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1、第七章 搭接技术及其应用2011-04-06 搭接形成了两导电体之间具有导电性的固定结合，实现了屏蔽、接地、滤波等抑制电磁干扰的技术措施和设计目的，是EMC的重要技术之一。 搭接（Bonding）是指两个金属物体之间通过机械、化学或物理方法实现结构连接，以建立一条稳定的低阻抗电气通路的工艺过程。搭接的目的在于为电流的流动提供一个均匀的结构面和低阻抗通路，以避免在相互连接的金属件间形成电位差。 (因为这种电位差对所有频率都可能引起电磁干扰)搭接技术在电子、电气设备和系统中有广泛的应用。n一个设备的机箱另一个设备的机箱n设备机箱接地平面n信号回路地回路n电源回路地回路n屏蔽层 地回路n接地平面连接
2、大地的地网或地桩之间，都要进行搭接。搭接阻抗一般很小 ，EMC考虑 直流电阻也是决定搭接有效性的指标 良好的搭接是减小电磁干扰，实现电磁兼容性所必须的。良好搭接的作用在于：减少设备间电位差引起的骚扰；减少接地电阻,从而降低接地公共阻抗骚扰和各种地回路骚扰;实现屏蔽、滤波、接地等技术的设计目的；防止雷电放电的危害，保护设备等的安全；防止设备运行期间的静电电荷积累，避免静电放电骚扰。 此外，良好搭接可以保护人身安全，避免电源与设备外壳偶然短路时所形成的电击伤害等。 因此，搭接技术是抑制电磁干扰的重要措施之一。 为了说明良好搭接(Good Bonding)的重要性，下面举一个由不良搭接(Poor B
3、onding)导致滤波电路失效的例子。图7-1中，干扰源(Interference Source)与敏感设备Susceptible Equipment)之间接一型滤波器(-section Filter)。该滤波器是一个低通滤波器，其作用是滤除设备电源线中的高频骚扰分量。在高频情况下，旁路电容器的电抗呈低阻抗，出现在电源线上的干扰信号沿着通路被旁路至地。因此，干扰信号不会到达敏感设备，达到了滤波目的。 不良搭接对抑制电磁干扰的影响：1.电缆连接器与设备壳体的搭接能使电缆屏蔽获得最佳效果。 2.电流通路上存在没有牢固连接的搭接点，或者由于振动使搭接点松动，这样的搭接点会起到间歇式触点的作用。 即使
4、直流电流或工频交流电流通过这样的搭接点，在此搭接点所产生的放电火花也可能形成频率高达几百 MHz的骚扰信号。 3. 信号电路接地系统中，各个构件搭接不良会使接地措施形同虚设。不良搭接使搭接阻抗增加，会在搭接处形成干扰电压降，破坏理想接地等电位的要求。4.防雷电保护网络中5.工频交流供电线路中，如果存在松动的搭接点，就会在某些用电负载上产生很高的电压降，足以损坏用电设备。7 7防雷电保护网络中，雷击放电电流通过不良搭接点时，会在搭接处产生几千伏的电压降，由此产生的电弧放电可能造成火灾或者引起其它危害。 工频交流供电线路中，如果存在松动的搭接点，就会在某些用电负载上产生很高的电压降，足以损坏用电设
5、备。同时大电流通过搭接点时，使搭接点处发热致使绝缘破坏，轻则造成线路故障，重则引起火灾。 8 8搭接方法(Bonding Methods)可分为永久性搭接和半永久性搭接两种。永久性搭接是利用铆接(Rivet)、熔焊(Welding)、钎焊(Soldering)、压接等工艺方法，使两种金属物体保持固定连接。永久性搭接在装置的全寿命期内，应保持固定的安装位置，不要求拆卸检查、维修或者做系统更改。永久性搭接永久性搭接在预定的寿命期内应具有稳定的低阻抗电气性能。半永久性搭接半永久性搭接是利用螺栓、螺钉、夹具等辅助器件使两种金属物体保持连接的方法，它有利于装置的更改、维修和替换部件，有利于测量工作，可以
6、降低系统造成成本。 9 9搭接类型分为两种基本类型：直接搭接(Direct)和间接搭接(Indirect)。直接搭接直接搭接是两裸金属或导电性很好的金属特定部位的表面直接接触，牢固地建立一条导电良好的电气通路。直接搭接的连接电阻的大小取决于搭接金属接触面积、接触压力、接触表面的杂质和接触表面硬度等因素。实际工程中，有许多情况要求两种互连的金属导体在空间位置上分离或者保持相对的运动，显然这一要求妨碍了直接搭接方式的实现。此时，就需要采用搭接带(搭接条，Bond Strap)或者其它辅助导体将两个金属物体连接起来，这种连接方式称为间接搭接间接搭接。10 10间接搭接的连接电阻等于搭接条两端的连接连
7、接电阻之和与搭接条搭接条电阻相加搭接条在高频时呈现很大的阻抗。所有高频时多采用直接搭接；设备需要移动需要移动或者抗机械冲击抗机械冲击时，需要用间接搭接。熔接、焊接、锻造、铆接、栓接等方法都可以实现两金属间的裸面接触。搭接前搭接前需要对搭接体表面进行净化处理，有时还在搭接体表面镀银或金来覆盖一层良导电层。 搭接方法的分类：永久性、半永久性搭接搭接类型：直接、间接搭接的有效性搭接表面的清理和防腐涂覆搭接的加工方法搭接的设计搭接质量的测试12 12 在直流情况下，我们只关心搭接的直流电阻。然而，随着频率的增大，集肤效应使这一电阻变大。同时，搭接处呈现的自感，搭接面之间存在的电容都会对搭接的有效性产生
8、影响。因此，射频段搭接的有效性(Bonding Effec-tiveness)不完全取决于其直流电阻。当搭接长度l远小于波长，即lc)为(7-4)2020式中：b为搭接条的宽度(cm)；c为搭接条的厚度(cm)；l为搭接条的长度(cm)。 对于接头长度接近/4的搭接条，接头起传输线的作用，驻波(Standing Waves)存在于接头上。为了接头的阻抗最小化，通常采用减小设备外壳到地的间距，或者减小搭接条的长度与宽度的比，以尽可能使搭接条的电容与电感比值高。搭接条的长度最好不要超过其长度的5倍。 在大多数情况下，搭接电感不要超过0.025H。 21 217.3.1 搭接的电化学腐蚀原理搭接的电
9、化学腐蚀原理 当两种不同的金属互相接触时，会出现一种质变，即腐蚀腐蚀(Corrosion)。所谓腐蚀是指在电化学序列(Electrochemical Series)中，属于不同组的两种金属(见表7-1)在溶液(起电解液作用)存在情况下相互接触，形成了一个化学电池，使金属逐渐产生原电池腐蚀和电解腐蚀。能起电解液作用的液体电解液作用的液体有盐水、盐雾、雨水(雨水能够携带许多杂质使金属表面上各种杂质湿润)、汽油等。 7.3 搭接的实施搭接的实施2222表表7- -1 常见金属的电化学序列常见金属的电化学序列(以对腐蚀的灵敏度递减排序)2323腐蚀的程度腐蚀的程度取决于两种不同金属在电化学序列中的组别
10、和接触时所处的环境。适当地改变这两个因素，可使搭接的腐蚀减小。在电化学序列中同一组的两种金属接触时，不会发生明显的腐蚀现象。如果是不同组的两种金属接触，则在表7-1中，前面组别中的金属将构成一个阳极，而且受到较强的腐蚀；后面组别中的金属将构成一个阴极，相对而言它不受腐蚀。组别相差越远的两种金属接触时，腐蚀越严重。组别相差越远的两种金属接触时，腐蚀越严重。因此，两个相接触的金属材料，应尽量选择表7-1中同一组别的金属或者相邻组别中的金属。2424如果需要将第二组金属(例如铝)机壳与第四组金属(例如不锈钢)框架搭接时，为了减小对金属铝的腐蚀，可在两金属表面间放入一个第三组金属(例如镀锡)垫圈。这样
11、即使保护层损坏，受腐蚀的将是垫圈，而不是铝壳，因而可以保护机壳。此外，当两种不同金属搭接时，阴极和阳极的相对面积选择相对面积选择也很重要，阴极越大意味着电子流量越大，因此，阳极处的腐蚀作用越严重。减小阴极接触面积，可以使电子流量减少，从而减轻腐蚀。25257.3.2 搭接表面的清理和防腐涂覆搭接表面的清理和防腐涂覆 为了获得有效而可靠的搭接，搭接表面必须进行精心处理，其内容包括搭接前的表面清理和搭接后的表面防腐处理。 搭接前的表面处理主要是清除固体杂质，如灰尘、碎屑、纤维、污物等；其次是有机化合物，如油脂、润滑剂、油漆和其它油污等，还要清除表面保护层(Finish)和电镀层，如铝板表面的氧化铝
12、层以及金、银之类的金属镀层。 2626搭接完成后，为保护搭接体，在接缝表面往往要进行附加涂覆(例如涂油漆或者电镀)。应注意的是，若仅对阴极(Cathode)材料涂覆，会在涂覆不好的地方引起严重的腐蚀。因此，当不同金属接触时，特别应对阴极表面进行涂覆，或者在两种金属表面(阳极(Anode)表面和阴极表面)都加涂覆，如图7-4所示。图7-4 不同金属搭接处的涂覆27277.3.3 搭接的加工方法搭接的加工方法 两种金属材料搭接的加工方法很多，按接合作用原理可分为物理物理化学化学机械机械三类不同的原理。 2828物理加工方法主要有熔焊、钎焊和软焊。热熔接合是通过气体燃烧和电弧加热使两种金属熔化流动形
13、成连续的金属桥加工工艺，接合处的电导率高，机械强度好，耐腐蚀，但加工成本高。常用的熔接加工方法有气焊、电弧焊、氩弧焊、放热焊等。钎焊是一种金属流动工艺，它把连接的金属表面加热到低于熔点的温度，而后施加填充的金属焊料和适当的焊剂，通过焊料使连接金属表面的紧密接触实现结合。钎焊分为硬钎焊和软钎焊。软钎焊是一种更简单的连接工艺。钎焊使用的温度相当低，因此在那些可能出现大电流的场合不允许采用软钎焊的方法。 2929机械加工方法有螺栓连接、铆接、压接、卡箍紧固、销键紧固、拧绞连接等方法。 化学加工方法主要采用导电粘合剂。它是一种具有两种成分的银粉填充的热固性环氧树脂，经固化后成为一种导电材料。通常它用于
14、搭接金属的表面，既使之粘合，又形成导电良好的低电阻通路。它不仅具有很好的防腐能力，还具有很强的机械强度。有时它和螺栓结合使用，效果更佳。30307.4 搭接的设计搭接的设计搭接技术是抑制电磁干扰的重要措施之一，因此，必须把搭接设计纳入系统设计中。搭接设计首先应结合设备和系统的整体布局，综合电磁兼容性设计的要求和指标，考虑屏蔽、接地、滤波的需要，合理设计搭接点的布局和配置；其次，应满足搭接的有效性和可靠性要求。 31 31搭接质量的有效性和可靠性主要取决于搭接点的连接电阻。影响搭接点连接电阻的主要因素有搭接结构、金属表面的处理情况、搭接加工方法、环境条件和通过接头的电流频率和幅值等。 为了说明搭
15、接设计的具体结构，表7-2列举了20种典型搭接结构，供参考。 3232表表7- -2 典型搭接结构举例典型搭接结构举例3333续表7-23434续表7-23535续表7-23636续表7-23737续表7-23838续表7-23939续表7-24040目前用得最多的是采用四端法直接测量搭接点的直流或者低频搭接电阻。由图7-5可知，恒流源在被测搭接点(线、面)上形成电压降，然后用高灵敏度的数字电压表测出其电压降值再根据恒流源指示的电流值，推算搭接电阻。现在已经有商品型微欧计可供使用，但是其恒流源输出电流较小，限制了它对大面积搭接接头的测量。7.5 搭接质量的测试搭接质量的测试41 41 图7-5
16、 搭接电阻的测量方法另外，利用专门的高频搭接阻抗测量探头、网络分析仪或者带有跟踪信号源的频谱仪，还可以测量出搭接条的高频阻抗特性。作业：1.搭接的定义及其良好搭接作用？2.搭接的电化学腐蚀原理搭接的电化学腐蚀原理当两种不同的金属互相接触时，会出现一种质变，即腐蚀。 所谓腐蚀是指在电化学序列中，属于不同组的两种金属在溶液存在情况下相互接触，形成了一个化学电池，使金属逐渐产生电池腐蚀电池腐蚀电池腐蚀电池腐蚀和电解腐蚀电解腐蚀电解腐蚀电解腐蚀。腐蚀程度取决于两种不同金属在电化学序列中的组别和接触时所处的环境。适当地改变这两个因素，可使搭接的腐蚀减小。（组别相差越远，腐蚀越严重。）如第二、第四组的金属搭接，为了减少对第四组金属的腐蚀，可在两金属表面间放入一个第三组金属。
