布莱恩·w·考伦,理学学士,博士和克劳迪娅·e·约翰斯顿
加拿大阿尔伯塔省,萨斯喀彻温堡
丹尼斯·莫兰,工程工程师。moran的。
北阿尔伯塔理工学院,埃德蒙顿,阿尔伯塔,加拿大
介绍
塑料导电填料已用于EMI屏蔽应用多年。最初只使用纯金属粉末,如镍或铜,但近年来,复合粉末,如镍涂层石墨,已变得普遍。所述聚合物装载导电填料至足以提供所述衬垫材料所需的EMI屏蔽性能。屏蔽要求取决于应用,由器件设计人员选择组成垫片材料的合适导电和聚合物组件。
导电弹性体的电气和机械性能高度依赖于导电填料的加载水平。之前的一篇文章通过加载镍包石墨填料[1]的硅弹性体实例说明了导电填料加载与体积电阻率、硬度和拉伸性能的关系。在实现最佳的机械和电气性能之间存在权衡,因为它们在负载下相互对立。随着负荷水平的增加,电学性能得到改善,而机械性能则有所下降。加载水平也会影响屏蔽效果,因为屏蔽与体积电阻率关系不大。然而,屏蔽效果取决于衬垫的材料形式,而直流体积电阻率则不是[2,3]。在设计屏蔽弹性体时,量化导电填料负载、体积电阻率和屏蔽效果之间的相互关系是有用的。本文的目的是通过研究填充镍石墨导电填料的硅弹性体来检查这些关系,这是一种通常用于EMI屏蔽应用的材料。
屏蔽效果测试
与体积电阻率测量等直流电阻测量方法相比,直接测量屏蔽效果的方法要复杂得多。屏蔽效果测量通常需要训练有素的人员来操作成本相对较高的设备和仪器。因此,体积电阻率作为直流电阻测量是间接指示EMI屏蔽效果的常用方法。然而,对于无线技术常见的高频,直流体积电阻率和屏蔽效果之间的关系不是直接的,并且可能会误导。由于这种差异,在设计EMI屏蔽垫片时,将体积电阻率、屏蔽效果和导电填料在宽加载范围内加载联系起来是实际的。
同轴测试夹具多年来一直用于测量电磁干扰衬垫材料的屏蔽特性[2]。SAE ARP 1705[4]和ASTM D 4935[5]是两种常用的使用同轴设计的标准测试方法。同轴设计要求环形样品衬垫和测试单元内导体之间有良好的电接触。这一要求意味着测量的屏蔽性能受到测试单元导体和测试样品的表面条件的影响。正因为如此,同轴测试夹具测量散装样品的组合性能和电接触界面。对于屏蔽大块材料,但表面导电不良的测试垫片,在同轴测试夹具中可能表现不佳。这使得很难具体评估材料的体屏蔽性能。此外,同轴方法假定测试样品的阻抗与50欧姆的参考阻抗相比非常小。这使得很难具体评估阻抗相对较高的测试样品。
虽然同轴系统已经得到了验证和完善,但我们想要一种补充方法来测量平面材料的屏蔽性能,这种方法不依赖于试样和测试夹具之间的电接触电阻。这种方法可以在不受表面特性干扰或不需要电界面的情况下,对平面材料的体屏蔽性能进行评估。我们的目标是建立一个相对便宜的台式夹具,可以快速测量15厘米大小的弹性体片的屏蔽性能,没有接触电阻作为未知变量。测试概念是将微波信号发射到薄片样品的一侧,并通过另一侧自由空间布置的接收天线测量信号屏蔽。在房间大小的MIL-STD-285测试中使用了类似的原则来评估屏蔽框。在实践中,一个真正的自由空间测试单元需要一个方向发射天线,距离测试样本至少0.5米,以2.45 GHz(波长约12.25 cm)的入射电磁场为平面,极化平行于材料/空气界面。为了避免衍射效应,屏蔽材料样品的尺寸至少需要1平方米。大样本量使得这样的测试配置不切实际。真正自由空间测试的小型化近似需要容纳更小的样本。为了容纳15厘米大小的样品,我们设计了一种测试夹具,该夹具基于一端带有辐射孔的闭合金属波导,以容纳样品(图1)。位于波导内部的发射天线通过跟踪发生器和功率放大器提供2.45 GHz信号。 The signal radiating from the aperture, through the sample is picked-up by a waveguide receiving antenna. The received signal is then delivered to the input of a spectrum analyzer. Since the test sample is coupled to the transmitting antenna via a waveguide, we call this a quasi free space (QFS) test fixture.
实验
本工作使用的导电填料为镀镍石墨粉,其质量组成为镍65%,石墨35%。粒径范围为75至190微米(0.0030”至0.0075”),平均粒径为120微米(0.0047”)。镍石墨粉的真颗粒密度和表观密度均为4.3 g/cm3.(268磅/英尺3.)和1.39 g/cm3.(86.8磅/英尺3.分别)。图2显示了片状颗粒的显微照片。beplay官方免费下载在这项工作中使用的有机硅弹性体是一种商业上可用的热固化甲基乙烯聚硅氧烷树脂基,是工业上用于生产EMI屏蔽垫圈的常见类型。在没有导电填料的情况下,固化后的弹性体肖氏硬度为30,烘烤后的硬度为46,密度为1.1 g/cm3.(68.7磅/英尺3.).导电填料在双辊轧机中与硅树脂复合,然后在液压热压机中固化,形成15厘米(6英寸)厚1.7毫米(0.067英寸)的方形片材。成型后,每块导电橡胶片用异丙醇清洗,然后在空气循环烤箱中烘烤。用不同负荷水平的镍石墨填料,从42.5%到67.5%的填料,共制备了11个硅弹性体片。在准自由空间(QFS)测试夹具中测量了烘烤后导电橡胶片的屏蔽效果。在准自由空间测量之后,导电橡胶片立即被切割,以获得1.3 x 5 cm(0.5“x 2.0”)的条带用于体积电阻率测量,环形用于同轴屏蔽测量。所有体积电阻率和屏蔽测量均在烘烤后24小时内进行。
采用军用规范MIL-G-83528B的表面探针法,使用Kiethelyä 580四点式微欧姆计测量了切割带的体积电阻率。
同轴屏蔽效果测量使用Spira™ZT-1000测试夹具和Agilent™8560-E频谱分析仪进行。测试夹具的工作范围为20mh - 1000mhz。样品环直径6.35厘米,直径约2.5毫米2在横切面上分别从11张样品纸上剪下。当装入测试夹具时,环被压缩了20%的厚度。根据SAE ARP 1705程序[4],屏蔽被定义为样品就位的测试夹具输入端信号电压与样品就位的输出端信号电压之间的差值,单位为dB。由于所测得的屏蔽值取决于样品环的周长,因此该值归一化为1米。归一化屏蔽效果计算公式为:
(1)
准自由空间(QFS)屏蔽效果测量是在上述定制的测试夹具中进行的,同时使用安捷伦™8560-E频谱分析仪设置在2.45 GHz的固定频率上。屏蔽被定义为测试夹具接收天线上信号值的差值,单位为dB,在没有样品的情况下,减去有样品的信号值,单位为dBm。没有作进一步的修正。
结果
可重复性
图3显示了间隔一年制备的两个弹性体样品集的体积电阻率作为导电填料加载的函数。该系列的所有数据点都显示出来,数据没有以任何方式进行修改。2001年样品的体积电阻率数据已在ITEM 2002[1]中报道。本文中所示的体积电阻率数据是2002年新制备的,所用基材与先前报道的镍石墨和有机硅弹性体数量相同,制备条件相同。两组样品各由11个样品组成,由不同的技术人员制作。在整个加载范围内,这两组样品的体积电阻率测量值具有很高的重复性。以42.5%(重量比)的最低水平加载的样品对体积电阻率测量的导电性不够。重复的结果表明,对复合、固化和后烘烤过程的控制可以产生具有再现电特性的导电弹性体。
载荷对屏蔽效果的影响
使用同轴测试夹具在20 MHz到1000 MHz之间扫描时,11个样品的屏蔽效果随频率的变化图如图4所示。曲线随频率变化较为平滑,总体上显示屏蔽效果随载荷增加而增加。仪器的噪声限值为155 dB,负载较高的样品(62.5%及以上)在200 MHz及更高时达到此限值。负载大于55%重量的样品显示出屏蔽效果的频率依赖性。
图5中,体积电阻率和屏蔽效果在编译图中显示为导电填料加载的函数。
负载以重量百分比、体积百分比和每百重聚合物(phw)部分导电填料的单位表示。请注意,重量加载和体积加载之间的关系不是线性的。对于填料和聚合物的任何组合,可以使用式(2)在重量百分比和体积百分比之间进行转换。
(2)
地块开始填充物重量装载水平为42.5%(体积为15.9%)。在这种最低负载水平下,测量了弹性体的屏蔽效果,但该材料的导电性不足以测量体积电阻率。该系列的最后一个标志是最高装载水平,重量为67.5%(体积为34.7%)。这一最高水平是导电填料可以添加到硅树脂的极限,并且仍然可以允许成型。不同的填充物和弹性体类型对于最大载荷有各自的特点。
图5中的图A和图B在线性和对数尺度上显示,随着填料负荷的增加,体积电阻率迅速下降。这种快速下降是负载水平的特征,在此负载水平下,导电粒子开始相互接触以形成导电网络。beplay官方免费下载在这种特殊情况下,快速下降(也称为渗透阈值)开始于加载水平之间的42.5和45.0%重量加载。在67.5%的重量载荷下,体积电阻率继续下降到0.007 Ω×cm,这标志着填充硅树脂的工作性极限。为了屏蔽EMI,使用镍石墨填料的商用导电弹性体材料通常指定小于0.1 Ω×cm[6]。图5中的图A和图B表明,要达到体积电阻率小于0.1 Ω×cm,重量加载水平必须大于53%。相应的体积加载尺度表明,需要超过22%的体积加载才能达到小于0.1 Ωxcm。
图5中的图C显示了使用QFS屏蔽测试单元增加导电填料负载时屏蔽的平稳增加。对于负载水平为57.5重量%及更大的样品,屏蔽达到了测试夹具的噪声极限80 dB。尽管该测试夹具能够有效地测量屏蔽的一致性和可重复性,但其有效范围仅限于测量负载重量为55%的样品,在这种特殊情况下更低。
同轴测试夹具能够在小于200 MHz的频率下测量所有11个样品在全加载范围内的屏蔽效果。图5中的D图显示了频率为20 MHz和1000 MHz时的屏蔽图,摘自图4中的数据。在55%以上的高负载水平下,与20 MHz相比,样品在1000 MHz表现出更大的屏蔽。与20 MHz的屏蔽相比,1000 MHz的屏蔽更陡峭或对负载更敏感。两种屏蔽试验方法产生了相似的屏蔽结果,屏蔽量随载荷的增加而稳步增加。
体积电阻率和屏蔽效果
屏蔽效果与体积电阻率的关系如图6A所示。目前的情况表明,这种关系,在不同的频率,与单一的材料变量的载荷水平。
图6A为同轴测试单元,图6B为QFS测试单元,屏蔽是根据体积电阻率的对数刻度绘制的。两个测试单元的数据显示,屏蔽效果随体积电阻率的增加而平稳下降,当体积电阻率大于1 Ω×cm时,屏蔽效果的斜率急剧下降。
对于同轴测试单元,在20 MHz时,屏蔽效果的下降与对数体积电阻率尺度成线性关系,从0.01 Ω×cm到1 Ω×cm。屏蔽效果与体积电阻率之间的指数关系表明了这两种现象之间的敏感关系。通常,用于EMI屏蔽应用的导电弹性体的生产范围为0.01至0.1 Ω×cm。在这个范围内,对于目前的样品,由于载荷的减少,屏蔽效果从130 dB下降到85 dB。在1000mhz时,屏蔽效果的衰减比20mhz时更剧烈,显示出对体积电阻率或负载的更大依赖。
为了增加材料的可加工性或调整另一物理性能,稍微减少导电填料的装入是一种常见的做法。以目前的例子为例,如果负载从重量的60%降低到重量的57.5%,体积电阻率将从0.0247增加到0.0354 Ω×cm,相差0.0107 Ω×cm。对于相同的负载变化,屏蔽效果(同轴方法)在20 MHz时从112 dB下降到104 dB,在1000 MHz时从144 dB下降到120 dB。虽然由于负载的小幅降低,体积电阻率的增加相对较小,但屏蔽效果的损失是巨大的,特别是在1000mhz时,屏蔽率下降了24 dB。
QFS单元可以测量体积电阻率0.05 Ω×cm及以上样品的屏蔽。为了屏蔽EMI,使用镍石墨填料的商用导电弹性体材料通常指定小于0.1 Ω×cm。QFS测试单元对于评估需要较低屏蔽水平的应用更为实用。
结论
镍石墨填充硅弹性体的屏蔽效果对载荷水平的变化很敏感。灵敏度是可变的,取决于频率和负载水平。由于负载引起的体积电阻率的变化与屏蔽效果没有直接关系,因为它依赖于频率。同轴和准自由空间(QFS)测试夹具在显示屏蔽变化方面具有可比性。QFS夹具的屏蔽范围更有限,但在低电导率样品上表现出实用性。
参考文献
[1]将导电填料装入屏蔽弹性体的实际考虑因素,Brian Callen等人,ITEM 2002, p 130-137, Robar Industries,西康肖霍肯,PA, 2002。
[2]将直流电阻与电磁干扰衬垫的屏蔽效果相关联, Thomas Clupper, ITEM 1999, Robar Industries, West Conshohoken, PA, 1999。
[3]耐腐蚀,原位EMI屏蔽垫片.John P. Kalinoski,美国专利5910524,1999年6月8日。
[4]测量电磁干扰衬垫材料射频屏蔽特性的同轴测试程序.SAE ARP 1705发布6-1-81,确认12-91。美国汽车工程师学会
[5]测量平面材料电磁屏蔽效果的标准试验方法。ASTM D 4935 - 89(1994年重新批准)。ASTM 100巴尔港博士西康肖霍肯,宾夕法尼亚州。
[6]电磁干扰屏蔽商用电子,Chomerics, div派克汉尼汾公司1999年发布的产品目录。