BOSTON, Oct. 31, 2023 — Sicherzustellen, dass empfindliche elektronische Komponenten nicht nachteilig durch abgestrahlte elektromagnetische Interferenz (EMI) beeinflusst werden, ist ein wesentlicher Teil der Schaltungsplanung. Wo Kompaktheit und enger Komponentenabstand Priorität haben, wie bei Smartphones und Smartwatches, wird herkömmliche Bord-Ebene-Abschirmung mit metallischen Gehäusen zunehmend durch konforme Packungs-Ebene-Abschirmung ersetzt. Dieser Ansatz nutzt leitfähige Beschichtungen, die direkt auf Halbleiterpackungen aufgetragen werden, und schafft zusammen mit aufkommenden Ablagerungsmethoden wie Sprühen und Drucken neue Möglichkeiten für funktionelle Materialien.
Bei der Auswahl eines Materials für konforme Packungs-EMI-Abschirmung müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden. Am wichtigsten ist die Abschwächung der eintreffenden elektromagnetischen Strahlung, die von der elektrischen Leitfähigkeit und magnetischen Permeabilität abhängt. Häufig parametrisiert als Abschirmwirksamkeit (SE), ermöglichen höhere Werte die Verwendung einer dünneren Beschichtung und reduzieren damit Gewicht und Materialverbrauch. Andere Materialüberlegungen beinhalten die Haftung auf dem unterliegenden Epoxid-Formmassen-Compound des Packages, Wärmeleitfähigkeit, Dichte, chemische Stabilität und Kompatibilität mit dem Beschichtungsverfahren, falls eine Lösungsverarbeitung erfolgt.
Concept to commercialization for EMI shielding. Quelle: IDTechEx
Sputterbeschichteter Metall
Sputterbeschichtung von Metall ist eine etablierte Technologie für konforme Abschirmung, bei der hochreine Metallblöcke mit einem Strahl geladener Ionen abgesputtert und aufgebracht werden. Viele konforme Abschirmungsbeschichtungen verwenden mehrere Metallschichten, die einfach durch Wechsel der Sputterziele erreicht werden. Haft- und/oder Zwischenschichten bestehen typischerweise aus Titan, Chrom oder Edelstahl, während die primäre Abschirmungsschicht häufig kostengünstigere Metalle wie Kupfer, Aluminium oder Nickel sind.
Obwohl Sputterbeschichtung etabliert ist, besteht noch Spielraum für Innovation. Eine vorgeschlagene Strategie, inspiriert von optischen antireflektierenden Beschichtungen, nutzt destruktive Interferenz aus einem Mehrschichtstapel, um die Abschirmwirksamkeit zu erhöhen. Diese Verbesserung ist jedoch sehr frequenzabhängig, bedingt durch die feste Materialabstände.
Leitfähige Tinten
Das Auftragen leitfähiger Materialien aus Lösung bietet eine Alternative zur Sputterbeschichtung mit deutlich reduzierten Anlagenkosten, da der Prozess bei Umgebungsbedingungen und nicht im Vakuum erfolgt. Eine Reihe von Lösungsverarbeitungsmethoden wie Sprühen und Tintenstrahldruck wurden für die EMI-Abschirmung entwickelt und erfordern alle leitfähige Tinte. Trotz der hohen Metallpreise dominieren derzeit Silbertinten aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit und chemischen Stabilität.
Obwohl das zugrunde liegende Metall dasselbe ist, besteht bei Anbietern von leitfähigen Tinten großer Spielraum für Differenzierung. Teilchenform und -größe sind entscheidende Faktoren, wobei Nanopartikel im Allgemeinen eine höhere Leitfähigkeit bieten, aber höhere Aushärtungstemperaturen erfordern als flakebasierte Tinten. Teilchenfreie Tinte, auch molekulare Tinte genannt, ist eine vielversprechende alternative Möglichkeit. Anstatt einer Suspension metallischer Partikel ist die Tinte stattdessen eine Lösung organometallischer Spezies, die in situ reduziert werden und eine glatte Metallschicht erzeugen. Ein Schlüsselvorteil leitfähiger Tinten ohne Partikel ist die Eliminierung des Risikos von Düsenverstopfung, ein bedeutender Faktor für digitale Druckmethoden wie Aerosol- und Tintenstrahldruck, die selektive Ablagerung ermöglichen. Ein weiterer Vorteil ist, dass sie sehr glatte Beschichtungen erzeugen, was die Abschirmwirksamkeit bei hohen Frequenzen verbessern kann.
MXene
Das ideale Material für EMI-Abschirmung würde hohe elektrische Leitfähigkeit, geringe Dichte, Flexibilität zur Anpassung an Wärmedehnung, einstellbare Oberflächenchemie für Haftung und Lösungsprozessierbarkeit aufweisen. Die aufstrebende Materialklasse der MXene, eine Familie zweidimensionaler anorganischer Materialien, die aus wenigen Lagen übergangsmetallhaltiger Carbide, Nitride oder Carbonitride bestehen, erfüllt diese Beschreibung. MXene sind daher Gegenstand sowohl akademischer als auch kommerzieller Forschung für Anwendungen in der Elektronik, einschließlich EMI-Abschirmung, wobei derzeit Anstrengungen unternommen werden, die Produktion zu skalieren.
Umfassende Abdeckung
Der Bericht von IDTechEx “EMI Shielding for Electronics 2024-2034: Forecasts, Technologies, Applications” bietet einen detaillierten Überblick über den Markt für “EMI-Abschirmung für Elektronik”, mit einer detaillierteren Bewertung der oben aufgeführten Materialklassen sowie nanokohlenstoffhaltiger Verbundwerkstoffe, Metamaterialien und kombinierter thermischer Schnittstellen-/EMI-Abschirmungsmaterialien. Innovationsansätze, die die zunehmende Einführung heterogener Integration und fortschrittlicher Halbleiterverpackung unterstützen, sowie die Aktivitäten wichtiger Akteure werden bewertet. 10-Jahres-Prognosen für sowohl Beschichtungsverfahren als auch den Verbrauch leitfähiger Tinten werden bereitgestellt und beziehen sich auf die Analyse von Verbraucherelektronikgeräten zur Bewertung der Halbleiterpackungsfläche, die eine konforme Abschirmung erfordert. Prognosen werden über mehrere Anwendungskategorien segmentiert, darunter Smartphones, Laptops, Tablets, Smartwatches, AR/VR-Geräte, Fahrzeuge und Telekommunikationsinfrastruktur.
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