電子產品外殼電磁波屏蔽處理與散熱設計

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…

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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。

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。

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。

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。

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。

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。