用导电涂层保护电路免受EM/RFI和ESD的影响

通过Rohit Ramnath, Master Bond Inc.

通过IC放电的静电电荷会损坏IC，但保护涂层可以提供所需的静电保护，而无需在芯片上添加除ESD保护外没有任何其他用途的物理组件。

电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI，之所以这么叫是因为干扰源在射频传输专用的频率范围内)是电子学领域的重要问题。EMI/RFI是一种能量，它会在无意中影响电路，并导致其运行性能下降，在最坏的情况下，甚至导致故障。这种能量从各种来源发出，如无线电或电器，并且可以在电流通过感性负载中断时出现。例如，802.11b和802.11g无线设备、蓝牙设备、婴儿监视器和微波炉可能会造成2.4 GHz的电磁干扰。

由于电子设备、元件和支撑它们的集成电路都越来越小，EMI/RFI在今天成为一个更大的问题。随着越来越多的移动电子产品，如手机和平板电脑，使用更高的输出功率和更高的芯片速度/频率的cpu，无关电子信号的泄漏导致了无意的EMI/RFI干扰。

由于制造数字电子设备越来越多地使用塑料外壳和外壳，EMI/RFI保护也成为一个更重要的问题，这增加了对屏蔽这种潜在和杂散电磁辐射的组件的需求。

EMI/RFI屏蔽可以定义为用导电材料制成的屏障将干扰信号从一个电路隔离到另一个电路的过程。涂层可以用于保护设备免受这些类型的干扰，为敏感组件提供一种“免疫”，并防止EMI过度排放到其他敏感设备。我们很快就会看到为什么涂层是在军事、航空航天和医疗设备等关键应用中保护电路的有效和可靠的解决方案。

但首先，要最好地有效应用屏蔽的概念，就需要了解干扰源和干扰源周围的环境，以及接收器(需要保护的组件和板)。下面简要回顾一下EMI/RFI发生的原因和方式。

有两种可能的情况。电磁源脉冲可以在受影响的设备内部产生，也可以在外部产生。在任何一种情况下，当存在一个源、一个受体以及源和受体之间的耦合时，就会发生干扰。

元件、电路或设备之间有四种基本的耦合机制:导电、电容、磁性(有时也称为感应)，或这些的任何组合，以及辐射。当电磁干扰源与电磁干扰敏感设备之间的耦合路径与导电体直接接触时，就会发生导电耦合;例如，两个电路共用的传输线、电线、电缆、PCB迹线、天线引线或接地回路。传导干扰的典型来源包括开关电源、交流电机和微处理器。

电容耦合发生在两个相邻导体之间存在不同的电场时，通常相距小于一个波长(对于1 GHz波来说只有30厘米，这也是为什么在高频应用中设计者必须特别考虑到这一点)，从而在间隙处引起电压变化。电容耦合不仅在涉及电路时必须考虑;当一个系统的两根电缆相互靠近时，就会发生这种情况，实际上形成了一个电容器。

感应耦合基本上分为磁耦合和电耦合。当信号源和接收器之间的距离很短时，就会发生这种情况。当两个相邻导体之间存在变化的电场时，就会发生电感应，在导体没有物理接触的情况下，通过间隙诱导电压的变化。当源和接收器之间存在变化的磁场时，就会产生磁感应。在通常的用法中，电感应被称为电容耦合(如上所述)，磁感应被称为电感耦合。

辐射EMI耦合通常发生在源和受害者之间的距离较大时(通常超过一个波长)。辐射RFI最常出现在30 MHz至10 GHz的频率范围内。

关键应用的干扰电位
军事装备的情况尤其具有挑战性。环境条件可能很极端;不可避免地会有严重的振动和冲击问题，环境本身也会受到大量电磁噪声的影响。简单地说，屏蔽EMI/RFI在这里是必须的。此外，随着现代军事平台中电磁和光电传感器的出现，抑制EMI/RFI也被认为是生存能力的一个重要因素，不仅可以确保最佳性能，而且可以防止被敌对势力发现。电磁干扰也可以故意用于阻碍通信，如在某些形式的电子战中。在所有这些应用中，高导电涂层可以屏蔽EMI/RFI效应并衰减电子签名。

更重要的是，随着重量更轻的塑料已经在电子战场上取得了实质性的进展，对保护敏感数字电子产品的涂层的需求日益增加，这些涂层可以防止EMI/RFI，从而确保组件适合工作。受EMI/RFI影响的许多现实军事应用包括武器系统、车辆电子和飞机系统上的传感设备。

静电耗散防护
一个相关的应用是静电耗散。ESD的要求与EMI的要求相似，但所需的电导率水平较低-电阻率为102至104欧姆-厘米就足够了。(注:首字母缩写ESD可以用来指静电放电和静电耗散技术。为了防止混淆，本文将静电耗散技术称为“静电保护”-一种防止不必要的电荷积聚在部件表面，否则可能转移到敏感部件的方法。本文将使用首字母缩写ESD来指代放电事件。)

基本上，当带电导电物体接近另一个导电物体时，ESD就会发生。最初，物体之间会形成一个强电场，然后会产生电弧;在0.7到10ns的范围内，电弧中的电流有时可以超过100a。电弧持续到物体接触或电流降低到无法维持电弧为止。由电弧注入的电流可以穿透元件内部的薄绝缘层，破坏mosfet或CMOS元件的栅极，并触发CMOS器件的闭锁。

然而，由于半导体领域的趋势包括缩小几何尺寸、更薄的栅氧化物、更高速度的电路操作以及I/O引脚数量的增加，情况变得更加困难。这些情况几乎保证了电子元件会因静电放电而增加损坏的易感性。

电过度压力(EOS)是这里的另一个重要问题。EOS是一个术语，用于描述当IC受到超过设备数据表规格限制的电流或电压时可能发生的热损坏。EOS是一个比ESD慢得多的现象，但相关的能量非常高。热损伤是在EOS事件中产生的过热的结果。

从某种意义上说，静电放电(ESD)是一种特殊类型的EOS。ESD是在短时间内发生的非常高的电压(超过500 V)和中等峰值电流(约1至10 a)事件，EOS是在较长时间内发生的较低电压(小于100 V)和大峰值电流(超过10 a)事件。

静电的放电可以看作是一个微型的闪电。虽然人类在静电放电达到几千伏特之前无法感受到静电放电，但一个组件的额定抗静电能力可能是50伏特或更低。

静电防护材料一般又细分为导电、耗散和防静电三类。材料根据它们各自的表面电阻被分为这些组，表面电阻是电荷在介质中传播的难易程度的测量。

防止静电放电的一个有效方法是使用导电能力不强但能慢慢将静电带走的材料。这些耗散材料是讨论电子电路ESD保护时最重要的一类材料，与导电材料相比，耗散材料允许电荷以更慢的速度和更可控的方式流向地面。

防静电材料一般是指任何抑制摩擦电荷的材料。当基材因摩擦或与其他材料接触而带电时，通常会出现这种情况。材料的抗静电特性不一定与其电阻率或电阻率相关。

防静电产品包括防止静电积聚的涂层。这些配方通过允许静电安全地消散而不磨损或失去电阻率提供可靠的保护。重要的是所使用的涂层可以很容易地应用于大多数表面，并抗风化，磨损，潮湿和腐蚀。如果涂层可以很容易地去除，就会大大降低保护作用。

涂层:有效的屏蔽解决方案
回到EMI/RFI，已经开发了一系列使用不同导电填料的化合物来吸收和衰减电磁能量，屏蔽易受影响的电子产品。这些提供了众多的阻力和衰减水平，并可应用于刷和传统的喷涂技术。

同样重要的是，涂料可以通过减少通过某些排放标准所需的过滤量来降低系统成本。与缓冲器网络不同的是，它不需要额外的组件成本和电路板空间。缓冲器网络是电阻与电容串联在一对触点上。更重要的是，虽然减震器可以在非常低的电流下提供适度的EMI降低，但它们通常不能在电流超过2a的机电触点下工作。

测量屏蔽效果的方法之一是衰减。这是指一个源的入射强度的差异和它通过涂层后的减弱。实际的测量单位是分贝(dB)，刻度是对数。用于测量有效性的测试方法之一是IEEE 299，可以使用铝或铜等参考材料进行比较。

总之，从各种来源发出的杂散能量可以干扰设备的内部电路，降低其运行，或者在最坏的情况下，导致故障。为了防止这种可能性，用于EMI/RFI屏蔽应用的导电涂料具有高导电性，并具有耐热和耐湿性。

同样，当静电电荷通过集成电路放电时，会产生大电流和能量耗散，这可能会损坏集成电路。在这里，保护涂层也是一种经过验证的ESD控制方法，随着集成电路尺寸的缩小和可用空间的减少，涂层提供了所需的静电保护解决方案，而无需在芯片上添加除ESD保护外没有任何其他用途的物理组件。

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三个Master Bond涂层用于EMI/RFI屏蔽的例子

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