CN1221983C

CN1221983C - 电缆和电缆连接器的电磁干扰屏蔽

Info

Publication number: CN1221983C
Application number: CN 01811305
Authority: CN
Inventors: 耶苏·爱·奥尔蒂兹; 罗克·R·阿诺德
Original assignee: Wavezero Inc
Current assignee: Wavezero Inc
Priority date: 2000-04-17
Filing date: 2001-03-28
Publication date: 2005-10-05
Anticipated expiration: 2021-03-28
Also published as: EP1290761A1; EP1290761A4; AU2001259034A1; WO2001080374A9; WO2001080374A1; CN1436382A

Abstract

一种热成型连接器组件(30)，设置有：具有以介质层(24)封装之导电引线的电缆本体(22)，覆盖介质层(24)的聚合物层，围绕聚合物层的金属化层(37)和围绕金属化层(37)的可选绝缘涂层。金属化热成型体(32)可被连接至金属化层(37)，其中金属化热成型体(32)可被电连接至一接地壳体。

Description

电缆和电缆连接器的电磁干扰屏蔽

相关专利申请案的交叉参照

本专利申请案要求以下申请案的优先权：于2000年4月17日提交的标题为“连接器、柔性线路和电子/电气电缆的EMI/RF屏蔽(EMI/RF Shielding of Connectors，Flexible Circuits，andElectronic/Electrical Cables)”的美国临时专利申请案No.60/198,282、2000年4月25日提交的标题为“连接器、柔性线路和电子/电气电缆的高性能RF屏蔽(High-performance RF Shieldingof Connectors，Flexible Circuits，and Electronic/ElectricalCables)”的临时专利申请案No.60/199,519、2000年5月8日提交的标题为“连接器、柔性印刷电路和电子/电气电缆EMI/RF屏蔽集成系统(Integrated System for EMI/RF Shielding of Connectors，Flexible Circuits，and Electronic/Electrical Cables)”的临时专利申请案No.60/202,842和2000年5月9日提交的标题为“印刷电路板、柔性印刷电路和电缆线路的敷形涂层和屏蔽(ConformalCoating and Shielding of Printed Circuit Boards，FlexibleCircuits，and Cabling)”的临时专利申请案No.60/203,263，这些申请案的完整公开内容合并在此作为参考用于各种目的。

发明背景

本发明主要涉及电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI)的屏蔽。具体说来，本发明涉及电气电缆和连接器的金属化和接地，旨在对电磁干扰、射频干扰和静电放电(ESD)进行电磁屏蔽。本文中所述“EMI”包括ESD、RFI以及任何其它类型的电磁辐射或影响。

电缆和连接器必须能够畅通无阻地传输信号。遗憾的是，连接电子装置用的电缆和连接器以及其柔性基底材料(例如柔性印刷电路)中包含无源和有源电子器件的专用电缆线路均同时是EMI辐射的接收器和发射器。EMI冲击会破坏电缆和连接器的功能性，在某些情况下可导致电缆的电气故障。随着微处理器速度的不断提高，EMI的产生成为电子设备设计者、生产者及所有者关心的一个重要问题。

常规的电缆屏蔽方法采用柔性导电织物、导电环氧树脂或可以缠绕在电缆绝缘包层外的导电箔或导电带进行屏蔽。遗憾的是，各种常规方法均有各种不同的缺陷。例如，导电织物成本高，导电环氧树脂不仅成本高而且难以敷到包层上，导电箔和导电带则必须人工缠绕在电缆本体上。

常规屏蔽方法的一个突出缺陷是电缆本体屏蔽与连接器连接处存在泄漏。连接处的间隙、“缝隙天线”或接缝破坏了屏蔽的连续性，是屏蔽有效性降低的一个首要原因。

现有的电缆屏蔽方法在20dB-50dB范围内具有屏蔽功效。遗憾的是，当前正在应用(和正在开发)的高速微处理器技术需要55dB或更高范围内的相容和集成设计式的壳体、电缆和连接器。

上述常规方法无法提供高效的屏蔽且存在较大的泄漏问题(从而降低了屏蔽功效)，而且通常需要人工在连接器和电缆上敷装屏蔽层。因此，目前需要提供对电缆和连接器进行充分的EMI屏蔽的系统和方法。

发明概要

本发明提供若干种其本体外包一层真空金属化层的电缆。所述金属化层可通过一个金属化热成型连接器接地，以阻止有害EMI辐射的释放或冲击。可选的是，还可在电缆本体的金属化层上敷一层绝缘外涂层。

在一个具体实施例中，所述金属化层通过位于电缆本体一端的一个导电连接器接地。本发明实施例中的导电连接器一般由金属化热成型体构成。该热成型体或为一体式(即蛤壳式)或为两件式组件。该热成型体的尺寸可与电缆本体的引脚连接器组件的形状基本吻合。热成型体上的金属层与电缆本体上的金属化层外露部分电气连接，采用的方法是使用一个槽榫组件将热成型体搭扣装配在电缆的端头周围、与导电环氧树脂或衬垫压合或激光焊接或用其它类似方式。

在某些布置方案中，整个电缆本体外包金属化热成型体，以对电缆内导体进行屏蔽。所述热成型体一般为薄壁式或有肋式，以便于电缆本体弯曲。金属化层可以沿热成型体的内表面布置(从而不需要绝缘层)，也可以沿其外层布置。若金属化层布置在外层上，则金属化层上一般需敷盖一层绝缘层以防止与周围的电子元件发生电气接触。

电缆本体和热成型体的金属化可通过真空沉积(即阴极溅射、离子束或热蒸发)、喷涂、电镀、无电电镀、锌-电弧喷涂或其它类似方法涂敷。

在具体实施例中，电缆本体和热成型体的金属化采用真空沉积方法，该方法一般将电缆本体或热成型体的温度保持在约65℃以下，在制作过程中保持在约48℃以下较佳。采用低温真空沉积方法可以生成基本均匀的导电层，而基本上不会使层下的热成型体或绝缘介质出现弯翘或变形。热成型体均匀涂敷的表面、皱褶、凹槽和边缘能减小导电层中的阻抗变化，从而可以提高屏蔽件的整体屏蔽效果。

本发明的金属化层可以提供的衰减等级在理论上处于0dB-110dB之间，但一般处于20dB-70dB之间。然而应了解，改变金属化层的厚度和材料可获得更高的衰减等级。

为降低连接器与电缆本体连接处的EMI泄漏，金属化热成型连接器的接合面可带有隆起物、凸出物或其它锁闭元件，以将间隙尺寸减小至不大于半个目标EMI/RFI辐射波长。

在一个具体实施例中，本发明提供了一种屏蔽电缆的方法。该方法包括提供在一介质层内封装的导电引线。该介质层上涂敷一金属化层。一个金属化热成型连接组件可与介质层上的金属化层及一个接地壳体进行电气连接。在实施例的方法中，金属化层被热蒸发在该介质层和热成型体上，从而形成了一基本均匀的金属化层。

在某些具体实施例中，该介质包层(或聚合物外涂层)与真空金属化层之间涂敷了一层底涂层以增强附着力。在大多数结构中，金属化层上敷有一绝缘外涂层以防止金属化层与邻近的电气装置或元件发生电气接触。

在另一具体实施例中，本发明提供了一种电缆屏蔽件。该电缆屏蔽件包括一个具有一个内表面和一个外表面的热成型体。金属层敷在其内表面或外表面上。电缆本体可以布置在热成型屏蔽件内。该电缆屏蔽件可接地，以为电缆本体提供EMI屏蔽。热成型体可包括一个单“蛤壳”件或两个可围绕电缆本体安装的分离体。可选的是，该热成型体可以加有肋条，以便于电缆本体的弯曲和弯折。

在某些具体实施例中，电缆本体和/或热成型体可在两个表面上金属化。除了可将入射辐射的衰减提高10dB-20dB外，第二层金属化层还可防止出现缝隙天线。这样，当其中一层被划伤或受到其它损坏时，另外一层仍能阻挡辐射的发射或冲击。

为进一步了解本发明的性质和优点，下面将参照附图进行说明。

附图简要说明

图1为在本体周围敷有金属化层的电缆简化立体图；

图2为其通孔使接地轨迹暴露于金属化层的电缆简化立体图；

图3为一电缆本体和金属化热成型连接器的简化立体图；

图4为沿电缆一端布置的一个端部连接器的简化剖面图；

图5为一两件式金属化热成型体的简化剖面图；

图6为沿电缆末端布置的分裂式连接器的简化端部视图；

图7和图8为一个具体实施例中分裂式连接器打开与闭合位置示意图；

图9示出连接器与电缆之间接触的剖面图；

图10为与金属化连接器相连接的一个接地壳体的剖面图；

图11为包绕电缆的金属化热成型体立体图；

图12为具有一整体连接器组件的两件式金属化热成型体的立体图；

图13为一个便于热成型体和电缆弯曲的有肋热成型体的示意图；及

图14和图15为本发明实例性方法的简化流程图。

发明详细说明

本发明提供了若干对电缆和连接器进行电磁干扰和射频干扰(例如EMI和RFI)屏蔽的方法和系统。

本发明的电缆一般包括一个具有两个端头的电缆本体。在电缆本体的至少一个端头可以配置一个凸/凹引脚连接组件，以便与接地电子元件或壳体上对应的凹/凸连接器相连接。本发明的EMI屏蔽件一般同时包敷在电缆本体和连接器组件上，以屏蔽整个电缆本体。

在一个具体实施例中，通过真空沉积方法在电缆本体上涂敷了一铝导电层。在涂敷过程中，固体材料件被气化并以低温工艺附着到电缆本体(即介质层或聚合物外涂层)上，以便不会损坏下面的元件。必要时，可于真空沉积前在基底上涂敷一底涂层以增强金属层在电缆本体上的附着力。应了解，对真空沉积一般不需要老化或热处理用于固化。而且，真空沉积方法可采用低温工艺在基底上沉积一薄层。低温工艺可在生成连续的低应力层的金属化层的同时降低对下面的电子元件的热损坏。

导电层的厚度主要取决于辐射的频率等级。总体来说，导电层的厚度一般介于1/10μm-12μm之间。一般来说，该导电层一般可以屏蔽从低于100MHz至高于10GHz的宽广的频率范围。对于频率更高的辐射，金属化层的厚度接近该范围的更低端；反之，对于频率更低的辐射，金属化层的厚度处于该范围的更高端。

在具体实施例中，金属化热成型连接器组件可位于引脚连接器组件周围，以使金属化电缆本体通过一个接地壳体实现电气接地。连接器组件的热成型一般包括：加热板材并制成所需形状。该方法包括加热一张热塑复合板至其软化且易弯，然后利用空气压力或真空作用使已软化的复合板向模具表面弯曲，直至其按模具表面成形。然后对复合板进行冷却以使其保持所需形状。冷却后，可将其从模具上取下并随之进行金属化。金属化热成型体可沿内表面、外表面或两个表面进行金属化。典型的热成型材料包括：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物塑料(ABS)、聚苯乙烯、纤维素聚合物、氯乙烯聚合物、聚酰胺、聚碳酸酯、聚砜、烯烃聚合物(例如聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PTG)、甲基丙烯酸甲酯丙烯腈)等类似材料。

本专利申请人已发现使用热成型基底进行屏蔽可获得常规注塑模铸件所不具备的优点。例如，与将金属化层附着于注塑模铸件上相比，金属化层可更快地附着在热成型体上而且更经济。注塑模铸件通常需要使用脱模剂对部件进行处理。即使在采取措施不使用脱模剂的情况下，滑板润滑剂和起模杆润滑剂也会污染注塑模铸件。使用脱模剂和润滑剂时，需要在金属化之前清洗注塑模铸件，以保证金属层的附着力。由于热成型体不需使用脱模剂和润滑剂即可成型，因此制作工艺得到了简化。由于该制作工艺可加工出重量较轻的热成型基底，因此，可制成比注塑模铸件轻的EMI屏蔽件。

在某些具体实施例中，热成型导电连接器可从电缆本体的金属化层上拆下。因此，该导电连接器可以为一体式(“蛤壳形”)或可以围绕电缆本体安装(和拆卸)的两件式组件。一般说来，该导电连接器具有使该连接器围绕电缆连接所需的配合表面。例如，分开式连接器的配合表面可有一个能够构成紧配合搭扣安装的槽榫组件。关于可折叠(即分开式)热成型壳体的更全面的说明，可参见颁予Gabower等人的美国专利No.5,811,050，其全部揭示内容以引用方式并入本文参考。

在某些布置方案中，电缆本体的金属化导电层上可以覆盖一绝缘敷形外涂层。该外涂层可用于增加强度、韧度，保护其免受环境影响(例如UV辐射、潮气等)并用作绝缘等。该外涂层可以由各种材料构成，包括(但不限于)：丙烯酸、氯丁橡胶、双组分环氧树脂、单组分环氧树脂、氨基甲酸乙酯及聚酯材料等。电缆末端的外绝缘涂层可以剥去(或在涂敷时将其掩蔽)以露出下面的金属化层，使导电连接器能够与金属化导电层进行电气接触。当需要拆卸和/或更换该连接器时，只需将其拆下并重新安装在导电层的裸露部位上，重新建立与导电层的电气接触。

尽管图中所示为扁平带状电缆，但应了解，本发明也涉及圆形电缆、柔性印刷电路、线束和其它导电引线。

图1所示为一个具有本发明新颖特点的金属化电缆本体20，其包括布置在介质基底24(例如PVC、聚碳酸酯、聚酰亚胺、ABS、热塑聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、FR4、G-10玻璃纤维织物等)内的导体22。金属化层26可以采用真空沉积方法或其它方法附着在介质基底24的外表面或聚合物外涂层(图中未标出)上，以基本上封装介质层24和导体22。可选的是，可在介质基底或外涂层上敷一底涂层(图中未标出)来增强金属化层26的附着力。在正确接地后，该金属化层可阻挡电磁辐射能的发射和冲击。在某些配置中，金属化层26上可敷一绝缘外涂层28，以防止金属化层26与周围的电缆或电气元件发生电气接触。

如图2所示，在某些具体实施例中，金属化层可通过嵌在介质基底24内的一接地导线25接地。可在绝缘基底内形成一个通孔27以暴露出接地导线25。在该介质上涂敷金属化层时，金属化层26可进入通孔27，它与金属化层建立电气接触并使其接地。金属化层26上可敷一绝缘外涂层(图中未标出)以使其与周围的电气元件绝缘。

图3至图5所示为本发明的一个连接器组件30，其包括安装在一个凸/凹电气连接器引脚组件34上的第一部分32和第二部分33。第一部分32和第二部分33可具有接触面35a和35b以实现与接地壳体的电气接触，从而在电缆与接地壳体38之间建立起一条接地路径。连接器组件30的内表面和/或外表面可涂敷一金属化层37，以实现与电缆之金属化层26和接地壳体的电气接触。

现在参见图4，电缆导体伸入连接器引脚组件内并连接在连接器引脚上(图中未标出)。连接器引脚组件34内可布置一块印刷电路板(图中未标出)，以将电缆中导电引线连接至接地壳体38。连接器引脚组件34以可拆卸方式连接至接地壳体38的一个对应凸/凹电气连接器36上。在具体实施例中，连接器本体32，33为金属化热成型体，可实现电缆本体的金属化层26与接地壳体38的电气连接。连接器30的金属化层37可接触金属化层26的裸露部位(该部位未涂敷绝缘外层28或该外层已剥去)。金属层26的电气接地可在电缆和连接器周围形成一个法拉第屏蔽罩(Faraday cage)，防止EMI的发射和/或冲击。

图5所示为热成型连接器组件的一个具体实施例，该组件采用搭接表面或槽榫表面连接连接器本体32，33。该连接器组件的第一侧40可具有一个隆起物，而连接器本体的第二侧42具有一个对应的凹陷。连接器本体33的第二连接器本体33具有相似的型式以构成一个用以将两部分32，33紧绕连接器引脚组件34连接的连接组合。然而应了解，也可使用其它各种常规或专有的方法将连接器的第一端40固定至第二端42上。例如，上述两端可使用夹具、弹簧夹、导电胶、导电衬垫、过盈配合、激光焊或类似方法连接。此类构造便于连接器的多次拆卸，且不会损害电缆组件的EMI/RFI屏蔽能力。

如图6至图8进一步所示，连接器30的某些具体实施例可以采用一体式“蛤壳”，以便于其在电缆本体22上的安装和拆卸。热成型体32的内表面和外表面可涂敷—金属层126a，126b。在外金属层上可以敷—非导电涂层128，以防止该金属化层与邻近的其它电路或电子器件相互发生电气影响。在其它构造中，可以仅对热成型体32的内表面实施金属化，因此，此类构造不需要绝缘层。为使热成型体的金属化层与电缆本体22的金属化层相接触，电缆本体22末端附近的电缆绝缘外涂层28可以部分被去除，以使连接器30的金属化层与电缆的金属化层26相接触(图3)。

热成型体可以搭扣装配，使其第一端40搭接或以其它方式连接到其第二端42上。在图8所示的构造中，金属化热成型体的两端通过隆起物43进行过盈配合连接。

图9为电缆本体金属化表面26与一个金属化热成型连接器30(采用铝、铜或其它导电材料实施真空金属化)的金属化内表面37的典型电气连接剖视图。在某些布置方案中，小隆起物46可沿连接器的内表面44和/或软电缆22的金属化表面26布置，以在电缆本体20与连接器30之间形成压力接触，从而在装配期间保持电缆与连接器的相对位置。隆起物的间距取决于EMI/RF的发射频率。当频率较高时，要求隆起物的间距要小，以阻挡EMI/RF发射。隆起物的高度同样需依据频率设计。同样，当频率较高时，必须降低隆起物的高度，以能够阻挡高频发射。连接器和金属化层中的任何间隙49均不得大于半个EMI/RFI辐射发射波长。

图10为接地壳体38与金属化连接器30之间电气接触的一个具体实施例的剖视图。在所示构造中，连接器组件30上的金属化层37与壳体38采用过盈配合，从而在壳体38与连接器30的导电配合面之间形成连续接触。在其它具体实施例中，连接器与壳体可以采用夹箍连接、螺纹连接、压力连接、胶粘连接、衬垫连接或类似连接方法。

图11和图12所示为其它的电缆构造。整个电缆本体22可以外包一个可拆卸式金属化热成型体50。热成型体50可在内侧或外侧金属化以提供EMI屏蔽。连接器引脚组件(图中未标出)上可以连接一个单独的热成型连接器组件(图中未标出)以使电缆屏蔽件接地。若热成型体是外侧金属化，则可在金属化层上敷一绝缘层来防止金属化层与邻近的电子器件相互发生电气影响。

图12所示为一个具有一个整体式本体和若干连接器部分的两件式金属化热成型体50a，50b。该金属化热成型体可以搭扣装配或以其它相似的装配方式安装在电缆22和连接器引脚组件上。预计此类金属化热成型体可以以单独成套配件的形式生产和销售，以便于用户改装其现有电缆。

如图13所示，热成型体可设计为薄型或具有规则的开口52和肋54。这些开口、切口或皱褶减小了整个组件的截面积并使电缆本体能够折弯。尽管图中所示连接器30为电缆热成型体50的一个独立元件，然而应了解，该热成型连接器30可与包绕电缆本体的热成型体50制成一个整体，因此可以一个单一热成型体敷装在电缆本体上，对电缆22实施完全屏蔽。

图14和图15所示为本发明的两种实例性方法。如图14所示，首先将带有导体和一介质层的电缆本体金属化，该步骤采用真空金属化较佳(步骤80)；将一个金属化热成型体电气连接至电缆本体的金属化层上(步骤82)；然后通过一个真空金属化热成型连接器组件使该金属化层接地(步骤84)。可选的是，可对该金属化层进行绝缘，以防止其接触到周围的电子或导电元件。

图15所示方法提供一种电缆本体，其导体封闭在一绝缘材料内(步骤90)；一个热成型外壳被真空金属化(步骤92)；该金属化热成型体绕装在电缆本体和连接引脚组件周围(步骤94)；最后该金属化热成型体被接地以构成电缆的电磁屏蔽(步骤96)。

所属技术领域的技术人员会理解，在不背离其基本特征的前提下，本发明可以采用其它具体形式实施。例如，尽管附图中所示为矩形电缆和连接器，然而应了解，本发明对圆形和矩形连接器和电缆同样适用。因此，上述说明旨在对后面权利要求中的发明范畴做实例性说明而不具有限定意义。

Claims

1.一种电缆屏蔽方法，其中所述电缆包括多条封装在一介质基底内的导电引线和一个位于该电缆之至少一端上的连接器，该方法包括：

在该介质基底周围热蒸发一金属层，以便封装所述介质基底和导电引线；以及

将一个金属化热成型连接器组件连接在所述连接器周围并与所述金属层相连接，以在所述金属化热成型连接器组件与所述介质基底周围的该金属层之间建立导电连接。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括以一绝缘层覆盖该金属层，其中所述金属层的一部分透过所述绝缘层裸露在外，以实现所述金属化热成型连接器组件与所述金属层的电气接触。

3.根据权利要求1所述的方法，其中的热蒸发步骤包括沉积厚度介于1/10μm与12μm之间的所述金属层。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括使至少一条导电引线与所述金属层相接触。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述连接器包括一个用于连接接地壳体的连接器引脚组件，其中所述金属化热成型连接器组件以可拆卸方式安装在所述连接器引脚组件上。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属化热成型连接器组件在内、外表面中至少一面上进行金属化。

7.根据权利要求1所述的方法，其中连接步骤包括将该金属化热成型连接器组件搭扣装配或过盈装配在所述连接器和金属层上。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属化热成型连接器组件包含用以实现该金属层与该金属化热成型连接器组件间接触的若干个隆起物。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述隆起物的间距和高度均不大于任何有害EMI辐射波长的一半。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括将一聚合物基底热成型为所述热成型连接器组件。

11.根据权利要求1所述的方法，包括将一金属层真空金属化在所述热成型连接器组件上。

12.根据权利要求1所述的方法，包括通过经由所述介质基底内的一个通孔电接触所述导电引线之一，使所述介质基底上的金属层接地。

13.一种电缆屏蔽方法，所述电缆包括多条封装在一介质基底内的导电引线，该方法包括：

将一金属层真空金属化在所述介质基底上；以及

使所述真空金属化金属层接地。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

将一聚合物基底热成型为一个热成型连接器组件；

将一金属层真空金属化在所述热成型连接器组件的一个内表面上；以及

使所述热成型连接器组件的真空金属化金属层与所述介质层周围的金属层进行电气接触，以建立一个导电连接。

15.根据权利要求14所述的方法，其中使所述介质基底周围的金属层接地包括使所述热成型连接器组件与所述介质层及一个接地壳体相接触。

16.根据权利要求14所述的方法，其中的热成型步骤包括在所述热成型连接器组件的内表面上形成多个隆起物。

17.根据权利要求14所述的方法，其中所述电缆包括一个位于所述电缆一端的引脚连接器组件，其中所述热成型连接器组件的形状与所述引脚连接器组件的外表面形状一致。

18.根据权利要求14所述的方法，其中的热成型步骤包括在所述热成型连接器组件内形成若干个肋。