- RF屏蔽選擇過程中需要考慮的十個(gè)重要的因素
- RF屏蔽關(guān)鍵因素的討論
- 必須將RF頻率、距離和諧波考慮在內(nèi)
- 導(dǎo)電橡膠（ECE）是唯一的能夠兼顧RF屏蔽和環(huán)境密封的產(chǎn)品
- 壓縮范圍和相關(guān)的壓縮裝置也是必須考慮的因素
各種新的電磁干擾（EMI）屏蔽產(chǎn)品性能的穩(wěn)步提升使得各生產(chǎn)廠家具備了生產(chǎn)下一代電子設(shè)備所需的工具。例如，當(dāng)前可用的最新EMI屏蔽產(chǎn)品就有助于生產(chǎn)廠家降低成本、減少損耗、促進(jìn)空氣流通、在更狹小的空間中進(jìn)行設(shè)備安裝。若干年來，常用的屏蔽產(chǎn)品經(jīng)歷了多次顯著的改進(jìn)。和先進(jìn)的EMI屏蔽產(chǎn)品設(shè)計(jì)一樣，新材料的發(fā)展、使用及其特性的提高對電子領(lǐng)域所取得的一些重大進(jìn)步也起到了很大的幫助作用。
本文將針對明智選擇屏蔽材料所需要的一些信息進(jìn)行討論，它們將會使得整個(gè)選擇過程更加清楚、更加簡單。考慮到某種襯墊一旦被確定采用，就很容易通過其生產(chǎn)廠家來獲取該襯墊的詳細(xì)信息，因此針對那些具體襯墊的詳細(xì)介紹就不在本文的介紹范圍之內(nèi)了。相反，本文會將重點(diǎn)集中在一些關(guān)鍵步驟和考慮因素上，它們將有助于設(shè)計(jì)工程師對屏蔽材料進(jìn)行初步的選擇。注意，這些考慮因素并沒有任何明確的先后次序。在某些情況下，和其他的一些并不重要的因素相比，最重要的那一項(xiàng)甚至還可能會出現(xiàn)在次序列表中很末尾的地方。
RF屏蔽選擇過程中需要考慮的十個(gè)重要的因素
工作頻率：這是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素，設(shè)計(jì)者必須將RF頻率、距離和諧波考慮在內(nèi)。
衰減特性：該因素會受到屏蔽體的安裝和固定、周邊材料的電導(dǎo)率、屏蔽襯墊的物理配合的影響。
材料的兼容性/腐蝕：襯墊所在的導(dǎo)電表面的金屬材料與所選擇屏蔽襯墊的材料之間良好的兼容性是非常重要的。
環(huán)境密封：導(dǎo)電橡膠（ECE）是唯一的能夠兼顧RF屏蔽和環(huán)境密封的產(chǎn)品。
受壓載荷或受力：屏蔽襯墊在受壓情況下會出現(xiàn)變形并導(dǎo)致性能的劣化。為此必需對尺寸、厚度、形狀和材料做適當(dāng)?shù)倪x擇。
緊固/固定方法：可用于屏蔽產(chǎn)品固定的方法有很多，其中就包括壓敏膠（PSA）固定、夾形固定、槽縫固定、鉚釘固定、焊接、熔接、模切輪廓、咬合以及其他。
核、生物或者化學(xué)危險(xiǎn)：顯然，這些都是在軍事應(yīng)用中需要考慮的重要因素。不僅如此，在制藥或者食品行業(yè)設(shè)備中，在其他任何與劇烈沖刷、化學(xué)處理應(yīng)用相關(guān)的情形下，也都需要考慮這些因素。
壓縮：為了保證產(chǎn)品的有效性能和襯墊的壽命，壓縮范圍和相關(guān)的壓縮裝置也是必須考慮的因素。
體積/重量因素：在設(shè)計(jì)便攜、手持或者宇航設(shè)備時(shí)，該因素會顯得尤其重要。
再生性：廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品必須滿足環(huán)境方面的一些要求，例如：目前歐盟的RoHS以及其他的一些廠家必須遵循的規(guī)范。
關(guān)鍵因素的討論
盡管下面的討論并不適用于每一種情況，但是一旦適用就會非常重要。
腐蝕
盡管電蝕的重要性已經(jīng)受到了相當(dāng)?shù)年P(guān)注，但它還是一個(gè)至關(guān)重要的考慮因素，其重要價(jià)值也值得我們來進(jìn)行反復(fù)強(qiáng)調(diào)。RF屏蔽襯墊的腐蝕是造成相關(guān)故障的一個(gè)主要原因。電子設(shè)備和系統(tǒng)之所以將腐蝕視為一個(gè)主要問題就是因?yàn)殡娀瘜W(xué)反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物，鹽。這些鹽可能作為絕緣體起作用，屏蔽效果會因此而劣化；另外，這些鹽業(yè)也有可能作為半導(dǎo)體起作用，即通過信號的非線性混合會產(chǎn)生一些無用的RF信號，即所謂的“銹螺釘問題”。
影響腐蝕的三個(gè)主要因素分別是暴露表面的面積、材料的不同和電解液的存在（濕氣就是最常見的電解液）。對模壓或者成型的固體金屬襯墊而言，其表面積是最小的；而且其表面沒有孔洞，因此濕氣會被密封在襯墊之外。另外，通常的金屬也沒有吸濕性。上述這些特性會削弱但不可能完全消除腐蝕。相對而言，金屬絲網(wǎng)襯墊的表面積會更大，因此其抗腐蝕的能力也不如固體金屬制成的指形簧片。另外，不論是哪一種襯墊，都很容易通過電鍍其它金屬來將電蝕的程度降到最低。
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目前，大家比較接受的電化學(xué)兼容性規(guī)范是MIL-STD-1250。簡而言之，該標(biāo)準(zhǔn)不允許電耦對的電偶電位超過0.25伏。在環(huán)境可控的情況下，大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用允許電耦對的電偶電位升高到0.5到0.6伏。由銀和鋁構(gòu)成的電偶對作為最差的電偶對之一，其電耦電位會高達(dá)0.85伏。在這種電偶對的具體應(yīng)用中所產(chǎn)生的很高的接觸電壓會導(dǎo)致更多的金屬參加電化學(xué)反應(yīng)。為防止該問題的出現(xiàn)，需要在襯墊材料或（和）其對應(yīng)的表面電鍍一層與其兼容的材料。
滑動(dòng)接觸表面
屏蔽產(chǎn)品中的彈簧型固體金屬平面產(chǎn)品既能夠通過切向力、也可以通過直接壓縮的方法來進(jìn)行使用。在利用切向力的具體應(yīng)用中，可以通過槽縫的設(shè)計(jì)使得固體金屬襯墊所受到的壓力和對應(yīng)腔體的表面平行。刀邊就是這種槽縫設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)例。該應(yīng)用最直接的優(yōu)勢就是受力與表面平行，因此無需若干均勻分布的緊固扣件來保持對襯墊的壓力。在任何存在指形簧片結(jié)構(gòu)的情況下，屏蔽體和襯墊表面之間有相對的滑動(dòng)，因此總會有剪切力存在。另外，既然鈹銅表面相對于氧化層和（或者）腐蝕層而言要堅(jiān)硬的多，那么襯墊和對應(yīng)的表面就會形成一個(gè)自清潔的接觸。
在利用切向力的具體應(yīng)用中是無法使用金屬絲網(wǎng)和導(dǎo)電橡膠的，它們只能被用來進(jìn)行直接壓縮。當(dāng)它們被壓縮的時(shí)候，既不會產(chǎn)生切向力也不會出現(xiàn)滑動(dòng)，因此它并不是自清潔的。在壓力很大的接觸點(diǎn)上，金屬絲網(wǎng)和橡膠襯墊會形成一個(gè)氣密的區(qū)域；此時(shí)，雖然可能有腐蝕會發(fā)展到接近該接觸區(qū)域的地方，但氣密性區(qū)域會阻止腐蝕直接出現(xiàn)在正對接觸面下方的區(qū)域。另外，只要襯墊結(jié)合處不發(fā)生變化就能夠保持很高的屏蔽效能。但是，如果襯墊對應(yīng)的表面被移動(dòng)，而此時(shí)的襯墊通常不會按照其對應(yīng)的表面來重新排列其無腐蝕接觸點(diǎn)，因此其屏蔽效能會出現(xiàn)下降。
導(dǎo)電織物包裹泡沫（FOF）所形成的襯墊在應(yīng)用中也可以利用切向力。試驗(yàn)表明：只要在其設(shè)計(jì)范圍內(nèi)使用，F(xiàn)OF襯墊雖然經(jīng)過數(shù)萬次擦拭，但其性能幾乎和新的完全一樣。另外，盡管FOF襯墊沒有固體金屬襯墊堅(jiān)硬，其產(chǎn)生的壓力也不如固體金屬襯墊大，但它在擦拭應(yīng)用中也是自清潔的，這一點(diǎn)和固體金屬襯墊相似。
利用切向力和直接壓縮的對比
當(dāng)襯墊通過直接壓縮裝置被安裝在一個(gè)平蓋形狀的面板下方時(shí)，為保證箱體屏蔽的有效性，必須每隔適當(dāng)?shù)木嚯x就使用螺絲或者夾具來進(jìn)行壓縮固定。固定器件之間間隔距離的大小取決于蓋板材料的硬度和襯墊材料壓縮時(shí)的受力。如果襯墊材料所承受的壓力對其電導(dǎo)率會產(chǎn)生很大的影響，例如填充碳或者金屬的人造橡膠，那么螺絲要么必須用轉(zhuǎn)矩扳手來進(jìn)行安裝，要么其對應(yīng)表面必須安裝機(jī)械的前擋塊，這樣就可以使壓縮量一致，從而降低屏蔽有效性的變化。實(shí)際上，除了那些可以被完全壓縮的襯墊以外，例如固體編織材料，使用機(jī)械前擋塊應(yīng)該是一個(gè)非常標(biāo)準(zhǔn)的做法。
作為一種可供選擇的替代方案，諸如鈹銅（BeCu）、不銹鋼材質(zhì)的指形簧片襯墊或者FOF襯墊都能夠在“凸緣-平面板”或者“凹槽-平面板”的結(jié)構(gòu)中（例如：刀邊結(jié)構(gòu)）利用切向力來進(jìn)行固定和安裝，而且這樣還可以徹底避免使用緊固器件來保證箱體屏蔽的有效性。在PCB或者設(shè)備面板的設(shè)計(jì)上，在小柜子的面板或者門的設(shè)計(jì)上，在大尺寸物體的面板、門和窗的設(shè)計(jì)上都可以使用這種結(jié)構(gòu)。
在直流、低頻的接地或者搭接應(yīng)用中，通過槽縫的路徑的導(dǎo)電性能是一個(gè)非常重要的參數(shù)。相應(yīng)的，在頻率更高的RF情況下，襯墊的電感變成了最重要的一個(gè)參數(shù)。其中，自感和材料的幾何形狀有關(guān)，其具體關(guān)系如下所示：
矩形導(dǎo)體的厚度每增加10倍，其電感就會減小約10%。
矩形導(dǎo)體的寬度每增加10倍，其電感就會減小約30%。
矩形導(dǎo)體的長度每減小為原來的十分之一，其電感就會減小約93%。
顯然，寬度-長度之比最大的導(dǎo)體所呈現(xiàn)的電感也是最小的。
在可以被制成彈簧結(jié)構(gòu)的各種材料中，鈹銅的電導(dǎo)率是最高的；其電導(dǎo)率和排在第二位的磷青銅相比還高出150%。鈹銅材質(zhì)導(dǎo)線的電導(dǎo)率（該參數(shù)在低頻應(yīng)用中是非常重要的）和導(dǎo)線橫截面面積成正比。固體指型襯墊的橫截面面積更大，因此其電導(dǎo)率也會更高。另外，在具體使用中（寬度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于長度），指型襯墊具有和接地面相似的特性，即和導(dǎo)線本身相比具有更大的接觸面積。接地面電感的大小和導(dǎo)線相比會減小3到4個(gè)數(shù)量級。
襯墊的電導(dǎo)率和電感取決于材料的種類和形狀，而其大小則直接決定了襯墊性能的好壞。襯墊性能從最好到最差的排序如下所述。對低頻（從50kHz到10MHz）情況而言，其排序?yàn)殁斻~材質(zhì)的指型簧片襯墊、鈹銅金屬絲網(wǎng)襯墊、蒙乃爾/鋅銅鐵金屬絲網(wǎng)襯墊、填充銀的人工橡膠。在高頻情況下（超過100MHz），其排序?yàn)殁斻~材質(zhì)的指型簧片襯墊、填充銀的人工橡膠、鈹銅金屬絲網(wǎng)襯墊、蒙乃爾/鋅銅鐵金屬絲網(wǎng)襯墊。
襯墊的破損
RF襯墊和其它所有的電子元器件一樣都有可能被破壞，破損將限制其正常使用的壽命。既然RF襯墊材料通常被用于可以移動(dòng)的表面之間，而且在該環(huán)境下的襯墊會直接受到力的作用，那么設(shè)計(jì)者就應(yīng)該考慮到一些固有的材料保護(hù)措施。
固體金屬鈹銅制成的RF指型襯墊非常粗糙，其屈服點(diǎn)（損壞）強(qiáng)度約為190，000磅每平方英寸，即1310兆帕（MegaPascals）。但通常的指型襯墊的橫截面積大約在0.001平方英寸（0.65mm2）到0.002平方英寸（1.29mm2）之間，因此其抗拉強(qiáng)度會下降到大約190磅到380磅之間（86公斤到173公斤之間）。另外，該襯墊的彎曲壽命會超過50，000次。因此，該材料任何過早的損壞都應(yīng)該是設(shè)計(jì)安裝不當(dāng)所造成的。在使用過程中，固體金屬鈹銅襯墊不會被拉長也不會被撕扯，該特性可以有效避免襯墊被錯(cuò)誤安裝，否則就有可能造成破損。即使該襯墊材料出現(xiàn)了破損的情況，和鈹銅以及蒙乃爾/鋅銅鐵的金屬絲網(wǎng)相比，其破損塊會更大。另外，導(dǎo)電橡膠破損而形成的碎片和破損塊也不會分裂。
對鈹銅材質(zhì)的金屬絲網(wǎng)襯墊而言，其損壞強(qiáng)度和彎曲壽命與固體金屬襯墊相同，但導(dǎo)線束的橫截面面積僅僅在0.00001平方英寸（0.0065mm2）到0.00002平方英寸（0.0129mm2）的數(shù)量級上，每一束導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度也會因此下降到1磅到2磅（0.45公斤到0.91公斤）的水平。盡管損壞強(qiáng)度的降低會導(dǎo)致更多的線束被損壞，但該情況在一定程度上也可以通過限制金屬絲網(wǎng)襯墊所承受壓力的方式來進(jìn)行緩解。蒙乃爾/鋅銅鐵材料在破損問題上也會面臨相似的問題；不僅如此，它還有其它的一些不足，具體包括：襯墊所承受的壓力會更大、壓縮裝置會更復(fù)雜、屏蔽效能也更低。盡管如此，但用蒙乃爾/鋅銅鐵材料制成的襯墊的價(jià)格會更低；如果其性能可以被接受，則低價(jià)格的特點(diǎn)會抵消其很多負(fù)面特性。
盡管人工彈性橡膠襯墊不存在破損的問題，但拉伸力和壓力的作用會導(dǎo)致襯墊表面導(dǎo)電顆粒的消失。經(jīng)過長時(shí)間的老化以后，導(dǎo)電顆粒會被剝離粘合材料，從而導(dǎo)致更大數(shù)量的導(dǎo)電顆粒的消失。在任何給定的應(yīng)用中，襯墊材料選擇和安裝位置等因素可能導(dǎo)致的所有損壞都值得我們仔細(xì)思考。另外，破損的指型簧片、細(xì)小的導(dǎo)線束、導(dǎo)體片和導(dǎo)電微粒會在自然和（或者）強(qiáng)制的空氣冷卻系統(tǒng)的作用下分布到整個(gè)電子設(shè)備中。
在RF屏蔽產(chǎn)業(yè)過去的25年里，作者從未遇到過設(shè)計(jì)制造合理的RF襯墊失效的現(xiàn)象；而故障則總是源于錯(cuò)誤的使用、不合理的連接設(shè)計(jì)（即將襯墊放置在不該放置的地方）或者其它的一些不合理的RF襯墊使用選擇。隨著目前產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和面市時(shí)間的縮短，明智的決策勢必會成為包括RF襯墊選擇在內(nèi)的整個(gè)設(shè)計(jì)周期的基石。另外還要注意，RF襯墊生產(chǎn)廠家所提供的現(xiàn)場應(yīng)用工程師經(jīng)受過專門的培訓(xùn)，他們可以為所有的重要設(shè)計(jì)決策提供非常有價(jià)值的建議。
