透明金属薄膜在电磁屏蔽中的应用

魏程 李刚 王天琦 王威力 孙海洋 王宝瑞 单鹏宇

摘 要 由于电磁辐射导致电子技术领域的信息安全问题备受关注，寻找降低电子设备运行时伴随的辐射的方法，是亟待解决的技术问题之一，本文对真空沉积法制备的透明金属薄膜在电子元器件显示器屏幕上的电磁屏蔽效能进行了理论分析与试验验证，讨论了金属薄膜材质及单层与多层金属薄膜网状结构对电磁屏蔽效能的影响，通过实验数据分析可知，由具有高导磁率和低电阻率的金属制成的给定厚度的单层金属薄膜屏蔽层具有最大的磁场屏蔽效能，即电子结构元件屏蔽涂层的最佳选择是厚度为 30-50μm 的单层铝膜。

关键词 电磁屏蔽；薄膜涂层；屏蔽效能；光学透明屏幕

Application of Transparent Metal Film

in Electromagnetic Shielding

WEI Cheng，LI Gang，WANG Tianqi， WANG Weili， SUN Haiyang， WANG Baorui， SHAN Pengyu

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT The information security problem in the field of electronic technology has attracted much attention due to electromagnetic radiation. Finding a method to reduce the radiation accompanying the operation of electronic equipment is one of the technical problems to be solved urgently. In this paper， the electromagnetic shielding effectiveness of transparent metal film prepared by vacuum deposition on the display screen of electronic components has been theoretically analyzed and experimentally verified， The influence of metal film material and single-layer and multi-layer metal film mesh structure on electromagnetic shielding effectiveness is discussed. Through the analysis of experimental data， it can be seen that the single-layer metal film shielding layer with a given thickness made of metal with high permeability and low resistivity has the maximum magnetic shielding effectiveness， that is， the best choice of shielding coating for electronic structural elements is 30-50 μm thickness of single layer aluminum film.

KEYWORDS electromagnetic shielding; film coating; shielding efficiency; optical transparent screen

通讯作者：魏程，工程师，硕士生。研究方向为功能复合材料。E-mail：weicheng2012@163.com

1 引言

随着电子技术在人类活动领域的大量引入，处理、存储和保护信息的问题备受关注。在计算机技术中使用矩形脉冲信号和高频开关导致发射光谱中出现频率高达微波频率的成份，此外，由于寄生耦合会产生共振，这会导致某些频率处的辐射增加。众所周知，经过计算机技术处理的信息可以通过分析电磁辐射来恢复，因此，任何电磁辐射，即使符合电磁兼容性的标准，从维护处理信息的机密性的角度来看也是不安全的，寻找降低电子设备运行时伴随的辐射的方法，是亟待解决的技术问题之一［1-5］。

电子元器件屏幕的电磁屏蔽效果至关重要，目前主要使用金属薄膜和金属网栅两种透明屏蔽材料制备，金属网栅透光性不及金属薄膜，可视性和在低频段的屏蔽性能较差，容易老化［6］，随着微电子等行业真空沉积方法的发展，几乎可以在屏蔽器件外殼的任何形状的表面上获得均匀的金属薄膜，使用金属薄膜具有许多优势，金属薄膜的真空沉积过程确保了屏蔽层的紧密性以防止电磁辐射泄漏，且不会增加设备的重量和尺寸，容易使用光刻技术进行刻蚀，而且可以施加延长其使用寿命的保护层 ［7-11］。

本文采用真空沉积方法制备多种材质和多层结构的透明金属薄膜，通过研究其屏蔽效能，为军用电子显示器、武器装备和方舱通信保密窗口等需要透明屏蔽材料的领域提供技术支持。

2 透明金属薄膜屏蔽效能研究

2.1 金属薄膜层数对屏蔽效能影响的研究

在交变磁场中，由于薄膜各层之间的距离很近，它们之间会发生相互作用，从而影响屏蔽效能。由于其中感应的涡流，可以通过导电屏蔽来屏蔽交变磁场，在许多资料中给出了单层屏幕的屏蔽效能计算方式［4］，形式如公式（1）所示。

k0э=（1+ωLэRэ2 ）（1）

其中，k3表示屏蔽因子，L3是屏蔽电感系数，R3是屏蔽阻抗。

然而，在实践中有时需要使用由几层不同厚度组成的金属网络，要分析由多个导电层组成的金属网络对交变磁场的屏蔽效能，就需要考虑以下形式， 每个导电层表示为由并联的电感 L 和电阻 R 组成的等效电路，其中 L 是层电感，R 表示屏幕对流过其中的涡流的电阻。

一般来说，n层结构、场源和测量装置的等效电路，如图 1 所示。

图1 等效电路示意图

磁场由频率为w的交流电I0经过的线圈L0产生，在没有屏蔽的情况下，在接收线圈L′中感应出电动势，如公式（2）所示。

U0=iωI0 kL0 L（2）

其中，k是线圈的互感系数。由于我们考虑的是用封闭的屏蔽设备对源进行屏蔽的研究，我们可以假设源和屏蔽层之间的连接，以及各屏蔽之间的连接是完整的，使用I1……In表示各个屏蔽层中的电流，可以为每层中出现的电动势编写一个包含 n 个方程的系统，如公式（3）所示。

iωL1+R1iωL12…iωL1n

iωL21iωL2+R2…iωL1n

…………

iωLn1iωLn2…iωLn+Rn ×I1I2…In=iwL01I0iwL02I0…iwL0nI0（3）

第 i 个和第 j 个线圈的互感用Lij表示。 我们将寻找屏蔽系数作为在没有屏蔽和有屏蔽的情况下在接收线圈中感应的电动势能的比率，如公式（4）所示。

k0э=U0U0-Uэ（4）

其中，Uэ是由在屏蔽中流动的涡流引起的，如公式（5）所示。

Uэ=k∑ni=1iωLi L′Li （5）

从公式（3） 中我们可以发现如公式（6）所示。

Uэ=kLi L′ I0 （1-11+∑ni=1iωLiRi

（6）

将公式（2）和公式（5）代入公式（4）我们得到屏蔽因子的值如公式（7）所示。

k0э=1+∑ni=1iωLiRi

|k0э |=1+ω2 （∑ni=1LiRi）2（7）

同样屏蔽因子对数，如公式（8）所示。

kэ=20 lg|k0э |=10 lg（1+ω2 （∑ni=1LiRi）2 ）（8）

从公式（7）可以看出，与单层屏蔽相比，多层屏蔽的屏蔽系数的频率依赖性的性质没有改变，屏蔽层的电阻与制成它的材料的比体积电阻 （ρI） 成正比，与层厚（di）成反比， 电感与材料的磁导率（μI）成正比， 公式（7）可以如公式（9）所示。

|k0э |=（1+Aω2 （∑ni=1ui diρi）2（9）

其中，A 是取决于屏蔽几何形状的比例因子。

给定频率下的最大屏蔽将是公式 （9） 括号中总和的最大值。如果屏蔽层总厚度固定为d=d1+d2+…+const，那么这种线性函数的最大值将在处d=di实现。

因此，我们可以得出结论，由具有高导磁率和低电阻率的金属制成的给定厚度的单层屏蔽将具有最大的磁场屏蔽效能。在实践中，更方便的是使用薄膜材料表面电阻的值来代替它的比体积电阻，其表面电阻值如公式（10）所示。

kэ=10 lg（1+Aω2 （∑ni=1μiρSi）（10）

通过沉积在平坦介电基板上的各种厚度的铝膜如表1所示，在交变磁场中的屏蔽效能的测量数据。

理论研究表明，由高导磁率和低电阻率的金属制成的给定厚度的单层屏蔽层将具有最大的磁场屏蔽效能。然而，不排除多层涂层，但在这种情况下，有必要优化技术和提高经济性。还应该注意的是，虽然薄膜屏蔽的理论模型可以给出正确的定性结论，但它们并不能给出足够准确的定量结果。

2.2 金属薄膜材质对屏蔽效能影响的研究

对于聚苯乙烯和塑料等电子元器件屏幕而言，在不加热基材的情况下提供所需的导电薄膜参数至关重要。由于铝、铜和铁镍等可以进行等离子体化学反应并获得氮化物、氧化物等化合物，通过工艺参数的控制改变所得导电薄膜的结构和性能，基于此，选择铝和铜作为高导电材料，选择铁和镍作为铁磁性材料。采用磁控溅射和真空沉积的方法制备薄膜屏蔽涂层，因为它们可以控制生产过程中和生产后的薄膜屏蔽涂层的物理机械参数，如表面电阻率、体积电阻率、附着力、厚度和屏蔽效能等。单层屏蔽涂层的测试样品列表及其特性如表2所示。

为了测试多层屏蔽涂层的屏蔽效果，制作了两层和三层导电薄膜屏蔽层样品，使用铝层与铁和铜层的组合，多层屏蔽涂层的测试样品列表及其特性如表3所示。

在样品 2.1～2.3 中，一层具有高磁导率的材料（铁）既是电磁场源的外层又是内层。 因此，应该研究屏蔽中层的交替对其效能的影响。

使用三个样品对光学透明屏蔽层进行比较分析。第一个是在玻璃基板上通过真空沉积和光刻获得50 μm厚的铜光栅，光栅周期为400 μm，带宽为200 μm；第二个样品是在绝缘橡胶基板上制备具有相同几何参数的光栅；第三个样品是通过在玻璃基板上磁控沉积0.25 μm 厚的半透明氧化硅和3.0 nm 厚的镍薄膜获得的，试验数据总结如表4所示。

电子显微镜研究表明，透明导电薄膜涂层具有分散结构，颗粒形状接近球形，不同粒径的分散镍膜的电磁辐射的反射系数 K 和透射率 T 的频率依赖性如图 2所示［4］。

1-3 （T） 和1'-3'（R）对应粒径1.5、2.0、 3.0 nm

表2～表4试验样品在电场和磁场中的屏蔽效能的测量结果如表5和表6所示。

由表5和表6中实验数据分析可知，铜膜的屏蔽效能与相同厚度的铝膜的屏蔽效能几乎没有差异。至于钢膜，由于电阻率高，其屏蔽效果在此频率范围内明显降低。从表6中可以看出，频率为3 MHz或更高的溅射铜膜会产生足够强的屏蔽效能（超过10 dB），而对于连续铜膜，该频率约为100 kHz，频率比超过了一个数量级，造成这种差异的原因在于通过真空沉积获得的薄膜的结构特征，电子显微镜研究表明，沉积的薄膜由细晶粒组成，其大小取决于影响金属沉积在基板上的各种因素，平均而言，晶粒尺寸可以从单位到几十微米不等， 在薄膜生长过程中，晶粒相互接触，然而，在接触面上，金属晶体结构的周期性被打破，晶粒间形成势垒，阻止電流在晶粒间流动［12-14］，这些结果与理论计算定性一致。

2.3 喷涂透明导电薄膜后显示器外壳的屏蔽效能研究

就信息安全而言，计算机中最脆弱的元素是显示器，因此，测量喷涂屏蔽涂层后的显示器外壳的屏蔽效能很重要。在显示器的塑料外壳上通过真空沉积方法制备铝膜屏蔽涂层，厚度为 40-50 μm，测量了屏蔽效能， 结果如表 7 所示。

3 结语

（1）多层导电薄膜样品的测试结果表明，使用 A1-Fe 和 A1-Fe-A1（样品 2.1 和 2.3）导电薄膜的屏幕可获得最佳的电磁屏蔽效果，其中铁层与辐射源隔绝铝层可以降低磁场强度，

一般来说，多层薄膜屏幕的屏蔽效能（通过磁场测量）低于单层铝屏幕。

（2）铝薄膜屏幕的电磁场屏蔽效能，与氧化硅镍的半透明屏幕（表 4 和 表5）相比，它们具有更高的屏蔽效能。

（3）电子结构元件屏幕屏蔽涂层的最佳选择是厚度为30～50 μm 的单层铝导电薄膜。真空沉积在电子结构元件上的铝膜涂层厚度均匀，耐腐蚀，对聚苯乙烯的附着力高，弯曲强度大，并且屏蔽效能高。然而，由于氧化铝对铝膜的自钝化作用，在组装电子复合体的组件时会出现所谓的“接头”问题，这个问题可以通过在铝膜表面沉积一层氧化硅镍薄膜来解决。

参 考 文 献

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