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贴近5G 远离辐射——5G引领电磁屏蔽材料升级
时间:2020-08-19 09:19 作者:admin666 来源:
 

通信基站又称无线基站,是实现信息化的战略性基础设施。未来5G超密集组网将会部署更多的基站。基站工作时,电磁波信号由发射天线向空间发送,发射天线是基站电磁辐射的根源。目前,全球正在加快推动部署5G移动通信商用,移动通信基站及应用终端的电磁屏蔽处理工作尤为迫切。2019年1月1日,生态环境部颁发的《移动通信基站电磁辐射防护监测方法》正式生效,凸显国家对基站电磁防护的高度重视。

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电子设备工作时,既不希望被外界电磁波干扰,又不希望自身辐射出电磁波干扰外界设备以及对人体造成辐射危害,所以需要阻断电磁波的传播路径,这就是电磁屏蔽。要了解电磁屏蔽,首先要理解三个名词:电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility)缩写EMC,就是指某电子设备既不干扰其它设备,同时也不受其它设备的影响。电子元件对外界的干扰,称为EMI(Electromagnetic Interference);电磁波会与电子元件作用,产生被干扰现象,称为EMS(Electromagnetic  Susceptibility)。

电磁屏蔽机理  

电磁波在空间传播时的衰减主要是基于电磁波的反射和吸收:

(1)电磁波传播到屏蔽体表面时,由于空气与屏蔽体界面处波阻抗发生突变,电磁波产生了反射;

(2)电磁波通过金属材料表面后,金属材料会由于感应电动势形成涡流,涡流磁场与原来磁场方向相反、相互抵消,从而实现屏蔽作用,也就是吸收损耗;

(3)在屏蔽体内未衰减掉的电磁波,传播到屏蔽体另一表面时,遇到阻抗突变的金属-空气界面再次发生反射,重新返回屏蔽体内后产生多次反射。

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电磁屏蔽效果可用屏蔽衰减来表示,屏蔽衰减代表干扰场强通过屏蔽体受到的衰减值。屏蔽衰减(单位:dB)定义为:

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式中,E1和H1为入射到屏蔽体前电场强度和磁场强度,E2和H2从屏蔽体透过后的电场强度和磁场强度。

电磁屏蔽的吸收损耗和反射损耗的计算公式如下:

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式中,A表示吸收损耗,R表示反射损耗,r表示屏蔽体与场源的距离,μ为相对磁导率,σ为相对电导率, f为电磁波频率。

从上述公式可以看出,随着电磁波频率的增加,吸收损耗所占的比例随之增加,而反射损耗所占的比例随之减少。因此,对于高频电磁蔽,主要利用高电导率的金属材料产生涡流,用以对外来电磁波产生抵消作用。对于低频电磁波,通常可以采用具有高导磁率的材料,使磁力线限制在屏蔽体内部,防止电磁波扩散。


 产品分类   

影响材料电磁屏蔽效能的因素包括材料的电导率、磁导率及厚度等。

根据电磁屏蔽的机理,电磁屏蔽产品设计可以结合屏蔽的电磁波频段,采取高导电率或高导磁率的材料进行开发,根据不同的应用场合和工艺来制作不同形态的电磁屏蔽材料。

按照材料的制备工艺划分,电磁屏蔽材料主要包括三大类:

1)金属类:直接选择金属材料,如铍铜、不锈钢等;

2)填充类:在不导电的基材中添加一定比例的导电填料从而使得材料导电,基材可采用硅胶、塑料等材料,导电填料可以是金属片、金属粉末、金属纤维或金属化纤维等材料;

3)表面敷层和导电涂料类:对基材进行电镀,如导电布等。而从器件的角度来看,目前广泛应用的电磁屏蔽器件主要包括导电塑料器件、导电硅胶、金属屏蔽器件、导电布衬垫、吸波器件等。


 基站应用   

基站外壳一般是铝合金压铸件,为了实现整体的电磁辐射防护,需要在压铸件接缝处用导电硅胶条连接。导电硅胶条将铝合金基站壳体形成一个连续的导电体,通过导电体的涡流效应和反射效应将电磁波限制在基站内部,从而防止电磁波泄露造成辐射。对于5G高频通信而言,导电硅胶条的电磁屏蔽效能主要是通过涡流效应来实现,材料的导电性越强涡流效应越明显,因而,要想提高电磁屏蔽效能,需要材料具有更高的导电性。除了导电性以外,导电硅胶条要满足特定的机械性能才能满足实际应用需要,导电硅胶条必须能够经受严格的环境老化测试。

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除了采用导电胶条对基站壳体进行整体屏蔽以外,基站内部也需要对电子元器件进行局部的电磁屏蔽处理,以防止信号的相互干扰。现场成型工艺(Form in place,简称FIP)可以精准地将导电胶涂在所需部位,工艺简单,可以在复杂表面成型,材料利用率高,非常适合基站设备的局部电磁防护。

手机应用   

传统的手机EMI屏蔽是采用金属屏蔽罩,屏蔽罩在横向上要占用宝贵的PCB面积,纵向上也要占用设备内部的立体空间。目前手机应用中具有代表性的技术是共形屏蔽(Conformal shielding)和划区屏蔽(Compartment shielding)。

共形屏蔽是将屏蔽层和封装完全融合在一起,模组自身就带有屏蔽功能,芯片贴装在PCB上后,不再需要外加屏蔽罩,不占用额外的设备空间,从而解决这一难题。共形屏蔽实现了极好的屏蔽效果,在远场高达12GHz,近场高达6GHz,以及10MHz-100MHz的低频,屏蔽效果在30dB以上。共形屏蔽主要用于PA,WiFi/BT、Memory等SiP模组封装上,用来隔离封装内部电路与外部系统之间的干扰。iPhone 7主板上,大部分芯片都采用了Conformal shielding技术,包括WiFi/BT、PA、Memory等模组,达到高度集成且轻薄短小的目的。

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划区屏蔽(Compartment shielding)可用于封装外部屏蔽,以及对封装内部各子系统模块间实现隔离。其由Conformal shielding技术改进而来,用激光打穿塑封体,露出封装基板上的接地铜箔,灌入导电填料形成屏蔽墙,并与封装表面的共形屏蔽层一起将各子系统完全隔离开。另外,划区屏蔽将屏蔽腔划分成小腔体,减小了屏蔽腔的尺寸,其谐振频率远高于系统噪声频率,避免了电磁共振,从而使得系统更稳定。例如apple watch的S1模块采用了此技术。

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 5G电磁屏蔽材料开发展望   

2019全球电磁屏蔽材料市场分布:导电涂层36%、金属柜15%、导电塑料10%、层压板/胶带/箔材4%、其他35%。根据BCC Research的预测,全球EMI/RFI屏蔽材料市场规模将从2016年的60亿美元提高到2021年的78亿美元,复合增长率近6%。而随着5G的快速发展和普及,电磁屏蔽材料市场将会更加扩大。产品向高覆盖、轻量化、高标准、规模化转变,对于行业来说既是机遇又是挑战。

(1)高覆盖:电磁屏蔽材料向宽频化方向发展,能够覆盖中低频和高频电磁波的屏蔽;

(2)轻量化:未来通信基站和电子元器件的体积变小,要求电磁屏蔽材料具有轻量化、超薄化特性;

(3)高标准:出于对生命和健康的重视,电磁屏蔽的标准更加严格,屏蔽效能要求更高;

(4)规模化:从设计和制造的角度来讲,电磁屏蔽材料的加工工艺应更为简单,性价比高,适合大批量生产。

国际上电磁屏蔽材料企业有Laird、ChomericsNolato等,国内企业如深圳飞荣达、北京中石科技、深圳鸿富诚、深圳博恩实业等。在产品性能上,国外企业长期垄断了中高端电磁屏蔽产品市场,国内企业的产品性能相对较差,一般用于中低端产品上。另外,国内企业的研发实力和技术创新能力不足,对终端厂商日益提高的性能需求无法满足。总体上讲,国内材料厂商的技术开发水平尚亟待提高。目前国内领先厂商注重研发投入的持续性,提前布局适用于5G时代的新工艺和新产品应用,未来份额有望持续增长并保证盈利水平。

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