11.
Otras técnicas de apantallado
Se
presentan en este apartado otras técnicas de apantallado que difieren de los
materiales presenta- dos en forma de planchas, cajas, armarios o «racks» metálicos.
Un problema usual de los armarios es que al tener puertas, juntas, bisagras,
etc. Pueden degradar la efectividad del blindaje. Para solventar esto se emplean
juntas elásticas conductoras.
Los
armarios metálicos y cajas realizadas en hierro, aluminio o zinc, habituales de
forma mayoritaria en los equipos electrónicos, se han ido dejando de utilizar,
siendo sustituidos en parte por el plástico debido a la mejora en los costes de
producción para grandes series, resistencia estructural suficiente con mucho
menor peso y mayor libertad en el diseño de formas, debido a las múltiples
tecnologías de transformación del plástico con relación al metal. Pero el plástico
tiene el inconveniente de su transparencia a los campos electromagnéticos, por
lo que sus propiedades de apantallamiento son nulas.
11.1. Juntas elasticas conductoras
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Los elementos para
juntas elásticas y uniones conductoras se utilizan cuando se rompe la
continuidad del camino conductor en una caja metálica, como en los casos en que
hay una tapa encajada o una puerta. En ellos, el flujo de corriente puede que-
dar interrumpido, ya que la caja y la tapa o puerta pueden tener pocos puntos en
común y éstos, a su vez, tener una alta resistencia de contacto. Las uniones
constituyen un obstáculo para el correcto apantallamiento de la electrónica
contenida en las cajas o armarios. Para conseguir un buen contacto existen dos
soluciones: un mecanizado de precisión en las zonas de unión (muy costoso) o
una junta metálica de apantallamiento «<gasket>» (figura 19). Estas
juntas son encajadas entre tapa y caja o entre puerta y armario y permiten
garantizar un buen contacto, ya que además de conductoras son elásticas,
permitiendo su acomodación a las tolerancias mecánicas. Por supuesto, las
superficies de contacto de la tapa y caja (puerta y armario) deben ser
conductoras.
Otro
tipo de juntas son las de malla tejida, de las que existen dos tipos
principales: aquellas en que la malla metálica se compacta en una sección
transversal rectangular y aquellas en que un tubo de caucho, silicona u otro
elastómero se cubre con una o más capas de malla tubular. La malla suele
fabricarse con aluminio o acero inoxidable, si bien puede ser de cualquier otro
metal. La junta elástica es comprimida entre las dos superficies de la unión,
constituyendo un camino conductor entre las dos partes del blindaje y
facilitando que las corrientes circulen en éste sin cambios abruptos en la
densidad de corriente y manteniendo así las buenas características del
blindaje.
11.2. Blindaje de cajas de plástico: plásticos
conductores
El
método de añadir aditivos conductores en la inyección para obtener plásticos
conductores evita la necesidad de realizar una segunda operación. El resultado
es una composición inyectable y moldeable. El material conductor se puede
emplear en forma de fibra, escamas o polvos. Con esta operación se obtiene una
amplia gama de valores de conductividad, sin necesidad de añadir capas
posteriores. Los aditivos más utilizados son los compuestos de policarbonato en
los que se tienen escamas de aluminio, fibras de carbono (grafito), fibras de níquel
y fibras de acero inoxidable o de cobre. Las de fibra de acero alcanzan
eficiencias de apantallamiento superiores a 40 dB con cargas del 50 %, mientras
que las de níquel requieren cargas del 10 % para el mismo nivel. Estos
compuestos se ofrecen con gran variedad de resinas base como ABS, PVC,
polipropileno, poliestireno, policarbonato, etc.
Cuando
se utilizan plásticos conductores, las consideraciones más importantes son la
efectividad del blindaje y la estética del producto final. La efectividad del
blindaje no sólo depende del material utilizado sino también del control de
las fugas a través de las aperturas y los agujeros. Todo lo que se ha dicho
previamente sobre aperturas controladas en blindajes metálicos se puede aplicar
a los plásticos. A menudo, la parte más cara de la utilización de plásticos
conductores es el control de las fugas a través de las aperturas. Para que sean
efectivos, los plásticos conductores deben tener una resistencia eléctrica
superficial baja.
No
deben confundirse los plásticos conductores indicados para ser utilizados como
blindajes y los que están preparados contra las descargas electrostáticas.
Para tener solamente protección contra las ESD, se pueden utilizar resistencias
superficiales más altas que en el caso de los blindajes. Para proteger de las
ESD, el plástico debe ser suficientemente conductor para que no se induzcan
tensiones de nivel suficiente en su superficie, pero no tanto como para que
ocurra una descarga con chispas. Por ello, los plásticos conductores utilizados
en embalajes antiestáticos no son iguales que los necesarios para apantallar.
Los plásticos conductores antiestáticos tienen resistencias superficiales del
orden de 103 a 1013 O/cm2 ,mientras que los de apantallamiento tienen
resistencias superficiales menores de 103 O/cm2.
Los
plásticos conductores presentan la ventaja sobre las pinturas y metalizados
conductores de una mayor resistencia al desgaste y que no pueden ser arañados.
Un arañazo sobre la pintura puede actuar como una antena efectiva.
Seguidamente
se exponen otros métodos para transformar en conductora una caja de plástico:
galvanizado selectivo (electrodepósito), pinturas conductoras, láminas metálicas
adhesivas, metalizado en vacío, metalizado químico, aerosol de arco de zinc,
la quimioplastia y el pulverizado con soplete oxiacetilénico.
11.3. Galvanizado selectivo (electrodepósiTO)
Otro método
para tener un plástico conductor es depositar en la superficie plástica
interna un galvanizado selectivo. Este método es un proceso electrolítico
usado para depositar metal en sustratos conductores.
Los
electrólitos contienen todos los metales requeridos en cada caso y no se
requiere sacrificar ánodos como en el galvanizado convencional. Estos electrólitos
pueden depositar varios metales o aleaciones, escogiendo selectivamente las
distintas partes de la superficie total a tratar. Los metales más usuales son:
cobre, níquel, cobalto, cromo, plata, oro, platino, cadmio, estaño, zinc,
indio y plomo. Las aleaciones son: níquel-cobalto, estaño-indio,
cobalto-tungsteno, níquel- tungsteno, estaño-cadmio, estaño-plomo-níquel.
En
algunos casos, sea cual sea el metal a depositar, se realiza un paso intermedio
en el que se deposita cobre debido a su alta conductividad. Aunque podría
interesar dejar el cobre solo, esto no es posible porque se oxida, perdiendo
conductividad. Los electrodepósitos son generalmente más densos que los depósitos
realizados mediante pinturas en aerosol o mediante tanques electrolíticos,
ofreciendo una buena protección contra la corrosión propia del metal. También
tienen una mayor conductividad y atenuación como blindajes. Por ejemplo, un
espesor de 5 centésimas de milímetro de níquel puede tener una efectividad de
40 a 400 dB en un margen de frecuencias de 100 kHz a 100 MHz a una distancia de
unos 15 cm de la fuente de interferencia. Con el mismo espesor y margen de
frecuencias, el estaño tiene de 36 a 100 dB de atenuación para la misma
distancia de la fuente. A menores frecuencias se requieren mayores espesores
para obtener la misma atenuación.
Las
capas se presentan en el orden siguiente: el plástico de la caja, una capa de
cobre y, por último, el metal o aleación seleccionada. Esto suponiendo que el
campo perturbador sea externo. Normalmente, el espesor de cobre no excede 3 ·
10-12 mm para poder aplicar luego el segundo metal con mucho mayor
espesor. En algún caso se desea dejar sólo el cobre con más grosor pero con
el debido tratamiento antioxidante, como es añadir una delgada capa de cromo
como acabado final, pero reservando al cobre la tarea del apantallado por su
diferencia de espesores.
En el caso de depositar níquel, éste se deja con un espesor de unas 400
micras.
El
material más usual en blindajes es el níquel y sus aleaciones, por ofrecer
buena protección contra la oxidación y una resistividad de 0,04 O/cm2 con un
espesor de 0,05 mm. El níquel, al tener permeabilidad relativa 1Ir > 1,
absorbe el vector magnético de las ondas planas y el cobre absorbe el vector eléctrico
debido a su excelente conductividad (0,0015 O/cm2), sólo superado por la plata.
El
grafito es otro material que se suele utilizar como blindaje depositado sobre plástico.
Tiene una resistividad de unos 0,3 O/cm2 con un espesor de 0,05 mm y una
atenuación de 30 o 40 dB entre 200 MHz y 1 GHz.
11.4. Pinturas conductoras
Actualmente
existen pinturas conductoras basadas en grafito, cobre, níquel y plata que
superan ampliamente con ventaja a otros tratamientos y que, aplicadas de forma
convencional por aerosol con muy poca o ninguna preparación superficial del plástico,
permiten conseguir niveles de apantallamiento de hasta 70 dB con espesores del
orden de 50 micras.
Las
ventajas de las pinturas conductoras son esencialmente las que se citan
seguidamente: su utilización como pinturas ordinarias, aplicación por aerosol
sin personal muy especializado y secado al aire, no requieren o es mínimo el
tratamiento previo de superficie. Se adhieren a casi cualquier tipo de plástico
con gran poder de cobertura. Son duras y resistentes a la abrasión y superan
las condiciones climáticas extremas, sin que la adherencia y el nivel de
apantallamiento sean afectados.
Las
características más destacables de los distintos compuestos básicos incluidos
en las pinturas utilizadas para apantallamiento son: el grafito tiene un coste
muy reducido y baja conductividad, usándose contra campos magnéticos y contra
las ESD; la plata tiene un coste muy elevado y máxima conductividad, consiguiéndose
buenos apantallamientos con sólo 25 mm
de espesor, es de fácil aplicación y se utiliza en aplicaciones militares que
requieren alta protección contra EMP. Su inconveniente es que se oxida con el
tiempo. El cobre es de un coste moderado y tiene casi tanta conductividad como
la plata, pero es fácilmente oxidable, por lo que pierde efectividad.
Actualmente, el níquel es el elemento más utilizado, ya que, sin ser tan buen
conductor como el cobre o la plata, absorbe más EMI debido a su permeabilidad
magnética; es muy duro, es fácil de aplicar y no se oxida con facilidad. Las
resinas utilizadas para la mezcla de pintura son de dos tipos: acrílicas y
poliuretanos. Las acrílicas son más baratas y los poliuretanos más
resistentes.
11.5. Láminas conductoras
Otra
alternativa para apantallar puede ser la aplicación de láminas adhesivas
metalizadas, especial- mente recortadas a medida para encajar en el interior de
la caja, pero tienen el inconveniente de que los extremos son una fuente de
fugas debido al efecto de bordes (figura 4), rebajando la efectividad.
Normalmente son de cobre o aluminio, debidamente aisladas externamente y
proporcionan una buena conductividad.
Las
láminas adhesivas metalizadas se usan, habitualmente, para el apantallamiento
electromagnético de equipos e incluso de grandes habitaciones. Estas láminas
adhesivas tienen la ventaja de poder ser aplicadas sobre un armario o habitación,
con lo que pueden ser usadas ante imprevistos. Es común utilizarlas en la fase
de experimentación y no son deseables para producción, porque su adhesión es
laboriosa y complicada en casos complejos.
11.6. Otras técnicas de depósito de capas
conductoras
Tradicionalmente
se han empleado las siguientes técnicas para metalizar elementos no conductores
como el plástico para utilizarlos como blindajes: metalizado en vacío,
metalizado químico y aerosol de arco de zinc. Otras técnicas son el depósito
químico sin electrodos (quimioplastia) y el pulverizado con soplete oxiacetilénico.
En
el metalizado al vacío se hierve un metal puro, generalmente, aluminio, en una
cámara de vacío y se deposita sobre la superficie del plástico. Esto produce
una adhesión y una conductividad excelentes, por lo que se puede aplicar a diseños
complejos. Sus desventajas son: se necesita un equipo muy caro, es tan caro como
el arco de zinc y, además, es muy inestable con la humedad.
El
metalizado químico es otra de las nuevas técnicas y consiste en la inmersión
de la pieza a metalizar en una serie de baños químicos que metalizan oxidando
la superficie con ácidos crómico y sulfúrico o con trióxido de sulfuro
gaseoso. Después de la oxidación de aplica cobre y después una capa de níquel,
el primero por su poder conductor y el segundo para evitar la oxidación y
aprovechar su permeabilidad magnética. Se consiguen por este procedimiento
espesores de 0.5 a 1um de níquel. Al final se aplica una capa neutralizadora de
forma que se pueda pintar la superficie con pintura normal no conductora.
El
aerosol de arco de zinc se ha utilizado para apantallar, ya que, si bien su
aspecto no es muy atractivo y el calor que resulta del proceso de aplicación
deforma las finas paredes del plástico, en cambio ofrece un buen nivel de
conducción. La aplicación de una capa conductora con aerosol por arco de zinc
presenta ventajas como: menor coste de inversión y maquinaria, no requiere
personal especializado, no requiere tratamiento previo de la superficie (como el
chorreado de arena), ni mascaras y tiene mejor adherencia, sin presentar escamas
o grietas debidas a diferencias de coeficiente térmico.
En
la quimioplastia se deposita un capa metálica (normalmente níquel) mediante
una reacción química controlada que es catalizada por el metal depositado.
Produce una película de grueso uniforme con una conductividad muy buena y puede
aplicarse a partes simples o complejas sin apenas gastos, siendo competitivo con
los dos anteriores.
El
zinc es el material más utilizado en el pulverizado con soplete oxiacetilénico.
En este sistema, se introduce un alambre de zinc en una pistola especial y se
deposita zinc sobre el material plástico produciendo una capa densa y fuerte de
metal con una excelente conductividad. Su desventaja es que el proceso de
aplicación requiere un equipo especial y destreza, siendo mas caro que una
pintura, pero es el segundo método mas utilizado.
Por ultimo, las
tablas 5, 6, y 7 resumen las eficacias a distintas frecuencias de algunos depósitos
y pinturas metálicas para varios tipos de campos. Como se observa, la pintura
de níquel es la que tiene menor atenuación en todas las frecuencias. La mayor
atenuación se tiene con dos capas de electrodepósito de cobre y níquel.
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El espesor necesario, relativamente reducido, es debido a que, a altas frecuencias gracias al efecto pelicular por el cual la corriente tiende a circular por la superficie y no por el espesor, con un espesor pequeño es suficiente. La figura 20 muestra gráficamente la efectividad de apantallado de las pinturas conductoras y otros tipos de capas metálicas depositadas de distintas formas sobre los plásticos.