塑料表面溅射电磁屏蔽膜的研究

　　电磁干扰（EMI）日益严重，在产品表面镀覆电磁屏蔽膜成为抗EMI 主要措施之一。本文采用磁控溅射技术在聚酯塑料（PET）上制备出附着力大于5MPa、2GHz~4GHz频率范围内屏蔽效能大于60dB的复合结构的电磁屏蔽膜，并研究了导电膜、导磁膜及其复合膜层的电磁屏蔽特性。有关数据表明：镀覆500nmCu +300nm1Cr18Ni9Ti的复合屏蔽膜可以获得屏蔽效果、成膜速率和结合力的综合好效果。溅射功率、膜层厚度对电磁屏蔽特性和结合力有一定影响。

　　近年来，随着无线电技术的普遍使用，电磁污染越来越普遍，同时电路本身低电压低功耗的使用，使得电路本身的抗电磁干扰（EMI）的能力显著下降。在产品外壳镀覆抗EMI薄膜，既可以保护本产品不受外界EMI影响，又可以降低自身对外界的干扰，欧盟89/336/EEC（EMC）标准已经明确指出电子产品必须在产品外壳内壁镀覆抗EMI 薄膜。

　　目前使用的屏蔽材料主要有导电型、填充型、本征型以及吸波型，制备方法主要是贴金属箔、溅射镀、电镀或化学镀和涂敷导电涂料等方法。相对其他方法，溅射镀可以在复杂表面获得较均匀的电磁屏蔽膜，因而在生产中得到广泛应用和研究，例如张丽芳等人用磁控溅射的方法在塑料表面镀制Cu/Ni双层屏蔽膜，取得80~110dB的屏蔽效果；杨盟等人利用直流磁控溅射技术在聚酯衬底上制备了ITO薄膜，该吸波材料在12~18GHz范围衰减低于10dB，峰值超过20dB，可见光的透过率达到68%；G.Teichert等人用直流磁控溅射制备了Ni-Zn铁氧体薄膜，在2GHz附近达到0.4dB的反射损耗；Won Mok Kim等人用射频磁控溅射的方法在基体上沉积氧化铟锌和Ag合金多层薄膜，在30~1000MHz获得大于45dB的屏蔽效能。

　　上述研究都是单纯的电屏蔽或者磁屏蔽，本文首先研究了单层膜的屏蔽效果和结合力，进一步的研究了电和磁复合屏蔽膜层的特性，获得适合生产的膜层结构。

1、电磁屏蔽膜层设计分析

　　一般用屏蔽效能（SE, shielding effectiveness）来衡量屏蔽的效果，它是指没有屏蔽时空间某个位置的场强与有屏蔽时该位置的场强的比值，用公式可表示为：

SE=20lg|E1/E2|

式中E1———屏蔽前的场强
　　E2———屏蔽后的场强

　　屏蔽效能可以分为三部分之和：SE =反射损耗R+吸收损耗A+内部多次反射损耗B，使用等效阻抗网络可以计算出膜层的屏蔽效能。

　　对于单层抗EMI 膜的屏蔽效能（图1），中间为金属屏蔽层，其波阻抗和传播常数分别为Z1和k1，厚度l1,两边均为空气，波阻抗为Z0，为计算方便，假设金属屏蔽层是无限大平板。根据传输线理论，最终可以获得单层屏蔽层的屏蔽效能，反射损耗R、吸收损耗A、多次反射损耗B的表达式为：

　　使用MATLAB仿真计算可以得到：

　　（1）双层屏蔽层吸收损耗为各单层屏蔽层吸收损耗的线性相加，而反射损耗R和内部多次反射损耗B并不满足线性相加关系；

　　（2） 反射损耗R只与屏蔽层和自由空间的波阻抗的大小有关，而与屏蔽层的厚度和相对位置无关；

　　（3） 内部多次反射损耗B不但与屏蔽层和自由空间的波阻抗的大小有关，还与屏蔽层的厚度有关。

2、单层屏蔽膜

2.1、屏蔽膜制备和测量

　　电磁屏蔽可以是采用导电的电屏蔽，电磁波在膜层表面形成集肤电流被损耗掉，这就要导电良好的材料，相对导电好、成本较低的是Cu；也可以采用磁屏蔽，以磁损耗的方式吸收电磁波，具有代表性的膜层有：Ni和铁氧体。考虑到磁性材料溅射速率比较慢，我们还选择了一个特殊的材料1Cr18Ni9Ti，1Cr18Ni9Ti本身是顺磁性的奥氏体不锈钢，所以溅射速率快，在溅射成薄膜后成为铁磁性的铁素体结构。上述单层屏蔽膜采用直流溅射在PET表面制备单层膜，靶片间距8cm。图2是膜层表面形貌SEM结构，测量晶粒尺寸在200~250nm之间，表面光洁平整。结合力采用牵引法测试。屏蔽效能采用波导法测试，测试频段2~4 GHz。

图2 屏蔽膜表面形貌SEM