影響板級屏蔽罩效能的幾大因素

板級屏蔽罩（BLS）廣泛應用于各種電子產品或系統中，在解決電磁兼容問題（如電磁干擾輻射、系統內部干擾、射頻問題等）中發揮重要作用。隨著終端客戶的要求不斷升級，對 BLS 的設計要求也日益提升。如今，客戶需要更高的頻段、更輕、更小巧，或較低高度的屏蔽材料等等。因此，工程師如何評估 BLS 產品的屏蔽效能 (SE) 就成為了關鍵。本文通過介紹實際模擬和測試匯總出影響板級屏蔽性能的幾個關鍵因素。本文可在工程師設計或選擇電磁干擾屏蔽解決方案過程中提供一定參考

孔徑對屏蔽效能的影響

要設計出一個完全封閉的 BLS 是不現實的，設計師通常需要在 BLS 上開一些孔，以達到通風排氣，或者進行信號收發，器件避讓等目的。本文提供了一些典型的 BLS 設計模型，通過比較這些模型的屏蔽效能，我們可以從中得出一些有用的 BLS 屏蔽應用的設計原則。

孔徑大小的影響

在大部分應用場景中，孔徑均不超過 2mm，在電磁學領域，這與電磁干擾波長相比只是很小的長度（即電小尺寸）。因此，單孔不可能形成有效的天線。現在，假設我們需要在 BLS 蓋板上開一列圓孔。以下哪種設計更適合用于電磁干擾屏蔽？（孔的總面積保持不變。）

通過對比電磁干擾模擬，萊爾德獲得了兩個設計模型的屏蔽效能數據。數據表明，孔越小，BLS 的屏蔽效能越好。 也就是說，孔尺寸對屏蔽效能的影響大于孔數量所產生的影響。

孔徑/間隙結構的影響

在側壁或 BLS 框架與蓋板之間通常采用條狀孔。對于兩件式 BLS，由于裝配的局限性，蓋板和框架之間會有一定的間隙。這就形成了波導效應，會導致電磁干擾泄漏。所以我們應該考慮增加一些搭接點來阻斷輻射路徑，下面中的例子顯示了不同設計帶來的不同屏蔽效能。要注意，即使我們將間隙寬度保持在 0.01 mm，這個微小的孔隙仍然會導致屏蔽效能大幅下降。

有更多研究表明，孔徑的長邊尺寸對屏蔽效能起著決定性作用，而短邊則幾乎無此影響。因此，在實際應用中，工程師應避免采用長狹縫孔設計，即使空隙非常狹小。

材料對屏蔽效能的影響

BLS 最常使用的材料是冷軋鋼、不銹鋼和洋白銅。這些材料的導電性均很高。鑒于此，在計算屏蔽效能時，我們可以忽略滲透率的影響。SE 的理論公式為：

SE ≈ R = 20 ·lg(η0/4η)

其中，η0是電磁干擾源的波阻抗，在平面波中此值為 377ohm；η是屏蔽材料的阻抗。為簡單起見，其表達方式為：

因此，材料的傳導性 (σ) 是影響屏蔽效能的關鍵因素。要探明不同材料制成的 BLS 的屏蔽效能，一如往常，萊爾德進行了多次比較模擬和測試。這些實驗表明，不同材料的屏蔽效能值基本相同。甚至在完成了高溫高濕的老化測試后，屏蔽效能的結果也沒有發生明顯變化。

影響屏蔽的另一個重要因素是趨膚效應。這是指高頻電流傾向于通過導體的外表面，而不是導體的內部。因此，如果電磁屏蔽結構采用了金屬化電鍍，那么屏蔽性能主要取決于此電鍍材料；而基底材料則不是那么重要。

在低頻率下，BLS 產品通常用于抑制通常由低阻抗源（例如，電感器、變壓器）引起的磁場。在這種情況下，電磁干擾屏蔽機制會變得較為復雜。在準靜態磁場中，磁通量將被誘導通過具有較高磁導率的材料。因此，屏蔽效能是由屏蔽結構材料厚度和磁導率決定。當頻率升高時，渦電流引起的反射損耗將占主導因素。也就是說，材料的傳導性成為影響屏蔽效能的關鍵因素。為了量化分析在低頻下不同材料的屏蔽效能，我們建立了一個模型來計算 BLS 的屏蔽效能。我們在 BLS 的內部和外部放置兩個線圈，并在 BLS 下方設置一個理想地平面。然后，我們通過測量有無 BLS 的情況下線圈的耦合量數據來計算其屏蔽效能，此時屏蔽效能SE可表示為：

SE(dB)=S21（無 BLS）- S21（有 BLS）

下圖顯示了電磁仿真模型和結果。使用三種典型材料進行建模。電性能參數如上表所示。我們發現坡莫合金在低于 100kHz 的頻率下表現最好。CRS 材料也適合用于低頻應用，高于100k Hz 時，鎳銀成為最佳屏蔽材料。此外，如果將材料厚度增加一倍，我們可以看到，屏蔽效能也會隨之提升。

* 注意，我們在模擬中設置的磁導率是一個常數，在現實中，金屬材料的磁導率會隨著頻率的增加而急劇下降。

其他因素（EMI干擾源、接地方式等）

本質上，電磁干擾屏蔽的目標是形成一個法拉第籠，將電磁場內外隔離開來。但 BLS 只提供了五個屏蔽面，它需要與 PCB 形成接地連接，以形成一個完整的籠體。我們還需要考慮其他可能會影響整體屏蔽性能的因素。以下是對我們研究結果的討論。

EMI干擾源

首先，我們注意到EMI干擾源（天線）的阻抗對屏蔽效能的影響微乎其微。通常情況下，高阻抗天線（如偶極子天線）會帶來更高的屏蔽效能或動態范圍，但我們無法給出一個量化的數據，因為不同的天線結構本身會產生不同的影響結果。另一個需要重視的因素是屏蔽體和干擾源之間的距離。如果干擾源位于泄漏點附近，那么顯然會導致屏蔽效能減弱。這里有一個極端情況的示例。當有信號線穿過 BLS 的孔徑時，電磁干擾泄漏就會變得非常嚴重。

下圖顯示了信號軌跡穿過 BLS 的城堡狀槽口時電磁場的分布情況。如果我們進行比較試驗，就會發現，兩種場景下（電磁干擾源在 BLS 內部以及穿過 BLS 時）的屏蔽效能截然不同。

BLS 接地

大多數 BLS 是通過貼片安裝方式焊接到 PCB 上。在某些情況下，也需要穿孔組裝。這實際上是形成了源于 BLS 的部分對板接地。接地孔的數量也可能影響屏蔽質量。因此，萊爾德完成了對三種接地方法的模擬研究。這些方法包括完全接地（通孔間隙_0.8mm）、部分接地（通孔間隙_7mm）和浮動式（無接地通孔）。下圖顯示了三種不同接地方式的模型。

顯然，完全接地時的屏蔽效能最好。其次是部分接地。浮地的效果最低。此外，當 BLS 用浮地方式裝配在 PCB 時，寄生電容起著重要的屏蔽作用。我們發現，腔體的諧振點發生了改變，在某些頻率下時，屏蔽效能值可能是負值。

BLS 內部的介質材料

在之前的研究中，我們并沒有考慮介質材料對屏蔽效能的影響。但是，在實際工程應用中，有許多電介質元件安裝在 BLS 內（例如，PCB 材料、導熱墊、電磁干擾吸波材料）。這些電介質將影響屏蔽效能，尤其是改變腔體的諧振頻率點。一般而言，介質材料會壓縮在其內部傳播的電磁波的波長，這是因為它比空氣或真空具有更高的介電常數 (ε=1)。介質材料內的波長(εr.)是

其中λ0 是真空下的波長。εr 是介質材料的介電常數。波長被壓縮會導致屏蔽出現兩種結果。其一，空腔諧振頻率點將被轉移到更低的頻率。其二，隨著波長越來越短，電磁波更有可能從孔中漏出。因此，屏蔽效能會減弱。如圖所示，在 BLS 內部涂一層吸波材料會得到不同的結果。由于吸波材料附著在內部，BLS 成為一個損耗腔。諧振頻點被全部消除。這就是 BLS 和波材料組合解決方案的一個典型應用，萊爾德通常將其稱為多功能解決方案。

結 論

僅從結構來看，BLS 只是一塊簡單的金屬殼體。但在電磁干擾屏蔽性能方面，仍然有許多因素可以決定實際的屏蔽效能。總而言之，BLS 的主要考慮因素是孔徑/孔，而與材料的電導率和磁導率有關的因素并非主要因素，但在低頻屏蔽應用時應考慮這類因素。在較高頻率下，空腔諧振會大大削弱屏蔽效能。然而，目前已證明全波電磁干擾模擬在解決這些問題方面特別有用。結合使用吸波材料，可以有效抑制高頻電磁干擾輻射。

審核編輯 ：李倩