医疗设备电磁干扰屏蔽

简介

医疗设备需要在嘈杂的医院环境中，或在广泛的家庭或医生的办公室设置中完美地运行。这一问题已被医疗器械制造商、行业协会和美国联邦政府广泛认为是一个相当大的问题。对更小、更紧凑设备和更轻重量设备的需求，促使医疗设备制造商越来越多地关注注射成型塑料，以满足设计要求。塑料元件是不导电的，不能屏蔽电子设备发出的电磁干扰(EMI)或穿透电子设备，因此需要安装屏蔽系统以满足法规要求并确保设备性能可靠。导电涂层基本上不消耗电子设备内部的体积，如果应用得当，可以帮助设计工程师可靠地满足成本预算。导电涂层于25年前首次应用于电子设备，现已在笔记本电脑、蜂窝手机、电信开关设备、医疗设备、军事电子设备、工业设备和许多其他使用注塑塑料外壳的电子设备中证明了可靠和经济有效的性能。

当设计在注塑塑料内的产品时，考虑到电磁干扰(EMI)屏蔽时需要考虑几个关键问题，包括

本文将讨论医疗设备工程师考虑带导电涂层的塑料以满足EMI屏蔽要求所面临的关键设计问题。

EMI屏蔽过程

全面化学电镀和电解电镀
在塑料上电镀的起点是化学镀，即一层铜或镍的初始层直接沉积在塑料零件上。化学镀是一种自动催化的化学镀过程，它沉积了纯净的、连续的金属层。该部件被浸入一系列的电镀槽中，包括化学蚀刻使表面粗糙，激活在铜沉积之前在部件上沉积催化剂。蚀刻和激活步骤只影响塑料的外皮。塑件的本体材料性能不受影响。化学镀可使塑料零件的所有表面厚度均匀，即使在凹处和孔处也不例外。

一旦化学铜层沉积在塑料部件上，就可以根据EMI屏蔽性能的要求沉积额外的铜厚度，或者可以用镍、锡或金完成，以提供功能性金属涂层，以满足机械、电气、环境和外观的所有要求。通常，化学镀用于沉积薄金属涂层，从0.00004”(1.0µm)到0.0005”(12.5µm)。如果需要较厚的涂层，电解镀(也称为电镀)可以在化学镀铜的部分上沉积较厚的铜、镍、锡、铬、银和金的涂层。与相同厚度的化学镀相比，电镀沉积速度更快，成本更低;然而，电镀是一种视线工艺，在零件上产生的厚度变化比化学电镀更大。电镀工艺可沉积0.0002 "(5.0µm)至0.002 "(50µm)或以上的金属厚度。此外，电镀被用来生产装饰镀塑件，可用的饰面包括镍、亮铬和铜。

选择可电镀的树脂是成功的电磁干扰屏蔽应用的最关键因素之一。下表列出了常见的注射成型热塑性树脂。它包括可电镀树脂和不可电镀树脂，以及一些树脂家族，包括可电镀和不可电镀等级。一些(但不是所有)不可镀树脂可以通过自定义地将镀添加剂混合到基树脂中而制成可镀树脂。定制混合生产可镀树脂的例子包括聚丙烯和聚苯酞酰胺。这两种树脂通常都不能电镀，但当自定义与电镀添加剂混合时，就可以电镀。

树脂	全身镀	选择性电镀
腹肌	是的	是的
PC / ABS	是的	是的
个人电脑	是的	是的
裴/聚醚酰亚胺	是的*	是的
偷看	是的*	是的
聚苯乙烯	是的	是的
氨基甲酸乙酯	是的	是的
PPS	有限的	没有
PPA	定制的树脂	定制的树脂
连结控制协定	是的*	没有
*电镀前至少需要20-30%的玻璃填充或介质爆破

SLA和3D打印零件由于操作温度低和与电镀工艺兼容，会给电镀带来挑战。塑料树脂需要至少170F (76C)的热偏转温度。到目前为止，只有少数几种3D打印等级被视为常规可电镀，ABS, ABSplus和Visijet M3X。

如上所述，电镀可以应用于整个部分，也可以选择性地应用于特定区域。

选择性自催化电镀催化剂
使用定制的涂料罩将催化剂喷涂到塑料部分的区域，以控制催化剂的位置。当催化部分浸入化学铜槽中，催化剂的化学组成将铜金属从镀液中吸出，并将铜均匀沉积在催化区域上。在化学镀铜后，还可进行化学镀镍，以防止铜的腐蚀和磨损。电镀催化剂的厚度约为0.001 " (0.025 mm)，而化学镀的厚度限制在0.0001 " (2.5 μ m)至0.00025 " (6.25 μ m)之间。塑料部件永远不会暴露在腐蚀性化学物质中;因此，通过该工艺保持了塑件的成型颜色和纹理。

导电涂料
导电涂料是由微米级的镍、铜、镀银铜或银混合到水或溶剂型涂料体系中的金属颗粒组成。类似于选择性电镀过程，掩蔽夹具用于控制导电涂料的位置，喷涂到零件的所需区域。完全固化的导电涂料厚度范围从0.0005”(0.0125 mm)到0.002”(0.05 mm)，取决于涂料类型和EMI屏蔽要求。油漆可以在手动油漆室中进行喷涂，在那里操作人员用油漆枪或油漆机器人进行喷涂。喷漆机器人比手动喷涂方法更有优势，特别是在成本非常关键的大批量应用中。在机器人中，喷涂模式可以被编程和冻结，在整个屏蔽表面涂上最佳数量的导电涂料。手动喷漆通常比机器人喷漆的设置成本更低，适合于较小体积的应用。

适于绘画的塑料树脂
腹肌	聚碳酸酯(PC)	聚丁烯对苯二酸酯(PBT)
PC / ABS	聚芳基酰胺	氧化诺基聚苯醚(PPO)
亚撒	Polyphthalamide (PPA)	超聚醚酰亚胺(PEI)
尼龙	聚苯乙烯(PS)	Xenoy (PC / PBT)
难以涂漆的树脂(可能需要底漆或不可涂漆)
聚氯乙烯	聚乙烯	液晶聚合物(LCP)
偷看	聚酰亚胺	聚丙烯(PP)
PPS	PES	聚酯

屏蔽要求和屏蔽效果

EMI屏蔽设计最好在产品设计周期的早期就做好。同时设计电子、塑料外壳和EMI屏蔽系统，而不是顺序设计，可以减少上市时间和生产成本。

基本的电磁干扰屏蔽原理，也被称为法拉第笼原理，是很好的理解;然而，将这一原理应用到电子设备设计中会给工程师带来挑战。最终，需要通过在实验室进行EMI测试的完全组装系统来确认对法规的遵从性以及在最终使用环境中的性能。一些电磁干扰屏蔽涂料的指导方针可以帮助工程师指定一种满足要求的涂料。电磁干扰可以分为两大类，磁性的和电的。电磁干扰一般被视为小于30mhz的频率，而电干扰则为30mhz及以上。为了屏蔽较长波长的磁干扰，更厚的涂层，包括磁性材料，如镍是首选。对于电干扰，由铜或银组成的导电薄涂层通常表现最好。在许多情况下，导电金属厚度可以薄至1微米，用于频率应用>30 MHz。

			衰减(dB)
涂层系统	厚度	(m-ohms /平方) 电阻率	30. 兆赫	One hundred. 兆赫	300 兆赫	1 GHz	5 GHz	10 GHz
全身铜/镍 电镀	40 - 100µ” (1.0 - -2.5µm)	5-50	90	108	104	120	113	87
选择铜/镍 电镀	80 - 100µ” (2.0 - -2.5µm)	25 - 100	77	73	71	71	60	63
镀银铜 油漆	0.001 -.0015” (0.025 -。375毫米)	25 - 100	65	63	59	70	81	63
镀银铜银漆	0.0008措施” (0.020 -。25毫米)	15-50	78	73	72	69	85	82
银 油漆	0.0005措施” (0.0125 -。025毫米)	15-50	70	71	70	62	70	70

部分设计注意事项

与树脂的选择一样，塑料零件的设计是成功应用的关键。有一些设计方法应该尽可能避免。

设计不	设计备选方案
五面盒或杯设计，会困住空气和/或拖出电镀化学品，影响电镀质量和成本	包括排水孔或防止空气或镀液滞留的设计部件。
可能困住镀液的狭窄缝隙	消除设计中的缝隙或包括排水孔。
小的盲孔会困住镀液，镀液随后会渗出并损坏镀液。	如果可能的话，使用通孔。如果需要盲孔，可以将盲孔堵塞，以防止镀液堵塞。

设计不	设计备选方案
由于要在视线范围内进行涂漆，所以很难对紧的凸面、裂缝和洞进行涂漆	消除需要涂层的缝隙和小孔

电磁干扰屏蔽涂层的环境因素
操作环境也是零件和电磁干扰屏蔽涂层设计中需要考虑的关键因素。电磁干扰涂层系统的选择将是电磁干扰屏蔽要求(频率范围和所需衰减)的函数。另一个必须考虑的因素是电磁干扰屏蔽将看到的环境。如果屏蔽需要暴露在操作或清洗设备时使用的强化学物质中，暴露在使用中的气体或烟雾中，和/或在盐雾可能穿透设备的室外环境中使用，则需要考虑电磁干扰屏蔽的潜在腐蚀。对于恶劣的操作环境，建议考虑电镀作为主要选择，并增加镀镍厚度，以保护底层的铜镀层。如果导电涂料是首选路线，与铜涂料相比，镍涂料可能是一种选择。镀银铜漆与铜漆相比具有更好的耐腐蚀性，尽管在许多苛刻的操作条件下仍不等同于镍漆。银漆是镀银铜漆的进一步改进，但由于填料是纯银，所以非常昂贵。

总结

电磁干扰屏蔽的设计最好在医疗器械设计周期的早期完成，在塑料树脂的选择和最终零件设计等关键问题确定之前。屏蔽系统可以定制为高成本效益，并提供关键的电磁干扰屏蔽性能在医疗设备和军事电子。