EMI-Abschirmung verstehen: ihre Bedeutung im Design

Was ist EMI-Abschirmung? 

 

Bei der EMI-Abschirmung werden bestimmte Herstellungsverfahren und Materialien in elektronischen Geräten und Anlagen eingesetzt, um Signale vor externen elektromagnetischen Störungen zu schützen und zu verhindern, dass die erzeugten Signale Störungen bei benachbarten Komponenten verursachen.

 

Warum ist die EMI-Abschirmung wichtig?

 

Elektromagnetische Interferenzen (EMI) stellen eine Bedrohung für eine Vielzahl kritischer elektronischer Geräte, Systeme und Anwendungen dar, von medizinischen und militärischen Geräten bis hin zu Nahverkehrssystemen und industriellen Steuerungen. Diese Störungen, die sowohl auf natürliche Phänomene als auch auf vom Menschen verursachte Ursachen zurückzuführen sind, können zu vorübergehenden Fehlfunktionen, Datenverlust, Systemausfällen und in schweren Fällen sogar zum Tod führen.

 

Das Verständnis der Quellen elektromagnetischer Störungen und ihrer Auswirkungen ist für Ingenieure und Designer von entscheidender Bedeutung. Es ist wichtig zu erkennen, wie elektromagnetische Energie (EME) in der Betriebsumgebung Störungen verursachen kann. Die Aufgabe einer EMI-Abschirmung besteht darin, diese Störungen abzuschwächen, insbesondere im Hochfrequenzspektrum (HF-Spektrum), das von 3 kHz bis 300 GHz reicht. HF-Wellen sind für die Funktechnologie von grundlegender Bedeutung, können aber auch die drahtlose Kommunikation stören, indem sie Störsignale übertragen. Ohne entsprechende Überlegungen zur EMI-Abschirmung kann es sein, dass Designs nicht den notwendigen Schutz gegen diese elektromagnetischen Felder bieten, was die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Geräte beeinträchtigt.

 

Quellen von EMI

 

Eisenbahn- und Nahverkehrssysteme sind aufgrund mehrerer anwendungsspezifischer Quellen anfällig für elektromagnetische Störungen (EMI), darunter:

 

• Emissionen aus den Steuerungs- und Antriebssystemen von Zügen
• Schalten von Hochspannungskontakten
• Kontakt mit dritten Schienenschuhen
• Zugsignalisierungs- und Steuerungssysteme

 

Medizinische Geräte sind auch anfällig für elektromagnetische Störungen (EMI), mit potenziellen Quellen, die nur im Gesundheitswesen vorkommen, wie zum Beispiel:

 

• Elektrische und elektronische Geräte, die in chirurgischen Einheiten verwendet werden
• Lebenserhaltende Maschinen, einschließlich Beatmungsgeräte und Infusionspumpen
• Ausrüstung zur Patientenüberwachung und -unterstützung
• Diagnostische und therapeutische Röntgengeräte

 

Militäranlagen und kritische Infrastrukturen sind Bedrohungen durch elektromagnetische Interferenz (EMI) ausgesetzt, zu denen unter anderem absichtliche EMI (IEMI), oft auch als „elektronische Kriegsführung“ bezeichnet, und andere spezifische Bedrohungen gehören, wie zum Beispiel:<p >

 

• Kernelektromagnetischer Impuls in großer Höhe (HNEMP)
• Hochleistungs-Mikrowellenwaffen
• Elektromagnetische Bomben (E-Bomben)
• Elektromagnetische Impulskanonen (EMP)

 

Während einige Bedrohungen durch elektromagnetische Interferenzen (EMI), wie beispielsweise nukleare elektromagnetische Impulse in großen Höhen oder elektromagnetische Bomben, extrem erscheinen mögen, ist es für Ingenieure von entscheidender Bedeutung, alle potenziellen EMI-Risiken zu bewerten. Diese umfassende Bewertung stellt die Integration geeigneter Schutzmaßnahmen in ihre Dichtungskonstruktionen sicher, um sie vor einem breiten Spektrum von EMI-Bedrohungen zu schützen.

 

EMI-Abschirmdichtungen

 

EMI-Abschirmdichtungen schützen die Elektronik vor elektromagnetischen Störungen. Sie werden traditionell aus Metallblechen wie Aluminium, Kupfer und Stahl gefertigt und so geformt, dass sie in elektronische Gehäuse passen. Diese Metalle sind zwar wirksam, können sich jedoch unter dem Dichtungsdruck verformen und möglicherweise die Abschirmung beeinträchtigen.

 

Zu den aktuellen Fortschritten bei der EMI-Abschirmung gehören flexible Metallschirme, Drähte, Schäume und metallische Tintenbeschichtungen für die Innenseite von Elektronikgehäusen. Unter diesen sticht partikelgefülltes Silikon hervor, das die elektrischen Vorteile von Metall mit der Flexibilität von Silikonkautschuk verbindet. Diese Kombination ist besonders wertvoll für Planer, die mit vielfältigen Dichtungs- und Isolieraufgaben konfrontiert sind.

 

Zum Beispiel verwenden robuste Touchscreens häufig silikonbasierte EMI-Dichtungen, die mit Metallpartikeln gefüllt sind. Diese Dichtungen reduzieren nicht nur EMI-Emissionen und sorgen für Leitfähigkeit, sondern dichten auch gegen extreme Umwelteinflüsse ab, ohne die Funktionalität des Touchscreens oder die Haltbarkeit gegenüber mechanischen Stößen zu beeinträchtigen. Kosten und Einfachheit der Herstellung sind entscheidende Überlegungen für Dichtungsdesigner in verschiedenen Branchen.

 

Leitfähige Silikone

 

Partikelgefüllte Silikondichtungen sind eine Lösung für anspruchsvolle Anwendungen, aber es ist wichtig zu bewerten, ob diese leitfähigen Elastomere alle Anforderungen Ihres Projekts erfüllen. Angesichts der Kompromisse, die mit der Einarbeitung einer großen Menge an Metallpartikeln einhergehen können, stellen sich Fragen zu ihrer Kosteneffizienz und Herstellbarkeit. Dazu gehören potenzielle Härte oder Sprödigkeit, Einschränkungen bei der Teilegröße aufgrund der Formabmessungen und Bedenken hinsichtlich der Materialstärke für schlanke Elektronikdesigns. Historisch gesehen lagen die Kosten für partikelgefüllte Silikone, insbesondere solche mit Silber-Aluminium als Füllstoff, ebenfalls bei einem abschreckend, insbesondere wenn der Silberpreis in die Höhe schoss.

 

Trotz früherer Skepsis hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit haben Fortschritte partikelgefüllte Silikone attraktiver gemacht. In der MIL-DTL-83528-Spezifikation des Militärs wurde die Bedeutung von Silber-Aluminium für die EMI-Abschirmung hervorgehoben, doch die steigenden Kosten für Silber veranlassten die Suche nach Alternativen. Jetzt haben Designer Zugang zu kostengünstigeren Optionen wie Silber-Kupfer-, Silber-Glas- und insbesondere Nickel-Graphit-Silikonen. Diese kostengünstigen Nickel-Graphit-Optionen, die den Abschirmungsanforderungen von MIL-DTL-83528 entsprechen, bieten eine praktikable Lösung zum Erreichen eines starken EMI-Schutzes ohne den höheren Preis von Elastomeren auf Silberbasis.

 

EMI-Materialien

 

Jüngste Fortschritte bei der Silikonmischung haben dazu geführt, dass partikelgefüllte Elastomere in der Lage sind, strenge Anforderungen an die EMI-Abschirmung zu erfüllen und gleichzeitig andere Projektkriterien zu erfüllen. Nickel-Graphit-Silikone beispielsweise werden mittlerweile in verschiedenen Weichheitsgraden angeboten – 30, 40 und 45 Durometer (Shore A), wodurch sie sich für Gehäusedichtungen eignen. Für Umgebungen, in denen Beständigkeit gegen Kraftstoffe und Chemikalien erforderlich ist, bieten Elastomere auf Fluorsilikonbasis mit höherer Härte, erhältlich in den Härtegraden 50, 60 und 80, eine robuste Lösung.

 

Diese modernen Materialien enthalten ausreichend Metallfüller, um eine wirksame EMI-Abschirmung und elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten und so zuverlässige und wirtschaftliche Herstellungsprozesse zu unterstützen. Mit Partikeln gefüllte Silikone behalten beim Schneiden ihre Form bei, sorgen für eine korrekte Ausrichtung der Verbindungslöcher und erhöhen die Reißfestigkeit, ein entscheidendes Merkmal für Dichtungen mit dünnen Wänden. Designer können sich für eine einfachere Installation für Versionen mit selbstklebender Rückseite entscheiden. Für Anwendungen, die Z-Achsen-Leitfähigkeit erfordern, funktionieren diese Silikone gut mit elektrisch leitenden Klebstoffen und erhöhen so die Abschirmwirkung.

 

Während verschiedene Härtegrade von Nickel-Graphit-Silikonen unterschiedliche Anforderungen erfüllen, erfordern bestimmte Anwendungen verstärkte Materialien für zusätzliche Festigkeit. Zu den Optionen gehören Elastomere mit einer Härte von 65, die mit einem vernickelten Netz verstärkt sind, und Versionen mit niedrigerer Härte, gepaart mit leitfähigen Gewebeschichten. Diese Verstärkungen verbessern die Leitfähigkeit und die Robustheit des Materials und verhindern Sprödigkeit und Rissbildung bei der Herstellung von EMI-Dichtungen.