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電子產品外殼電磁波屏蔽處理與散熱設計

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前言:舉凡電子產品、工控裝置、電信設備,無不以高性能、高可靠度、高效反應為其設計主要目標,如此一來,也讓其電路設計日趨繁複,而電路板可用面積因應產品縮小趨勢,使其內部可用空間不斷縮小,加上晶片元件朝大幅集積化趨勢發展,讓主機本體的散熱設計顯得越來越困難,而除了散熱考量外,EMI電磁波干擾雜訊也是產品開發環節中首要必須解覺得問題,如何在散熱要求與阻隔電磁波設計間取得平衡?已是相關產品開發過程的重要設計目標…

本文:
在電子產品設計中,隨著各式安規與電子產品要求越來越多,反而是其功能面的開發,比較屬於成熟且有相關開發資源延續、發展的設計,而如何解決電子產品的雜訊與電磁波干擾(Electromagnetic interference;EMI),反而需要花較多時間透過不斷檢測、處理改善,而且形成電磁波干擾的原因相當多,加上近來多數醫學研究報告不斷釋出電磁波對人體影響的相關論述,也讓越來越多人開始重視電磁波處理的相關議題。

對電子產品製造商而言,所生產的產品若電磁波處理不當,小則影響硬體運作正常性、穩定性,對於產品服務的可靠度會產生直接的影響,但更大的問題在於,若產品的電磁波問題無法符合國際安規要求,最嚴重的問題可能是產品無法輸出、上市,對於投入開發資源的業者來說,無形是最大的損失。再以目前的市場環境觀察,電子產品的生命週期越來越短,消費性電子產品可能僅有1、2年,而工業用電子產品更新頻率則或許在4、5年間,產品製造所投入的研發時間將大幅壓縮,如何以有效、低成本、高效益的電磁波解決方案,成為產品設計的關鍵。

電磁波成因與種類

要討論如何抑制、處理電磁波前,必須先了解電磁波的成因,所謂的電磁波干擾,其實就是指電子裝置運作時所產生我們不需要的電壓或電流,當這些產品運作時產生的能量,大到影響電子設備運作時,此即電磁波干擾,而當該產品所產生的電磁效應受有效控制、不會影響到鄰近的電子設備時,此即稱作這款電子產品具備具電磁相容(Electromagnetic Compatibility;EMC)要求。

電磁波產生源自當電路電流傳送時,不同線路所產生的相互垂直電場(E-field)、磁場(H-field),而電磁波來源可以是自然或是人為,以自然產生之電磁波為例,像是閃電、太陽光均是;而人為產生之電磁波,如刻意為特定目的生成的無線電、廣播電台、無線通訊基地台等,與非刻意產生的電子產品自發電磁波,都是主要電磁波來源。

電磁波干擾的方式,依其傳送方式與途徑,可以分傳導性(Conducted)與輻射性(Radiated) 2大類,而干擾的發生通常單獨出現的狀況並不多,多數情況是2種方式並存或交互產生,其生成原因相當複雜。至於,並非所有電磁波都會對電子機件產生干擾,一般而言,電磁波/無線電干擾(EMI/RFI)其發生頻率大多出現在10Hz∼100GHz範圍之間,對一般電子產品(如消費性電子產品),其容易干擾的範圍為500KHz∼10MHz,而對電腦、計算設備叫為敏感之區域在於450KHz∼1GHz範圍。


EMI/RFI濾波器,可處理自電源端而來的干擾問題。

電磁波相關規範

電磁波的規範在1982年美國聯邦通訊委員會(federal communication commission;FCC)已有針對電磁干擾提出相關法規(Regulation limiting EMI Emission),並在1995年重新制訂電磁相容性測試規範標準,其規範將電子產品區分為消費性(comsumer)產品與非消費性(non-consumerproduct) 2類,其規範的精神在於,實測電子產品在運作中於特定距離間所能容許的最大電磁、電場強度,而非消費性電子產品(即工業產品),則必須具備較消費性電子產品更高的電磁波耐受能力。目前全球常見的國際規範,如美國FCC、歐盟EU(CISPR)、日本VCCI,均有針對此設計繁複標準要求。

常見電磁波處理設計與限制

一般產品設計工程師,所要面對的EMI問題,其EMI抑制對象多半來自傳導性(Radiated)與輻射性(Radiated) 2大干擾源,其中傳導性EMI是由電源線路傳送干擾信號,而連接同1個供電來源的電子裝置,都會受此干擾影響,而輻射性EMI則是透過開放空間進行傳遞,毋需透過或藉由介質傳遞,因此解決難度較高,多數是採接地(Grounding)或遮蔽(Shielding)…等手段進行設計改善。

常見電磁波干擾,為指設備內部產生的電磁波洩漏於機殼之外,干擾到其他鄰近的電子產品正常運作,以個人電腦為例,使用者常會感覺到當開啟電腦時,若電腦附近同時開啟收音機播放廣播音樂,電腦的開啟與否即直接影響收音機的接收音質,此現象即為電腦內部的電磁波外洩干擾鄰近電子設備。但這種狀況往往是伴隨多種問題一併產生,若2款設備均接續同一個電力來源,由電腦的交換式電源傳出的電源雜訊,也會是收音機的主要干擾源。

先前也有說明,電磁波輻射是經由相互垂直的電場與磁場發生,其相對距離與產生的干擾強度,亦會受環境改變,電場與磁場的關係為波阻抗(Wave impedance),此單位為歐姆(ohm),以機殼設計環境中的電磁波介質(空氣)為例,其波阻抗為377歐姆,除垂直產生的能量外,另電場與磁場也會產生平面波的干擾問題。


手持式裝置的電磁干擾問題亦是其設計重點,圖為HTC Touch DIAMAND電路板抗干擾設計,除利用金屬板屏蔽,還搭配金屬網貼覆強化屏蔽效果。

在距離方面,近場(near field)干擾以電場方面產生的問題較為顯著,這是由於電磁場的特性,取決於輻射源的形成關鍵,例如線性導體本身的高電壓所形成的輻射源。而遠場(Far Field)干擾則以輻射電磁場較具影響,而電子設備的運作頻率高低、功能複雜度提高,也會讓設備受電磁干擾的機率增加。常見電路方面的傳導干擾,若是200MHz以下的干擾現象,可搭配接地元件處理、改善,而超過200MHz以上的傳導干擾,其處理難度較高,透過接地處理的改善幅度有限,最有效的方法仍是直接採外殼遮蔽方式改善其電磁干擾問題,而目前多數電子設備應用大多超過GHz的運行頻率,因此對機殼的設計要求更高。

遮蔽設計的效果與彈性

前面也有提到,利用金屬屏蔽是處理EMI/RFI最直接有效的方式,電磁屏蔽是指在空間內,以具導電或導磁性能的材質,直接將高頻或是易受電磁干擾的元件、設備包覆起來,用以削弱電磁場的影響,藉此提高設備、元件的抗干擾能力(immunity)。屏蔽的目的在於把干擾源隔絕在屏蔽外、或是將易產生干擾的射頻、高頻元件,將產生的輻射干擾減到可接受的範圍。

電磁場經過屏蔽體,其能量會被屏蔽物的特性而相對削減,此為屏蔽效應(Shielding effect;SE),要產生高效率的屏蔽效應,其關鍵取決於屏蔽體的材質,例如,材料原料、體積、面積、形狀,與干擾源的距離,甚至屏蔽體唯一體設計或是多塊拼合都會影響其抗電磁的能力。設計遮蔽電磁波的屏蔽體,其開發流程為,設計者必須先量測電子設備在無屏蔽狀況下,其電磁干擾源的產生點、強度、距離,藉由此量測得知的基本資訊,再考量屏蔽體所需使用的材質、數量、特性。基於成本考量,在設定屏蔽數量前,研發者還必須先決定電子設備所能耐受的電磁干擾量,若電子設備的耐受量設定較高,機殼內的屏蔽體設置數量就可相對減少,達到其設計的成本效益。

屏蔽體的設計相當多元,目前因應行動裝置設計的產品樣式很多,還有如同貼紙的金屬網設計,一般應用中以編織物(Woren material)、蜂巢式(Honey comb)與網狀(Screen) 3種主要設計。在實際應用以網狀應用為多,網狀亦有方形、圓形2種不同開孔方式。金屬網的電磁波遮蔽效果,是由衰減電磁波穿透能量與增加其反射損失而來,而實際應用中,電磁波仍會穿透金屬網,實做時會以多層被覆方式強化其抗干擾特性。

以金屬與非金屬外殼製作屏蔽物

最有效的電磁屏蔽設計,仍以金屬機殼為最佳,但機殼設計多元,目前已有多種金屬或類金屬設計樣式用於市售產品中。

以傳統鈑金外殼為例,其實鈑金外殼具備較較佳的屏蔽效應,其電磁屏蔽效應可高達60db以上,但要讓其發揮最高效益與生產成本考量,其外型不能太複雜(鈑金機殼無法做過於複雜的外觀設計),多半以方形設計居多,且產品外殼需經防鏽蝕與烤漆處理,製品重量也會因此增加。較新穎的設計為逐漸導入鎂鋁合金設計,新式的合成金屬可以利用鎂鋁金屬粉末以沖壓成型,雖鎂鋁合金製品具備質量輕盈、耐衝擊、散熱佳與美觀優點,但製品可能會因為壓鑄過程中,材料出現不勻,造成孔洞、裂紋等,表面處理過程也容易產生有毒廢料。


電腦機殼以鈑件設計居多,但產品需經防鏽、烤漆等多重工法處理。LIAN LI

特定設備也有採用鈦合金製作機殼的趨勢,鈦合金的電磁波屏蔽特性與鈑金機殼相似,目前多使用JIS Grl純鈦製作,亦兼具鎂鋁合金的質輕優勢與鈑金機殼的高阻隔效果,但鈦材質在加工成本較高,鈑件間的鉤合設計相當不容易處理,金屬表面若經手接觸容易產生指印、手紋,一般量產產品中並不常見。


利用金屬沖壓或鑄造的機殼,具備完善的抗電磁干擾特性。

除純粹採金屬材質外,機殼採塑料材質為主、搭配金屬處理的屏蔽設計為輔,因具備成本與重量優勢,成為多數3C產品、行動裝置的主流應用方式。常見的設計為以塑料機殼搭配機殼內填充導電材料,例如,採金屬粉末、金屬片、金屬纖維,或具備導電、導磁功效的碳粉、碳纖維處理,降低塑料機殼內部的表面電阻,目前此作法屏蔽效果已可接近50db。但此工法製成之機殼屏蔽效果容易受塗布均勻度、方向性或與電子電路造成短路等問題限制,處理複雜度高。

更新穎的作法是利用金屬化塑料機殼內裡的方式,達到前述削減電磁波能量的設計目的。常見的方法為採金屬蒸鍍、噴塗、真空蒸鍍或濺鍍…等,為塑料機殼進行內部表面金屬化處理,其均勻度較高,但問題是金屬與塑料的熱膨脹係數差異大,其金屬膜容易因溫度脫落,且裝配生產線若安裝時與零組件產生刮傷鍍膜,其阻隔效果就會因此受到影響。


塑料機殼透過連續濺鍍處理,也能具備金屬機殼的優異電磁波阻隔效益。ehtek

針對散熱孔位置的EMI防護設計

在工業用電腦或電子設備機箱設計方面,多半解決EMI的方式,都是透過遮蔽與接地處理EMI問題,而工業用電子設備不若一般消費性電子產品,需對外殼進行美化或是操作設計,因此,處理的方式大多叫為粗糙,主要考量以耐用性為主,機能性(如散熱)為輔。

在機殼設計部份,可能防水、防塵設計要求會較高,對EMI/EMC的要求相對較低許多,由其工業機箱必須置放於高溫或是狹小機房空間,散熱的功能性要求可能會較電磁干擾設計更為優先,常見的設計方式就是增設主動散熱風扇,並於機殼外部進行開孔。常見的狀況是開孔處僅考量散熱效率與機身機構的整體強度,反而對於此處的EMI/EMC處理與洩漏抑制付之闕如,最多僅是利用金屬網進行基本的屏蔽設計,比較好的設計方式是針對散熱開孔處,輔以強化EMI設計處理。


電子設備的機殼預留散熱孔位的EMI處理,在設計時仍須注意其設計樣式。LanCool