Research has been carried out and regularities of influence of micro- and macro-roughness of surface of substrate layers on electromagnetic radiation shielding characteristics of coatings deposited on them have been determined. It has been shown that the bigger the value of the ratio of the product of the surface roughness Rz by the length of descent of an electromagnetic wave X (the Rayleigh parameter), the bigger influence the roughness has on surface reflection. In engineering evaluations aimed at designing electromagnetic radiation shields roughness can be disregarded, if the wavelength of electromagnetic radiation exceeds 1 • 10-2 m.Проведены исследования и выявлены закономерности влияния микро- и макронеровностей (шероховатости) поверхности подложек на экранирующие свойства формируемых на них покрытий. Показано, что чем больше величина отношения параметра шероховатости поверхности Rz к длине волны электромагнитного излучения 1 (параметр Релея), тем сильнее влияние неровностей на ее отражении от поверхности. В инженерных расчетах при создании экранов от электромагнитных излучений величина шероховатости может не приниматься во внимание, если длина волны электромагнитного излучения превышает 1 • 10-2 м

A. Volochko T.

E. Narushko O.

G. Markov V.

V. Zelenin A.

А. Волочко Т.

В. Зеленин А.

Г. Марков В.

Е. Нарушко О.

A. T. Volochko

V. A. Zelenin

G. V. Markov

E. O. Narushko

А. Т. Волочко

В. А. Зеленин

Г. В. Марков

Е. О. Нарушко

Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Physical-Technical Series / Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук

96ВЕСЦІ НАЦЫЯНАЛЬНАЙ АКАДЭМІІ НАВУК БЕЛАРУСІ № 3 2015СЕРЫЯ ФІЗІКА-ТЭХНІЧНЫХ НАВУКУДК 539.216:546.824-31А. Т. ВОЛОЧКО, В. А. ЗЕЛЕНИН, Г. В. МАРКОВ, Е. О. НАРУШКО ВЛИЯНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖЕК НА ЭКРАНИРУЮЩИЕ ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ СВОЙСТВА ФОРМИРУЕМЫХ НА НИХ ПОКРЫТИЙФизико-технический институт НАН Беларуси, Минск (Поступила в редакцию 26.03.2015)Введение. Все электронные объекты формируют вокруг себя электромагнитное поле, действие которого может повлиять на нормальное функционирование биологических объектов, работу радио-электронных устройств, конфиденциальность информации, хранящейся в компьютере, и в целом нарушить экологическую безопасность. Одним из часто применяемых способов исключения не-желательного воздействия электромагнитного излучения (ЭМИ) «наших помощников» является их экранирование. Наиболее эффективными средствами с точки зрения подавления ЭМИ являют-ся металлические экраны. В некоторых случаях, когда излучающий ЭМИ объект имеет малые размеры, сложную форму или критичную массу конструкции, применяют покрытия. В зависи-мости от функционального назначения экрана разрабатывают его архитектуру, выбирают мате-риалы, определенным образом готовят поверхности подложек для нанесения покрытий. Су- щественную роль играет и профиль поверхности (рельеф поверхности, образовавшийся после финишной или черновой механической обработки), на которую наносится покрытие. Для создания эффективных экранов, способных защищать биологические объекты и микро- электронное оборудование от воздействия электромагнитных полей и ЭМИ, необходимо сопоста-вить полученные экспериментальные зависимости влияния микро- и макронеровностей (шеро-ховатости) поверхности подложек на электрические и магнитные свойства формируемых на них покрытий с имеющимися теоретическими представлениями о рассеянии ЭМИ развитым рельефом поверхности.Результаты эксперимента и их обсуждение. Для создания экранов от ЭМИ в качестве под-ложек использовали пластины из поликарбоната размерами 100×100 мм и толщиной 4 мм с раз-личной микро- и макронеровностью поверхности, имитирующие материал корпуса источника излучения электромагнитных волн, например компьютера. Неровности на поверхности пластин из поликарбоната в интервале 0,05–12,5 мкм создава-лись с помощью наждачной бумаги различных номеров (Р 600, Р 800, Р 1000, Р 1200, Р 1500, Р 2000, Р 2500), а в диапазоне 0,1–1 мм – на токарном станке марки 16К20.Экранирующие ЭМИ многослойные покрытия состояли из периодически чередующихся ди-амагнитных (Сu) и ферромагнитных (Ni – Fe) слоев заданного состава с различной толщиной каждого отдельного слоя. Известно, что слои из материалов с высокими значениями относитель-ной магнитной проницаемости (пермаллой, электротехническая сталь, сепермаллой и др.) хоро-шо поглощают ЭМИ в диапазонах частот 0,1–10 кГц и > 1 МГц, замыкая линии магнитного поля через толщу ферромагнитной пленки [1]. При частотах от 0,1 до 1 МГц, где величина потерь ЭМИ за счет механизма отражения преобладает над величиной потерь за счет механизма погло-щения, эффективно использование высокоэлектропроводящих слоев (Cu, Ag) [1]. Следовательно, эффективность экранирования (Э) многослойного покрытия будет тем выше, чем больше значения электропроводности σ или относительной магнитной проницаемости μ его 97отдельных слоев. Поскольку данные параметры в тонких пленках можно изменять в широких пределах (μ ∼ в 1⋅106 раз, σ ∼ в 1 ⋅ 105 раз), то они и вносят основной вклад в эффективность экра-нирования покрытия [2]: Э = (0,5 ⋅ 2π f µ σ)0,5h + 20 lg(0,25ε0ε (σ/2π f µ)0,5), (1)где Э – эффективность экранирования ЭМИ, дБ; f – частота ЭМИ, Гц; μ – относительная магнит-ная проницаемость покрытия; σ – электропроводность покрытия, См/м; h – толщина слоя покры-тия, м; ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума; ε – диэлектрическая проницаемость мате-риала покрытия.В качестве ферромагнитного слоя экранирующего ЭМИ покрытия выбран пермаллой, в ка-честве диамагнитного слоя с высокой электропроводностью – медь. Толщины слоев определены из условий соответствия с толщиной скин-слоя [1, 2] и обеспечения высокой адгезии к подложке и к нижележащим слоям: 100 нм Cu + 400 нм Ni80Fe20.Экранирующее ЭМИ покрытие состава 100 нм Cu + 400 нм Ni80Fe20 наносили на поверх- ность полированных пластин, а также на поверхность пластин с различной шероховатостью электронно-лучевым методом на вакуумной установке ВУ-1А. Параметры процесса следующие: давление остаточных газов не более 7⋅10−3 Па, ток пучка электронов 80–120 мА, энергия электро-нов в пучке более 6 кэВ. Медь и пермаллой испаряли поочередно из графитовых тиглей без раз-герметизации камеры. В установке ВУ-1А, где происходило нанесение покрытий, вмонтирован спектрометр СФКТ-7518, позволяющий измерять толщину наносимых покрытий в диапазоне 40–1800 нм. Кроме того, толщину слоев наносимых металлов и сплавов контролировали по пропусканию света опреде-ленной длины волны. Для каждого металла она выбиралась из его известных оптических харак-теристик. Погрешность измерения толщины слоев не превышала 5 нм [3].Поверхностное сопротивление покрытий измеряли четырехзондовым методом. Для определе-ния экранирующих характеристик использовали панорамный измеритель ослабления КСВН Я2Р-67 с ГКЧ-61 и волноводным трактом, обеспечивающий выделение и детектирование уровней пада-ющей и отраженной волн ЭМИ, поглощенных образцом и отраженных от него. Для исследуемых образцов экспериментально получены значения коэффициента передачи, равного абсолютной ве-личине ослабления ЭМИ, и коэффициента стоячей волны по напряжению, переведенного в коэффи-циент отражения [4].Результаты измерений поверхностного электросопротивления ρ вышеуказанных покрытий, нанесенных на пластины из поликарбоната с различной шероховатостью Rz в разных диапазо-нах, представлены на рис. 1.Из рис. 1, а, б видно, что с увеличением высоты микронеровностей поверхности подложек растет и величина поверхностного электросопротивления покрытий. При Rz = 0,05–100 мкм дан-ная закономерность объясняется ростом высоты неровностей подложек, что способствует неодно-родности наносимых на них покрытий, так как на пластинах с развитым рельефом поверхности                                                           а                                                                                     б Рис. 1. Зависимость поверхностного электросопротивления покрытия состава 100 нм Cu + 400 нм Ni80Fe20 от шерохо-ватости поверхности пластин c высотой неровностей профиля Rz в диапазонах 0,05–100 мкм (а) и 100–1000 мкм (б)98толщина пленки меньше. При Rz = 100 – 1000 мкм поверхностное электросопротивление возрас-тает за счет увеличения проходимого силой тока пути между зондами. Результаты измерения эффективности экранирования покрытий, нанесенных на пластины из поликарбоната с шерохо-ватостью Rz в разных диапазонах, приведены на рис. 2.Как следует из данных рис. 2, шероховатость пластин в интервале 0,05–12,5 мкм незначи-тельно влияет на величину эффективности экранирования ЭМИ (Э ≤ 30 дБ). Это объясняется тем, что существенный вклад в отражение электромагнитной волны вносит диффузная состав-ляющая, которую невозможно измерить [5]. Однако для λ = 3 ⋅ 10−2 м (рис. 2, б, кривая 4) шероховатость поверхности в интервале 0,1–1 мм существенно влияет на величину Э, которая повышается до 45–55 дБ. Полученные результаты не противоречат характеру индикатрисы рассеяния ЭМИ, зависящему от отношения высоты неров-ностей профиля Rz к длине падающей электромагнитной волны λ, т. е. от параметра Релея η [6, 7]: sin ,Rzη = βλ (2)где Rz – высота неровностей профиля; λ – длина волны ЭМИ; β – угол скольжения волны электро-магнитного поля над неровной поверхностью, отсчитываемый от среднего уровня поверхности.Чем больше значение параметра Релея η, тем сильнее влияние неровностей на отражение от исследуемой поверхности. В [8] получены решения задач отражения волн от тел разной фор-мы и с различной шероховатостью поверхностей указанными значениями параметра Релея. Анализ данных решений показывает, что, начиная со значений η ≥ 0,1, необходимо принимать во внимание неровности на поверхностях отражающих тел.Таким образом, для волн миллиметрового диапазона необходим учет шероховатости по- верхностей, получаемых при изготовлении пластмассовых корпусов электронных объектов (Rz = 0,05–6 мкм).Заключение. Установлено, что эффективность экранирования ЭМИ двухслойным покрытием системы Cu – Ni80Fe20 общей толщиной 400–600 нм не зависит от высоты неровностей профиля поверхности, на которую оно нанесено, если значение Rz изменяется в интервале 0,05–12,5 мкм и частота ЭМИ ниже 1 ⋅ 1010 Гц (λ > 3 ⋅ 10−2 м). В инженерных расчетах по созданию экранов от электромагнитных излучений шероховатость поверхности экрана может не приниматься во вни-мание, если длина волны электромагнитного излучения λ > 1 ⋅ 10−2 м. При λ < 1 ⋅ 10−2 м эффектив-ность экранирования покрытий системы Cu – Ni80Fe20 с увеличением параметра шероховатости подложек от 100 до 1000 мкм возрастает от 40 до 55 дБ.Литература1. Шапиро Д. Н. Основы теории электромагнитного экранирования. Л., 1975. 2. Полонский Н. Б. Конструирование электромагнитных экранов для РЭА. М., 1979.3. Лагарьков А. Н. и др. // Радиотехника и электроника. М., 2009. Т. 54, № 5. С. 625–633.4. Лыньков Л. М., Борботько Т. В., Криштопова Е. А. // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35, № 9. С. 44–48.                                                          а                                                                                        б Рис. 2. Зависимости эффективности экранирования покрытия состава 100 нм Cu + 400 нм Ni80Fe20 от величины шероховатости поверхности пластин из поликарбоната c высотой неровностей профиля Rz = 0,05–12,5 (а) и 100–1000 мкм (б); длина волны ЭМИ λ: 1 – 3 ⋅ 103 м; 2 – 3 ⋅ 102; 3 – 3 ⋅ 10−1; 4 – 3 ⋅ 10−2 м5. Максимов Г. А., Ларичев В. А. // Акустика неоднородных сред. Ежегодник РАО. 2011. № 12. С. 89–102.6. Штагер Е. А. Рассеяние радиоволн на телах сложной формы. М., 1986.7. Басс Ф. Г., Фукс И. М. Рассеяние волн на статистически шероховатых поверхностях. М., 1975.8. Jenn D. C. Radar and Lazer Cross Section Engineering. American Institute of Aeronautics and Astronautics. Hard- cover, 2005.А. Т. VOLOCHKO, V. A. ZELENIN, G. V. MARKOV, E.O. NARUSHKOINFLUENCE OF SURFACE ROUGHNESS OF SUBSTRATE LAYERS ON ELECTROMAGNETIC RADIATION SHIELDING CHARACTERISTICS OF COATINGS DEPOSITED ON THEMSummaryResearch has been carried out and regularities of influence of micro- and macro-roughness of surface of substrate layers on electromagnetic radiation shielding characteristics of coatings deposited on them have been determined. It has been shown that the bigger the value of the ratio of the product of the surface roughness Rz by the length of descent of an electromagnetic wave λ (the Rayleigh parameter), the bigger influence the roughness has on surface reflection. In engineering evaluations aimed at designing electromagnetic radiation shields roughness can be disregarded, if the wavelength of electromagnetic radiation exceeds 1 ⋅ 10−2 m.

Влияние шероховатости поверхности подложек на экранирующие от электромагнитных излучений свойства формируемых на них покрытий

https://vestift.belnauka.by/jour/article/download/127/128

Влияние шероховатости поверхности подложек на экранирующие от электромагнитных излучений свойства формируемых на них покрытий

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Physical-Technical Series / Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук