创新直接涂层技术代替传统的衬托
丰富的Emrich和安德鲁·王Integran技术有限公司;加拿大多伦多
介绍
许多电敏感设备,如传感器、传感器、探测器、和测试仪器需要防止电磁干扰(EMI)。更高的频率干扰通常使用薄导电屏蔽金属化层。不幸的是,简单的导电层(例如,铜、铝)是透明的低频磁场可以引起电子设备的噪声。这种低频磁干扰可以发出来源如开关、电机、电源、变压器和通常是一个具有挑战性的EMI屏蔽问题。如果底层电路的准确性或精度至关重要,低频磁屏蔽是必需的,通常是通过使用专业的铁磁金属合金具有高磁导率(图1)。与高磁导率材料保护敏感设备的电气噪声引起的磁场通过重定向磁场屏蔽材料和保护装置。在相同的方式,设备发出低频磁场也可以独立使用导磁率高的材料。
除了渗透性、强度(或通量密度)的磁屏蔽必须考虑。每个材料都有磁饱和,这决定了磁场强度,可以有效地屏蔽。在强大的领域,一个磁盾可以成为“满”,之后,它将不再提供有效的防护。许多材料选择高磁场强度的应用程序具有良好的饱和,但高饱和度通常配有一个牺牲的绝对渗透率可以实现。对于本文的目的,我们将专注于应用程序磁导率有限,没有饱和的限制。
评估解决方案
屏蔽材料:磁性和颗粒结构
低频屏蔽EMI最常见的解决方案是使用一个高导磁率磁屏蔽金属板或金属箔。屏蔽衬托的典型例子包括铁磁合金专业品牌高导磁率合金®,Netic®, Finemet®和Metglas®,属于磁盾集团——版权所有。这些合金的衬托,磁屏蔽性能依赖于维持一大晶粒尺寸约100μm或更多的材料。自材料有一个平衡态晶粒尺寸约1 - 10μm,大晶粒结构必须通过退火金属在高温下,经常在一个严格控制大气控制杂质。其他衬托一种无形的,也就是说。,no crystalline grains, or nano-crystalline structure that is normally achieved through complex manufacturing techniques including rapid solidification and high frequency annealing processes.
现有防护解决方案
虽然专业衬托EMI盾牌非常有效,他们最适合屏蔽简单形状的零件。目前有几个方法来创建零件较复杂的几何图形,表1所示。
箔休息和形成的衬托
因为金属板或箔生产平的,材料抵抗形成操作,像玻璃非晶合金,必须将铺设在平面形状和必须达到必要的部分屏蔽。尽管这些材料有良好的屏蔽性能,这休息的方法是一个繁琐的方法屏蔽与任何轮廓部分。其它不那么脆弱的屏蔽材料也可以切割和形成所需形状。举个例子,一个敏感的传感器测量微弱的模拟电流可能需要“可以”的材料/设备,将被整合到外壳或到电路板上。这个形状需要切割和盖章的原始金属板或金属箔。虽然这个过程增加了成本屏蔽过程,就其本身而言,它不是一个特别具有挑战性的操作。
不幸的是,形成操作减少保护的有效性通过引入变形到material-destroying材料特性产生高导磁率的关键。恢复没有缺陷结构,材料必须在高温退火再一次控制环境恢复屏蔽效能。这必然限制了客户形成操作现在必须加上一个退火操作,限制了可能的制造商,或添加一个额外的一步供应链。
除了屏蔽效能,形成步骤还设置一个实际大小限制复杂几何图形或小很难生产。电子结构和包装收缩、离散、形成的盾牌可能不是一个可行的选择。最后,一旦减少离散盾牌,形成,退火,它仍然需要集成到组装的屏蔽作用。这种集成需要劳动和经常依靠粘合剂,进一步增加了组装成本和复杂性。
金属注射成型(MIM)
好专业铁磁粉现在可以注射成型的粘结剂创建复杂的部分是有效的低频磁盾牌。成型后,部分热或化学处理,然后在高温下烧结去除粘结剂。二次操作有时需要实现最终的形状。虽然这个过程可以有效的盾牌在相对复杂的形式,必须占部分收缩,以及机械部分孔隙度和脆性等注意事项。模具成本高,这个方法最终是最适合大容量但相对较小的部分。
金属部件
传统的金属部件,如钢冲压件、铸件、还可用于低频EMI屏蔽。通常,这可以是一个非常具有成本效益的方法,但额外重量可以在一些应用程序是有问题的。厚很多钢铁股票将被要求达到同样的屏蔽效能作为专业铁磁合金和在许多情况下最小厚度的钢成形所需的操作。在许多应用程序中,体重是至关重要的,钢铁被替换为其他的材料,如聚合物或铝很少或没有低频屏蔽功能。这些材料通常必须结合其他屏蔽解决方案之一。
可选择的解决方案;直接涂层部分
表1的一个可选择的解决方案是直接应用高磁导率金属涂层表面的一部分(图2)。这个过程很容易适应小而复杂的盾牌形状和避免许多可能的缺点的一个离散的盾牌,包括消除退火步骤。用导电涂层部件表面通常用于高频电磁干扰屏蔽电子应用技术,如物理气相沉积(PVD)、导电涂料、化学镀和电镀。在这些情况下,主要要求是一层薄薄的导电涂层。最近的事态发展在铁磁涂料、纳米晶体相同的概念现在可以用于低频屏蔽。
磁性的Nanostructed涂料
相比传统的屏蔽材料,磁性来自大型un-deformed粮食结构、铁磁合金涂层与一个非常小的(纳米,事实上)粮食结构也可以实现高渗透性和因此类似的磁屏蔽性能。图3说明了矫顽力和铁磁材料中晶粒尺寸之间的关系。典型的磁屏蔽材料矫顽力也拥有高渗透率较低。因此,如图3所示的图所示,当材料的晶粒尺寸降低到纳米尺度,矫顽力最小化和磁导率最大化。类似的效应也会发生非常大的晶粒尺寸。
加工和设计的好处和局限性
尽管纳米晶体的磁屏蔽特性铁磁金属涂层是好的,真正的好处在于处理和设计灵活性
材料提供。这种材料使用最频繁等基质涂层沉积直接到部分金属(如铝外壳),聚合物(如热塑性成形零件),和复合材料(如碳纤维环氧结构)——的过程,避免了任何成型操作。涂料可以直接集成到包装或外壳部分,一个设计选项,可以减少一部分计算通过消除离散形成保护和相关粘合剂和劳动。选择性涂层是可能的,允许屏蔽性能,可以提供最需要的地方,避免不必要的增加重量。注射成型聚合物特别是单片集成部分现在是可能的,因为屏蔽功能可以直接塑造成更大的电子围栏或部分包装。
除了避免形成操作,这些纳米晶体变形的涂料并不影响晶粒尺寸,因此保留屏蔽效能,避免损失性能和re-annealing一步。然而,长期工作温度必须保持在一个阈值约400°F,以避免晶粒生长回到一个更大的水晶平衡状态。(确切的温度将随合金成分)。
与任何解决方案,这种方法有其自身的缺点。金属涂层操作是一个次要操作,增加了成本的部分。此外,金属的厚度和分布在一个典型的沉积
过程对纳米晶体金属受几何部分的影响。尽管有这些因素,工业应用过程可伸缩、金属涂层方法是有效应用离散盾牌的尴尬或不切实际。金属部分的一个例子,可以受益于直接涂层部分如图4所示,描绘了一个复杂的铝加工需要屏蔽的住房。重量敏感的应用程序,需要高导磁率合金R的上篮衬托和劳动密集型工作弯曲衬托和债券盾的角落。作为一种替代方法,纳米晶体铁磁层,50微米厚。在最初的EMI测试表现良好,部分和大部分箔可以消除,减少重量和成本。部分也受益于增加表面硬度和一个美观的完成。
聚合物部分也可以大大受益于直接涂层解决方案(图5)。复杂的模型可能是涂层,此举也提供了额外的刚度、强度和表面硬度创建多功能部件可能会更轻、薄比压铸零件。与纳米晶体金属涂层复杂聚合物住房将添加聚合物部分刚度和强度。图6显示了一个住房与聚合物涂层应用选择性。这个选择性应用程序提供屏蔽性能要求和消除不必要的体重。使用选择性涂层工艺可以使离散部分的单片集成电路组装,降低一部分成本。
材料属性的好处
纳米晶体涂层的另一个有用的特性是他们有更高的强度和硬度比粗粒度的等效材料(表2)。应用于聚合物基质,强度的增加可以显著提高混合部分的强度和刚度。相对较弱的或柔性聚合物外壳现在可以成为一个严格的,耐用的结构部分。高屈服强度和良好的延性也使涂料特别适合聚合物和复合应用程序经常进行弯曲。低强度涂层将可塑性与弯曲变形;而传统的高强度涂层通常是脆弱的,在低负载情况下,通常会导致失败。
纳米晶体金属现在可以完全dense-i.e。,他们没有孔洞和孔隙度。拥有一个高度不透水层可以是有益的阻止液体或气体穿透表面的部分,是将聚合物保护案件的化学攻击,或防止部分脱气进入环境中,常常会在半导体或空间应用程序中次要的考虑因素。
结论
而专业铁磁箔和金属板股票是有用的用于创建相对简单的几何离散磁盾,他们需要成型、退火,和组装步骤,不能满足小或复杂的部分。金属注射成型和标准钢部分还可以解决许多屏蔽重量问题,但可能会遇到的挑战和更低的屏蔽效能。纳米晶体铁磁金属涂料提供了一个替代解决方案直接屏蔽金属、聚合物、复合部分,可以降低成本,简化供应链和装配过程。
这种金属镀膜工艺还提供创造的可能性小的或复杂的盾牌与离散以前不切实际的屏蔽方法。额外的好处也可以实现通过使用纳米晶体金属加强的优越的机械性能,变硬,呈现不透水,或增加耐用性聚合物的部分。
关于作者
丰富Emrich是Integran技术业务发展副总裁。丰富了圭尔夫大学的本科工程学位,从英属哥伦比亚大学的工程硕士学位,是项目管理专业。领导产品开发在各种各样的行业包括质谱仪为制药行业设计,光学网络组件设计和放射性药物过程工程。在他的当前位置,他负责寻找良好的磁屏蔽Integran申请的纳米晶体铁磁”Nanovate™EM”涂层。
安德鲁•王负责产品开发的副总裁在Integran技术。安德鲁有一个机械工程背景,接受他在滑铁卢大学的本科学位,在麻省理工学院硕士学位,专业先进的生产。安德鲁在他目前的角色,协助客户开发新产品使用Integran的小说纳米晶体金属。