免许可频段的低功耗无线通信协议。所有这些都需要屏蔽电磁干扰。表1列出了常见无线设备的功率性能。

总体而言，射频干扰（RFI）在频率高于30兆赫时变得显著。辐射发射的通常强度以电场强度为单位。消费电子产品和医疗保健相关的EMC标准根据其预期使用环境将相应的设备分为若干类别，并定义了宽频率范围内辐射射频干扰的抗扰度水平和限值。图1总结了与某些无线技术辐射功率水平相比的一些限值。

铝材轻量化替代

屏蔽效能（SE）表示材料对内部或外部电磁干扰的屏蔽能力，以便通过消除设备暴露或产生的电场为其提供保护。SE由材料的整体电导水平、壁厚和目标频率范围决定。

传统主要采用金属外壳作为电磁干扰屏蔽方法，常用材料为铝合金，目前占50%市场以上。但随着连接设备的小型化、工程复杂性的不断增加，以及对材料更轻、更不具侵入性的需求，EMI面临着挑战，设计局限也尤为突出。重量成为更大的考虑因素，即使是质量最轻的铝合金也可能不再合适，更不用提及成本了。此外，这些设备变得日益复杂、灵敏，加上设计空间减少，可能更容易受到干扰。因此，需要其它解决方案来满足这些不断变化的需求。

一些制造商已经对屏蔽替代方法如金属涂层、真空金属化和塑料外壳上的导电涂料进行了探索。虽然这些方法有效，但它们不如金属外壳那么有效，并且需要依赖初始生产后的二次加工。这些步骤增加了系统成本、复杂性，以及产品的总体环境足迹。此外，并非所有热塑性塑料都适用于此类二次处理。

与生俱来的EMI屏蔽特性

因此，一种可行的解决方案是挖掘电磁干扰屏蔽特性作为树脂不可分割、与生俱来的属性的聚合物，以获得高水平屏蔽，并通过减少二次处理需求，增强设计灵活性。LNP Faradex复合材料由沙特基础工业公司（SABIC）位于沙特阿拉伯利雅得的特种事业部门开发，将EMI屏蔽性能作为内置的、与生俱来的特性赋予树脂和成型件。

优化导电纤维在模塑件中的分散对于实现屏蔽性能最大化至关重要。SABIC进行了广泛的成型研究，以便通过选择合适的注塑成型条件来优化纤维分散。最佳设备配置包括使用最大压缩比为2.5:1的通用螺杆和“自由流动”螺杆头，以减少纤维断裂。不得使用搅拌螺杆，建议射出水平为料筒容量的40%~70%，并采用缓慢到中等的射出速度，以尽量减少剪切和纤维断裂。在螺杆复位过程中，背压应≤344 KPa，螺杆低转速通常应设置在30~60rpm之间。更高的熔体温度可以最大限度地降低粘度，同时优化纤维磨损和改善表面光洁度。

建议模具设计、浇口衬套和圆形模具流道系统等采用适当的注射成型技术，尺寸大且无尖角，浇口开口至少1.8mm。可以使用热流道系统，但鱼雷形热流道会导致纤维磨损严重。建议使用1.2344/1.2738或H 13等规格的硬化工具钢。注意，SABIC观察到LNP法拉第复合材料中不锈钢纤维对刀具的磨损影响最小。

使用聚碳酸酯复合材料制成的聚合物固体模塑件，可以在图2中清楚地看到推荐的精加工特性和加工参数的优点。上面的SEM图像显示，在浇口区域和流道末端的纤维分散性较差。在SEM下部，从实际应用测试结果中可以看到通过优化纤维与树脂浓度，实现法拉第笼效应最大化。

减重以及更大的设计自由度

除了简化提供屏蔽的过程外，LNP法拉第复合材料还具有图3所示其它重要优势。由于不需要二次加工，这些材料赋予制造商更大的设计自由度。

图3  不同屏蔽方法和材料的主要数据对比（©SABIC）

如，可以使用更复杂的3D形状来制造无线医疗设备，从而为患者带来更大的舒适性和便利性。这些特性有助于进一步缩小电子元件的尺寸，并提高电路集成水平（如，扫描嵌入药丸中的无线摄像头，以检查消化系统），使元件尺寸和形状等适用于某些敏感应用，同时仍能实现无线数据传输以进行监控。

因为提高了塑料相对其它材料产品相关的设计自由度，LNP-Faradex复合材料的性能特点也有助于提高设备开发效率。

此外，这些复合材料也带来了减少最终设备重量和组装成本的机会。Faradex复合材料赋予产品在电磁干扰屏蔽性能、机械性能、热学性能和阻燃性能（达到NFPA 1901–12，1.7要求的直接阻燃/高温暴露标准）之间达到了恰当的平衡，以满足客户需求，并消除其它材料所需的昂贵和耗时的过程，达到EMC（CE/EN 50081–2:1992，EN 50082–2，FCC第15部分）的标准。

作为其产品组合的一部分，SABIC还提供生物相容性级LNP Faradex NS003XXW复合材料，该复合材料根据ISO 10933进行了预评估，可用于某些医疗保健场合。在可预见的未来，由于物联网、全电动自动汽车的发展、通过增加门诊和家庭护理应用水平以降低医疗成本的努力等趋势的推动，多个行业对互联设备的需求有望快速增长。在这样的动态环境下，具有固有电磁干扰屏蔽特性的生物相容性塑料可以为设备制造商带来更具成本效益的材料解决方案。

*本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志