EMI 电磁屏蔽论文

1、 1 前前 言言 近年來科技急速發展，電子、電機、通訊等設備、儀器，亦邁向高科技、高精密、高速率，而伴隨而來的高密度電磁波，已造成社會上的新公害問題，電器設備在運轉時所放出的電磁波，若沒有適當隔離，則會造成電器設備互相干擾，甚至會損壞該電器設備，且人體長期暴露於高頻電磁輻射下，對於生理健康亦會造成危害，尤其隨著電腦運算速度的提昇及行動電話的普及與收信增強，這些與人體相當接近，甚至於接觸的高科技高頻電器產品，使得人類的生存環境已受到嚴重的威脅。 目前針對電磁波干擾(Electromagnetic Interference，EMI)問題，各先進國家近年來均已訂定嚴格的標準規範，任何電器產品在該國皆必須符合其電磁波干擾標準規範，其中，歐洲聯盟(EU)於 1996 年開始實施的電磁相容性工業產品 CE 標誌 ， 是目前最具代表性的 EMI 檢測規範，所以，電磁波防護及隔離的研究與研發，已成為發展電器高科技前必先著手進行的工作。 2 電磁波干擾與屏蔽電磁波干擾與屏蔽 電器設備在運轉時，產生不必要的電壓或電流，進而影響電器設備的正常運作，即為電磁波干擾(Electromagnetic Interf

2、erence，EMI)，而發生電磁波干擾的頻率範圍一般在 10Hz100GHz，如對電腦組件較易產生 EMI 的頻率為 450Hz1GHz，對一般電子產品則在500KHz10MHz，不同的電子設備，其對於 EMI 敏感的頻率皆不同，此外，對於行動電話通信地區，該地電器產品若產生 0.9、1.8、1.9GHz的 EMI，則將影響行動電話的通信，故電磁波的屏蔽，在電子時代起飛的現在更顯重要。 EMI 一般可分為兩種，如【圖一】所示，一為藉由導體傳導(conducted)而造成者，另一為電磁波藉由波的形式而輻射(radiated)傳播者，為了減弱電磁波藉由這兩種路徑對電器設備所造成的破壞，除了在電器設備的電路設計上著手外，另一種方法是在電器設備外部包覆屏蔽物(shield)，當各種形式的電磁波通過屏蔽物時，受到屏蔽物作用而發生反射損失(Reflection loss)及吸收損失(Absorption loss) ， 如 【圖二】所示，電磁波的能量因而衰減，對電器設備的破壞力亦減低，此即電磁波干擾屏蔽(EMI shielding)，通常屏蔽物的材料需具有導電性或導磁性，才具有減弱電磁波的效用。

3、 3 如【圖三】所示，電磁波由互相垂直的磁場及電場所構成，對於屏蔽物的屏蔽物的屏蔽效率，可由式(1)來描述： SE = R + A + B (1) SE(Shielding effectiveness)：屏蔽效率 R(Reflection loss)：反射損失 A(Absorption loss)：吸收損失 4 )dB(EElog20SETI E )dB(HHlog20SETI H B：多重反射損失(修正因子) 當電磁波在一介質中進行時，若遇到和原來介質具有不同介電常數、導磁係數、導電度的第二種介質時，電磁波會分為穿透和反射兩種行進路徑，R 主要是屏蔽物與空氣間反射造成的損失所致；而 A 是因電磁波射至導電屏蔽物，引發感應電流，產生毆姆加熱效應而將電磁波能量以熱的形式消耗，電磁波的電場被導電屏蔽物屏蔽的效率為： (2) EI：入射電場強度 ET：穿透電場強度 而電磁波的磁場導電屏蔽物屏蔽的效率為： (3) 5 )dB(PPlog10SETI HI：入射磁場強度 HT：穿透磁場強度 實際上，SE 值是量測有屏蔽物和無屏蔽物時的訊號強度而得，如(4)式所示： (4) PI：入射功率強度 P

4、T：穿透功率強度 一般在吸收作用大於 10dB 時，多重反射作用(即 B)可忽略不計，此外，再電場或平面波時，B 亦可忽略。當入射訊號(EI、HI、PI)減弱程度愈高時，該屏蔽物的屏蔽效果就愈佳，屏蔽效率約為 30dB 時，由上述的公式(2)、(3)可求得其入射訊號(EI、HI)可被減弱 99.9%， 【圖四】為屏蔽效率(SE)對體積電阻係數(=1/，=導電度)所做的圖，由圖可知，若 SE 值要 30 dB 以上，則體積電阻係數必須達 1-cm 以下6 (即要大於 1-1-cm-1)才可符合要求，若屏蔽物的達 100-cm 以上(SE10dB)，則該屏蔽物不具屏蔽電磁波的效用，故由【圖五】可知道，作為電磁波吸收材的屏蔽物，一般除了使用金屬或碳黑摻合物(1-cm)，亦有高導電度的導電高分子可用來屏蔽電磁波，但高導電度的導電高分子的製法通常會涉及高污染、高毒性的藥品，且其成本亦較金屬或碳黑摻合物為高，故目前仍被未普及化。 7 塑膠的無電極電鍍塑膠的無電極電鍍 電磁波屏蔽物的製造，如前述有將碳黑和塑膠粒混煉摻合後，再經射出成形成電磁波吸收材，但碳黑的導電度會因塑膠粒的加入而降低其導電度，甚至

5、導電度會下降至 1-1-cm-1以下而失去吸收電磁波的功能，而金屬製的電磁波吸收材雖具有高的導電度，但在加工性及重量上仍是金屬材料最大的缺點，而塑膠電鍍法的發明，解決了前述兩種方法的缺點。 【圖六】為現今典型無電極電鍍的製程，如圖所示，整個製程步驟繁雜，且前半部製程的化學溶蝕及鹼洗中和使用了多種的強酸及強鹼，不僅對工作者安全造成危害，其廢液的處理更要付出相當大的經濟及環境成本。 【圖七】為將 EB 應用到無電極電鍍後的製程，不僅省略了化學溶蝕及鹼洗中和的步驟，水洗及乾燥操作的次數亦減少了許多，且降8 低了工作者工作時的危險性及廢液處理的成本。 以下為 EB 應用到無電極電鍍後，製程及化學反應的概述： 敏化處理敏化處理： 敏化劑的作用，主要有引發沉積反應、使鍍膜均勻、促進沉積速度及增進鍍膜與塑膠基材的結合力，一般常用的敏化劑為氯化亞錫(SnCl2)的鹽酸溶液，加入鹽酸的目的為防止 SnCl2如(5)式般水解： (5) 加入 HCl(aq)後，可降低溶液中 OH-的濃度，減少 Sn(OH)Cl 生成而保持錫離子為 Sn2+的狀態，Sn2+再藉著配位鍵而吸附於 EB 上，如(6)式所示。 S

6、nCl2 H2OSn(OH)ClHCl+ excess9 (6) 活化處理活化處理： 一般常用的活化劑成分為PdCl2與 HCl配製而成的溶液 ， 而PdCl2在 HCl(aq)中形成PdCl42-離子，將經過 EB 吸附 Sn2+敏化處理過的塑膠基材浸入活化劑內，則如(7)式反應： (7) Pd 0在基材表面析出，形成一層 Pd 0膜而作為化學鍍銅時的 晶種 ，且這一層 Pd 0膜亦可提高鍍膜的均勻性；除了 Pd 0外，同樣為高活性金屬的 Ag0(AgCl)亦可作為活性劑的原料。 無電極電鍍銅無電極電鍍銅： 經過敏化、活化處理後，塑膠基材表面已吸附高活性 Pd 0的晶種，此時，將塑膠板浸入含有 Cu+2的無電極電鍍液中，Cu+2即在晶核及還原劑的催化下還原成 Cu0而沉積於塑膠積表面，形成銅膜，電鍍液中銅離子還原成 Cu0的反應式如(8)式： Sn+2Pd+2PdSn+4+0dopingEmeraldine BaseSnNNHNNNNNHNSn+2NNNNHH+210 (8) 銅在空氣中極易氧化，故在化學鍍銅後，需再鍍上密緻的鎳層以防止銅氧化。 以下為整個後半製程反應機構之統整： (

7、9) (10) (11) (12) (13) Cu+2+2 HCHOOH-4Cu0H22H2O2 HCOO-2EB + Sn+2EBEBSnSn+2Pd+2PdSn+4+0HCHOOH-Pd0H2HCOO-+Cu+2H2OH-CuH2O+202HCHOOH-0 H2HCOO-+Cu11 實實 驗驗 一一、聚苯胺鹼聚苯胺鹼(Emeraldine Base)的合成：的合成： 1.A：60g NaCl + 200ml 0.5M H2SO4(aq) + 16ml aniline 於冰浴中混合攪拌 40 分鐘。 B：60g NaCl + 40g APS + 200ml 0.5M H2SO4(aq) 攪拌至完全溶解。 2.將 B 杯緩緩滴入 A 杯中(在 5 分鐘內滴完)，待 B 杯滴完後，將溫度維持 05冰浴中持續反應 3 小時。 3.反應完後抽氣過濾，並以約 400ml 0.5M H2SO4(aq)沖洗濾餅上之固體粉末(ES)，以洗去過量之 APS。 4.將濾餅上之固體粉末(ES)置入 500ml 0.5M NaOH(aq)中鹼洗約一天(21 小時)，以確定 ES 完全被 NaOH 中和，過濾

8、得 EB 濾餅。 5.在 110下烘乾 EB 濾餅，待 EB 完全乾燥後，將 EB 研磨成細粉。 6.反應裝置如【圖八】所示。 冰浴 AB05?12 【圖八】EB 反應裝置圖 三三、壓克力板無電極電鍍銅：壓克力板無電極電鍍銅： 1.將 2gEB 粉末溶於 48gNMP 攪拌溶解，配成 4wt% EB/NMP 溶液。 2.在 70且低壓下 ， 加熱 4wt% EB/NMP 溶液 ，除去大部分的 NMP，提高 EB/NMP 溶液濃度。 3.將高濃度 EB/NMP 溶液以繞線棒均勻塗於 1212cm之壓克力板表面，形成 EB 薄膜。 4.敏化劑、活化劑、無電極電鍍銅電鍍液配方： 敏化劑：3g SnCl2 + 12ml 10%HCl 加水稀釋至 1L。 活化劑：0.5g PdCl2 + 40ml 10%HCl 加水稀釋至 500ml。 無電極電鍍液：7.5g CuSO45H2O + 12.7g KNaC4H4O64H2O + 3.34g NaOH(s) + 12.5g (37%)HCHO 加水稀釋至 500ml。 5.將塗有 EB 薄膜的壓克力板浸泡於敏化劑中，5 分鐘後取出置入活化劑中 15

9、 分鐘，取出以水沖洗並乾燥。 6.壓克力板乾燥後，浸入無電極電鍍銅電鍍液中，待銅均勻析出於壓克力板表面後(約 1520 分鐘)，取出以水沖洗並乾燥，即得無電極電鍍銅之壓克力板成品。 7.其實驗流程圖如【圖九】所示。 13 14 四四、儀器分析樣品製備及光譜掃描：儀器分析樣品製備及光譜掃描： 1.取 1g EB 粉末加 NMP 至 100ml 攪拌溶解EB(NMP) 。 2.取 0.688gCuSO45H2O 加 NMP 至 100ml 攪拌溶解CuSO4 (NMP) 。 3.各取 50ml 的 EB(NMP)及 CuSO4 (NMP)混合攪拌一天(24 小時)，綠色膠體生成後，抽氣過濾此膠並將濾餅送至烘箱，以 110低壓下烘乾，得到 Cu2+摻雜之 EB 粉末EBCu 錯合物。 4.X-ray 樣品製備及光譜掃描： 分別將 EB、CuSO45H2O、EBCu 錯合物研磨成細粉，壓置於 X-ray 載玻片上，以 Cu K-ALPHA 1 /30kV/40mA X-ray 進行掃描，掃描角度範圍為 270，掃描速度為 1.5/min，分別測得EB、EBCu 錯合物 、CuSO45H2O 之 X-ray 光譜。 5. IR 光譜樣品之製備及光譜掃描： 分別將少量的 EB、EBCu 錯合物粉末與相對多量的 KBr 混合研磨後，分別壓錠進行 IR 光譜掃描，掃描波數 400cm-14000cm-1。 6.UV-VIS 光譜樣品之製備及光譜掃描： 將 EB(NMP)滴於玻璃片上，塗抹均勻後，加熱烘乾除去 NMP，得EB 的 UV-VIS 光譜試片。 將 EBCu 膠體均勻塗於玻璃片上，加熱烘乾除去 NMP，得 EBCu的 UV-VIS 光譜試片。 15 NNNNHH( )將 EB 及 EBCu 的試片進行 UV-VIS 光譜掃描，掃描波長範圍為400nm1100nm。 EB 分子的重複單位為 其和 Cu2+具有相同的化學當量，故 1

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