RF屏蔽材料
中心议题：
- RF屏蔽选择过程中需要考虑的十个重要的因素
- RF屏蔽关键因素的讨论
- 必须将RF频率、距离和谐波考虑在内
- 导电橡胶（ECE）是唯一的能够兼顾RF屏蔽和环境密封的产品
- 压缩范围和相关的压缩装置也是必须考虑的因素
各种新的电磁干扰（EMI）屏蔽产品性能的稳步提升使得各生产厂家具备了生产下一代电子设备所需的工具。例如，当前可用的最新EMI屏蔽产品就有助于生产厂家降低成本、减少损耗、促进空气流通、在更狭小的空间中进行设备安装。若干年来，常用的屏蔽产品经历了多次显著的改进。和先进的EMI屏蔽产品设计一样，新材料的发展、使用及其特性的提高对电子领域所取得的一些重大进步也起到了很大的帮助作用。
本文将针对明智选择屏蔽材料所需要的一些信息进行讨论，它们将会使得整个选择过程更加清楚、更加简单。考虑到某种衬垫一旦被确定采用，就很容易通过其生产厂家来获取该衬垫的详细信息，因此针对那些具体衬垫的详细介绍就不在本文的介绍范围之内了。相反，本文会将重点集中在一些关键步骤和考虑因素上，它们将有助于设计工程师对屏蔽材料进行初步的选择。注意，这些考虑因素并没有任何明确的先后次序。在某些情况下，和其他的一些并不重要的因素相比，最重要的那一项甚至还可能会出现在次序列表中很末尾的地方。
RF屏蔽选择过程中需要考虑的十个重要的因素
工作频率：这是一个非常关键的因素，设计者必须将RF频率、距离和谐波考虑在内。
衰减特性：该因素会受到屏蔽体的安装和固定、周边材料的电导率、屏蔽衬垫的物理配合的影响。
材料的兼容性/腐蚀：衬垫所在的导电表面的金属材料与所选择屏蔽衬垫的材料之间良好的兼容性是非常重要的。
环境密封：导电橡胶（ECE）是唯一的能够兼顾RF屏蔽和环境密封的产品。
受压载荷或受力：屏蔽衬垫在受压情况下会出现变形并导致性能的劣化。为此必需对尺寸、厚度、形状和材料做适当的选择。
紧固/固定方法：可用于屏蔽产品固定的方法有很多，其中就包括压敏胶（PSA）固定、夹形固定、槽缝固定、铆钉固定、焊接、熔接、模切轮廓、咬合以及其他。
核、生物或者化学危险：显然，这些都是在军事应用中需要考虑的重要因素。不仅如此，在制药或者食品行业设备中，在其他任何与剧烈冲刷、化学处理应用相关的情形下，也都需要考虑这些因素。
压缩：为了保证产品的有效性能和衬垫的寿命，压缩范围和相关的压缩装置也是必须考虑的因素。
体积/重量因素：在设计便携、手持或者宇航设备时，该因素会显得尤其重要。
再生性：厂家生产的产品必须满足环境方面的一些要求，例如：目前欧盟的RoHS以及其他的一些厂家必须遵循的规范。
关键因素的讨论
尽管下面的讨论并不适用于每一种情况，但是一旦适用就会非常重要。
腐蚀
尽管电蚀的重要性已经受到了相当的关注，但它还是一个至关重要的考虑因素，其重要价值也值得我们来进行反复强调。RF屏蔽衬垫的腐蚀是造成相关故障的一个主要原因。电子设备和系统之所以将腐蚀视为一个主要问题就是因为电化学反应过程中所产生的腐蚀产物，盐。这些盐可能作为绝缘体起作用，屏蔽效果会因此而劣化；另外，这些盐业也有可能作为半导体起作用，即通过信号的非线性混合会产生一些无用的RF信号，即所谓的“锈螺钉问题”。
影响腐蚀的三个主要因素分别是暴露表面的面积、材料的不同和电解液的存在（湿气就是最常见的电解液）。对模压或者成型的固体金属衬垫而言，其表面积是最小的；而且其表面没有孔洞，因此湿气会被密封在衬垫之外。另外，通常的金属也没有吸湿性。上述这些特性会削弱但不可能完全消除腐蚀。相对而言，金属丝网衬垫的表面积会更大，因此其抗腐蚀的能力也不如固体金属制成的指形簧片。另外，不论是哪一种衬垫，都很容易通过电镀其它金属来将电蚀的程度降到最低。
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目前，大家比较接受的电化学兼容性规范是MIL-STD-1250。简而言之，该标准不允许电耦对的电偶电位超过0.25伏。在环境可控的情况下，大多数商业应用允许电耦对的电偶电位升高到0.5到0.6伏。由银和铝构成的电偶对作为最差的电偶对之一，其电耦电位会高达0.85伏。在这种电偶对的具体应用中所产生的很高的接触电压会导致更多的金属参加电化学反应。为防止该问题的出现，需要在衬垫材料或（和）其对应的表面电镀一层与其兼容的材料。
滑动接触表面
屏蔽产品中的弹簧型固体金属平面产品既能够通过切向力、也可以通过直接压缩的方法来进行使用。在利用切向力的具体应用中，可以通过槽缝的设计使得固体金属衬垫所受到的压力和对应腔体的表面平行。刀边就是这种槽缝设计的一个实例。该应用最直接的优势就是受力与表面平行，因此无需若干均匀分布的紧固扣件来保持对衬垫的压力。在任何存在指形簧片结构的情况下，屏蔽体和衬垫表面之间有相对的滑动，因此总会有剪切力存在。另外，既然铍铜表面相对于氧化层和（或者）腐蚀层而言要坚硬的多，那么衬垫和对应的表面就会形成一个自清洁的接触。
在利用切向力的具体应用中是无法使用金属丝网和导电橡胶的，它们只能被用来进行直接压缩。当它们被压缩的时候，既不会产生切向力也不会出现滑动，因此它并不是自清洁的。在压力很大的接触点上，金属丝网和橡胶衬垫会形成一个气密的区域；此时，虽然可能有腐蚀会发展到接近该接触区域的地方，但气密性区域会阻止腐蚀直接出现在正对接触面下方的区域。另外，只要衬垫结合处不发生变化就能够保持很高的屏蔽效能。但是，如果衬垫对应的表面被移动，而此时的衬垫通常不会按照其对应的表面来重新排列其无腐蚀接触点，因此其屏蔽效能会出现下降。
导电织物包裹泡沫（FOF）所形成的衬垫在应用中也可以利用切向力。试验表明：只要在其设计范围内使用，FOF衬垫虽然经过数万次擦拭，但其性能几乎和新的完全一样。另外，尽管FOF衬垫没有固体金属衬垫坚硬，其产生的压力也不如固体金属衬垫大，但它在擦拭应用中也是自清洁的，这一点和固体金属衬垫相似。
利用切向力和直接压缩的对比
当衬垫通过直接压缩装置被安装在一个平盖形状的面板下方时，为保证箱体屏蔽的有效性，必须每隔适当的距离就使用螺丝或者夹具来进行压缩固定。固定器件之间间隔距离的大小取决于盖板材料的硬度和衬垫材料压缩时的受力。如果衬垫材料所承受的压力对其电导率会产生很大的影响，例如填充碳或者金属的人造橡胶，那么螺丝要么必须用转矩扳手来进行安装，要么其对应表面必须安装机械的前挡块，这样就可以使压缩量一致，从而降低屏蔽有效性的变化。实际上，除了那些可以被完全压缩的衬垫以外，例如固体编织材料，使用机械前挡块应该是一个非常标准的做法。
作为一种可供选择的替代方案，诸如铍铜（BeCu）、不锈钢材质的指形簧片衬垫或者FOF衬垫都能够在“凸缘-平面板”或者“凹槽-平面板”的结构中（例如：刀边结构）利用切向力来进行固定和安装，而且这样还可以彻底避免使用紧固器件来保证箱体屏蔽的有效性。在PCB或者设备面板的设计上，在小柜子的面板或者门的设计上，在大尺寸物体的面板、门和窗的设计上都可以使用这种结构。
在直流、低频的接地或者搭接应用中，通过槽缝的路径的导电性能是一个非常重要的参数。相应的，在频率更高的RF情况下，衬垫的电感变成了最重要的一个参数。其中，自感和材料的几何形状有关，其具体关系如下所示：
矩形导体的厚度每增加10倍，其电感就会减小约10%。
矩形导体的宽度每增加10倍，其电感就会减小约30%。
矩形导体的长度每减小为原来的十分之一，其电感就会减小约93%。
显然，宽度-长度之比最大的导体所呈现的电感也是最小的。
在可以被制成弹簧结构的各种材料中，铍铜的电导率是最高的；其电导率和排在第二位的磷青铜相比还高出150%。铍铜材质导线的电导率（该参数在低频应用中是非常重要的）和导线横截面面积成正比。固体指型衬垫的横截面面积更大，因此其电导率也会更高。另外，在具体使用中（宽度要远远大于长度），指型衬垫具有和接地面相似的特性，即和导线本身相比具有更大的接触面积。接地面电感的大小和导线相比会减小3到4个数量级。
衬垫的电导率和电感取决于材料的种类和形状，而其大小则直接决定了衬垫性能的好坏。衬垫性能从最好到最差的排序如下所述。对低频（从50kHz到10MHz）情况而言，其排序为铍铜材质的指型簧片衬垫、铍铜金属丝网衬垫、蒙乃尔/锌铜铁金属丝网衬垫、填充银的人工橡胶。在高频情况下（超过100MHz），其排序为铍铜材质的指型簧片衬垫、填充银的人工橡胶、铍铜金属丝网衬垫、蒙乃尔/锌铜铁金属丝网衬垫。
衬垫的破损
RF衬垫和其它所有的电子元器件一样都有可能被破坏，破损将限制其正常使用的寿命。既然RF衬垫材料通常被用于可以移动的表面之间，而且在该环境下的衬垫会直接受到力的作用，那么设计者就应该考虑到一些固有的材料保护措施。
固体金属铍铜制成的RF指型衬垫非常粗糙，其屈服点（损坏）强度约为190，000磅每平方英寸，即1310兆帕（MegaPascals）。但通常的指型衬垫的横截面积大约在0.001平方英寸（0.65mm2）到0.002平方英寸（1.29mm2）之间，因此其抗拉强度会下降到大约190磅到380磅之间（86公斤到173公斤之间）。另外，该衬垫的弯曲寿命会超过50，000次。因此，该材料任何过早的损坏都应该是设计安装不当所造成的。在使用过程中，固体金属铍铜衬垫不会被拉长也不会被撕扯，该特性可以有效避免衬垫被错误安装，否则就有可能造成破损。即使该衬垫材料出现了破损的情况，和铍铜以及蒙乃尔/锌铜铁的金属丝网相比，其破损块会更大。另外，导电橡胶破损而形成的碎片和破损块也不会分裂。
对铍铜材质的金属丝网衬垫而言，其损坏强度和弯曲寿命与固体金属衬垫相同，但导线束的横截面面积仅仅在0.00001平方英寸（0.0065mm2）到0.00002平方英寸（0.0129mm2）的数量级上，每一束导线的抗拉强度也会因此下降到1磅到2磅（0.45公斤到0.91公斤）的水平。尽管损坏强度的降低会导致更多的线束被损坏，但该情况在一定程度上也可以通过限制金属丝网衬垫所承受压力的方式来进行缓解。蒙乃尔/锌铜铁材料在破损问题上也会面临相似的问题；不仅如此，它还有其它的一些不足，具体包括：衬垫所承受的压力会更大、压缩装置会更复杂、屏蔽效能也更低。尽管如此，但用蒙乃尔/锌铜铁材料制成的衬垫的价格会更低；如果其性能可以被接受，则低价格的特点会抵消其很多负面特性。
尽管人工弹性橡胶衬垫不存在破损的问题，但拉伸力和压力的作用会导致衬垫表面导电颗粒的消失。经过长时间的老化以后，导电颗粒会被剥离粘合材料，从而导致更大数量的导电颗粒的消失。在任何给定的应用中，衬垫材料选择和安装位置等因素可能导致的所有损坏都值得我们仔细思考。另外，破损的指型簧片、细小的导线束、导体片和导电微粒会在自然和（或者）强制的空气冷却系统的作用下分布到整个电子设备中。
在RF屏蔽产业过去的25年里，作者从未遇到过设计制造合理的RF衬垫失效的现象；而故障则总是源于错误的使用、不合理的连接设计（即将衬垫放置在不该放置的地方）或者其它的一些不合理的RF衬垫使用选择。随着目前产品设计周期和面市时间的缩短，明智的决策势必会成为包括RF衬垫选择在内的整个设计周期的基石。另外还要注意，RF衬垫生产厂家所提供的现场应用工程师经受过专门的培训，他们可以为所有的重要设计决策提供非常有价值的建议。
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