Störschutz für Konsumelektronik-Geräte Der diskrete Charme der Abschirmdichtung

Für den Störschutz in elektronischen Geräten existieren zahlreiche Optionen. Leider gibt es keine einzelne Dichtung, die allen Anforderungen genügt. Ein Designingenieur sollte deshalb die Unterschiede zwischen den verschiedenen Varianten kennen. Der Beitrag gibt einen Überblick zu aktuellen Entwicklungen.

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Störschutz war früher vor allem im Bereich Industrieelektronik ein Thema. Durch zunehmend komplexer werdende Consumerelektronik-Geräte müssen Entwickler in diesem Sektor der Abschirmung heute ebenfalls große Aufmerksamkeit widmen.

Netzbetriebene Haushaltsgeräte wie Fernseher, DVD-Player und Spielekonsolen beinhalten analoge und digitale Schaltkreise auf engem Raum. Damit erhöht sich das Risiko einer Fehlfunktion durch Störstahlung. Die Auswahl des geeigneten Abschirmmaterials erfordert Kenntnisse auf den Gebieten der Elektronik und Konstruktion. Der Artikel gibt einen Überblick zu den aktuellen Materialien und deren Möglichkeiten.

Vielfalt an Abschirmwerkstoffen

Die Fortschritte beim Einbinden elektrisch leitfähiger Partikel in Polymere führten zu zahlreichen Abschirmwerkstoffen. Entwickler müssen daher nicht allzu viele Design-Kompromisse eingehen und können sich darauf verlassen, dass ein Material zur Verfügung steht, das genau die gewünschte Funktion erfüllt. Die Auswahl kann allerdings verwirrend sein.

Die meisten Consumergeräte weisen mehrere Bereiche auf, die eine Abschirmung erfordern. Bei der Wahl des geeigneten Abschirmerkstoffs sollte man folgende Faktoren berücksichtigen:

• den Grad der Abschirmung,
• mechanische Punkte wie Schließkraft und Toleranzen,
• physikalische Aspekte (z.B. das Auftreten hoher Scher- oder Druckkräfte),
• umgebungsbedingte Faktoren wie Nässe und Feuchtigkeit sowie eventuell Hitzebeständigkeit,
• einfache Fertigung und Montage.

Nachfolgend werden die wichtigsten Gruppen von Schirmmaterialien vorgestellt.

Geformte und stranggepresste Elastomere

Eine Dichtung gegen Umgebungseinflüsse mit Abschirmeigenschaften lässt sich durch Kombination eines Polymers mit einem leitfähigen Füllstoff wie Nickel oder Graphit realisieren. Die gleichmäßige Verteilung des Füllmaterials innerhalb des Elastomers gewährleistet eine einheitliche physikalische und elektrische Funktion.

Dieser Mischwerkstoff lässt sich in fast jeder beliebigen Form verarbeiten. Zu den Verarbeitungsprozessen zählen Formpressen, Strangpressen und Stanzen (Bild 1). Das Vergießen des Materials auf Kunststoff- oder Metallbauteile ist ebenfalls möglich. Damit ergibt sich ein abgeschirmtes Gehäuse aus einem Guss, mit dem sich die Montage vereinfacht und der Lagerbestand reduziert.

Das Elastomer Silikon wird hierbei sehr häufig verwendet, da es sich leicht komprimieren lässt und diese Eigenschaft über einen großen Temperaturbereich beibehält. Die Schirmwirkung liegt im Bereich von 80 dB bei 100 MHz bis 10 GHz. Leitfähige Elastomere mit Hohlräumen benötigen noch weniger Schließkraft und sind elastischer. Damit eignen sie sich z.B. für Türdichtungen, wo es schwierig ist, hohe Schließkräfte zu erzielen und wo erhebliche Toleranzen vorherrschen.

Aufgeschäumte Dichtungen

Als neuere Entwicklung stehen ummantelte Schaumdichtungen zur Verfügung. Sie eignen sich für eine wirtschaftliche Abschirmung in Massenapplikationen. Ihr Einsatz erfolgt in Tür-, Blenden- und Rückwand-Dichtungen-/Abschirmungen. Sie bestehen aus Nickel beschichtetem Nylon, das um einen weichen Urethan-Schaumkern gewickelt und mit diesem verklebt ist. Die Schirmwirkung beträgt etwa 95 dB bei 20 MHz bis 10 GHz. Die erforderliche Schließkraft beträgt weniger als 0,175 N/mm.

Dichtungen mit Schaumkern bieten nicht die Designflexibilität wie formgepresste Elastomerteile. Sie sind aber in vielen gängigen Formen erhältlich, z.B. rechteckig, in P-, C- und D-Form sowie als gestanzte Teile. Ein einseitig aufgebrachter, schwach-druckempfindlicher Kleber vereinfacht die Montage, erhöht die Genauigkeit und ermöglicht das mehrmalige Aufbringen des Materials während der Montage.

Multiplanare, leitfähige Z-Achsen-Schaumdichtungen (Bild 2) sind die neueste Errungenschaft in der Weichschaum-Abschirmtechnik. Durch Einbinden elektrisch leitfähiger Fasern in Leichtschaum erhält man eine hocheffiziente und kostengünstige Abschirmung. Diese Materialien werden auf Rolle gefertigt und lassen sich entsprechend der Formen von I/O-Panels, Rückwänden, Steckverbindern und Bedienpanels konfektionieren. Sie werden gemeinsam mit rechteckigen/quadratischen Streifendichtungen eingesetzt, um hohe Z-Achsen-Leitfähigkeit mit äußerst kurzen Massepfaden zu gewährleisten.

Für Consumer-Elektronikgeräte in Innenräumen fällt die Wahl meist auf Fingerstock-Dichtungen oder gewebeummantelten Schaum. Fingerstock (Bild 3) war bis vor kurzem noch die Dichtung erster Wahl, vor allem in Highend-Elektronikgeräten. Das Material dichtet zuverlässig, hat sich in vielen Anwendungen bewährt und ist leicht verfügbar. In letzter Zeit wird Gewebe ummantelter Schaum zunehmend bevorzugt, da er einfach zu handhaben und weniger Defekt anfällig ist.

Metallische Dichtungen

Metallische Dichtungen sind schon seit längerem auf dem Markt und kommen immer noch im Bereich Baugruppenträger (Einbaugehäuse) zum Einsatz, wo einzelne Baugruppen regelmäßig ausgewechselt oder entfernt werden müssen.

Beryllium-Kupfer-Fingerstock-Dichtungen bieten eine hohe Abschirmung mit Federeinrastung und geringer Schließkraft. Eine hohe Zugfestigkeit und eine gute elektrische Leitfähigkeit ermöglichen eine Abschirmung über einen großen Frequenzbereich. Für Massekontakte mit geringem Anpressdruck können einzelne Finger mit druckempfindlichem Kleber (PSA) zur einfachen Peel-and-Stick-Platzierung verwendet werden.

Für statische Anwendungen, die eine hohe Abschirmung, aber keine Abdichtung gegen Umgebungseinflüsse erfordern, stehen andere metallische Dichtungen wie Platinengehäuse, Steckverbinder- und Panel-Abdichtungen und Metallnetze zur Verfügung.

Kombinierte Dichtungen

Andere EMI-Dichtungen bestehen aus nicht leitfähigem Schaum oder Elastomeren, die mit einem Metallnetz oder einer metallischen Dichtung kombiniert sind. Diese Mischdichtungen werden meist kundenspezifisch angefertigt. Verwendet werden ebenfalls Silikonfolien mit ausgerichteten Drähten und Metallnetze, die mit Neopren oder Silikon überzogen sind. Diese Lösungen bieten zwar eine hervorragende Abdichtung gegen Umgebungseinflüsse und elektromagnetische Interferenzen, sie erfordern allerdings sehr hohe Schließkräfte.

Leitfähige Kunststoffe

Spritzguss-Kunststoffe mit Abschirmung sind eine elegante, vielseitige und montagefreundliche Lösung. Sie lassen sich als Einhausung für Platinen verwenden und bieten zusätzliche Details wie innen liegende Kammern und integrierte Halterungen. Als wirtschaftliche Lösung für viele Massenapplikationen erübrigen leitfähige Kunststoffe eine zweite Bearbeitung, verringern das Gewicht und senken die Kosten im Vergleich zu Druckgussgehäusen, geformten Metallen, gefrästen Strangpressprofilen und galvanisierten Kunststoffteilen um bis zu 50%.

Die Kunststoff-Abschirmmaterialien PREMIER von Chomerics fallen in diese Kategorie. Sie bestehen aus einer Mischung aus Polycarbonat und ABS für stabile elektrische, mechanische und physikalische Leistungsmerkmale. In einem proprietären Verfahren wird das Basismaterial mit langen vernickelten Kohlenstoff-Fasern gefüllt. Die Methode garantiert eine dichte Verteilung, zufällige Orientierung und volle Funktion der Fasern für eine optimale Abschirmung.

Klebstoffe, Farbe und Beschichtungen

Klebstoffe, Farbe und EMI-Beschichtungen eignen sich nicht für die Massenfertigung, es sei denn, sie werden automatisch appliziert, um den Durchsatz zu erhöhen und die Reproduzierbarkeit zu verbessern. Leitfähige Kleber dienen zum Verbinden anderer leitfähiger Materialien wie Schlitze, Fenster und Gitterdichtungen oder zum Füllen von Rissen und Nahtstellen. Leitfähige Beschichtungen und Farben bieten Abschirmung, antistatischen Schutz, Korona-Abschirmung und Oberflächenerdung. Sie lassen sich auf Kunststoffoberflächen aufmalen oder für Massenapplikationen aufsprühen.

Leitfähige Öffnungen

Für Drahtnetze in abgeschirmten optischen Öffnungen wird meist rostfreier Stahl verwendet (Bild 4). Dies garantiert eine hohe Lichtdurchlässigkeit und gute Abschirmung. Auch Kupfer kann zum Einsatz kommen und bietet eine hohe Abschirmung bei geringeren Kosten als rostfreier Stahl. Generell gilt, je dichter und dicker die Drähte, desto besser die Schirmwirkung, aber desto schlechter die Transparenz.

Kunststoffe mit durchsichtiger, leitfähiger Beschichtung aus Indium-Zinnoxid (ITO) oder eine mehrlagige leitfähige Beschichtung kombinieren Lichtdurchlässigkeit, gleichmäßige elektrische Leitfähigkeit und hohe Stabilität gegen Umgebungseinflüsse. Hinzu kommt, dass bei einem Display Drähte störend wirken, was bei den genannten Stahl- und Kupfernetzen ein Problem ist. Die Abschirmung und Dauerhaftigkeit der Dämpfung sind allerdings nicht so gut wie bei einem Drahtnetz.

*David Inman ist Test Service Business Unit Manager bei Chomerics in Woburn/USA. Billy Sheedy arbeitet im Geschäftsbereich Elastomere bei Chomerics, Division der Parker Hannifin Corp., in Marlow, U.K.

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