淺談極低頻磁場的防治 - 讓作業機台減少電磁波影響

FOREWORD 前言

為何要對電磁波中的極低頻磁場特別關注 ? 因為在 Fab 裡處處有低頻的大電流 power cable，由畢奧沙伐特或安培環路定律可知載流導線會在其四周建立一磁場，另外 Fab 裡還有很多的變壓器，其操作原理是原線圈產生磁通變化透過鐵心傳至副線圈由法拉第定律產生感應電壓電流，過程中變壓器也會對四周環境散失所謂的迷失場 (Stray field) 即磁場。甚至一些需大電流作業的機台，好比 Implanter, Diffusion, Etching 等，亦是 Fab 裡的磁場雜訊來源。為了使 Fab裡的機台作業正常，對極低頻磁場的屏蔽防制更是不可輕忽。圖1 是用 Magnet 的軟體來計算模擬 60 Hz，1800 A的 power cable tray 在 2D 空間的磁場分布圖，根據模擬結果須距 cable tray > 6.5 m，磁場才會 < 3 mG。

圖1、POWER CABLE TRAY 在2D空間的磁場分布圖

電磁波屏蔽防治的原理有 : 吸收 (A) 是因電磁波在屏蔽材料中產生渦電流，將電磁波能量以熱能耗散，另一種吸收作用是將電磁波導向別的方向，特別是對磁場 ; 反射 (R) 是因電磁波激發屏蔽材料表面的電子震盪，再以與入射波相同的電磁波頻率輻射出去 ; 還有一項是電磁波在屏蔽板中多重返射的補償係數(C)， 此值會降低屏蔽效果。所以屏蔽防制的效應 (shielding effect) S ( 單位 dB) = A (absorption) + R (reflection) + C (correction factor)。在計算屏蔽時應考量距離 ( 近場，遠場 ) 因素，如果在近場範圍即電磁場雜訊源與受害機台相距 <λ/ 2π( λ: 極低頻電磁場的波長，好比 1 kHz, < 5×10⁴ m ) 時，還須用電磁場分析儀確認是電場 E 優勢或是磁場 H 優勢 (∣E∣/∣H∣> 377Ω 電場優勢，∣E∣/∣H∣< 377Ω 磁場優勢，377Ω 為自由空間電磁波阻抗 )。

只要是載流導線都會在其四周建立一磁場，好比在Fab 裡的 power cable，所以當低壓高電流的情形，依電磁學馬克士威方程式計算可得 : 在近場距離內磁場優勢 S = A + Rm + C = 8.69 ( t / δ)+ [ 20 log (1- exp2t/δ) ] + [20 log(1- exp-2t/δ)]^[2]，式中 t：屏蔽材料厚度，δ( 集膚深度 skin depth，電磁波可穿透材料表面的深度 ( 強度衰減 1/e))： [ (1/fµσ) ^0.5 ]， f：電磁波頻率 µ: 相對於銅的磁導率，σ: 相對於銅的電導率。用一般常見材料的係數帶入上式，可知近場磁場優勢時主要屏蔽是來自 A 項的吸收損失作用 , 但其值也不是很大 ( 對常見屏蔽材料相較於電場優勢 S 可達 50 dB( 濾掉 99.999%)，但磁場優勢 S 通常只有約 30 dB( 濾掉 99.9%) 以下，見圖2^[3])，故低頻磁場屏蔽較為困難。

圖2、X-METAL高導磁軟板(含Ni , Fe等材料) 的屏蔽數據

由 A 項的吸收損失作用 8.69 ( t/δ) 式子中的δ= (1/fµσ)^0.5 來看，一般金屬材料的電導率相差不過20 - 30倍，但磁導率卻可相差達200倍以上 ( Fe相對於銅的電導率 = 0.19，Fe相對於銅的磁導率 = 200-5000)^[4]，再舉個例子來看：60 Hz 的AC磁場，幾種金屬材料的集膚深度 (單位mm)分別是 Cu：15，Al：19.2，Fe：2.44，Mumetal (鎳鐵合金的一種，相對於銅的磁導率 = 20000)：0.63，也就是說若要屏蔽60 Hz 的磁場雜訊透過吸收來達成8.69dB 的屏蔽效果，需用15 mm 厚的Cu 板，而Mumetal 只需用0.63mm 厚。那為何磁性材料的低頻磁場屏蔽效果較佳，還有什麼是磁性材料? 一般物質可分成順磁，逆磁? 還有鐵磁性物質，何謂順磁，逆磁，還有鐵磁性物質：對一中空螺線管通電，可於螺線管外測得一磁場 H= 0.5 (µo NI / L)， µo：真空磁導率，N：螺線管匝數， I：電流大小，L：螺線管長度，今在螺線管中分別插入不同圓柱形物體 (M)，再測其磁場強度 ( B ) = H + 4πM 圖3，當 B = H 表螺線管中無物質，B略大於H螺線管中物質為順磁性物質paramagnet (W，Al)， B略小於H螺線管中物質為逆磁性物質diamagnet (Cu，Ag)，B>100H螺線管中物質為鐵磁性物質ferromagnet (常見的Fe，Co and Ni)，鐵磁性物質可視為導磁良好的物質 圖4，也可當成磁阻抗很小的物質，成為空間磁力線的好通道。好比電流會走電阻小的物質。

圖3、材料磁性的驗證方法

圖4、磁力線(磁場)流經不同物質的情形

舉個例來說圖5：在一磁鐵下方隔著一中空長方體可吸住一鐵釘，將玻璃，鋁，或木片插入此中空長方體鐵釘依然會被吸引，可是當插入一鐵板，鐵釘卻不再被吸引而掉落，這是因為磁鐵的磁力線 (用來說明磁場大小)被鐵板導向兩旁而不在指向鐵釘。

圖5、磁力線被磁性物質導走的實驗

除了選用導磁良好的隔磁材料來屏蔽外，材料的放置方向正確與否也會有不同的屏蔽效果，對一個理想導磁材料（µ= ∞, Perfect Magnetic Conduc-tor, PMC）而言，磁力線會垂直於其邊界，也就是其平面之磁場強度切線分量為零(Htangent = 0)。至於理想導電材料(σ= ∞, Perfect Electric Conductor, PEC)，磁力線會平行於其邊界，簡單的說就是其平面之磁場強度垂直分量為零(Hnormal= 0)。這說明了為何圖6的左圖中若磁場使用高導磁材料，會有較好的屏蔽效果，因為有大量平行於板面的磁力線，會受高導磁材料之吸引而轉向往垂直的方向，其路徑因而受到改變，產生屏蔽效果。至於圖6的右圖中，因垂直於高導電材料之磁力線因受到渦流所產生之磁力線排擠而轉向，同樣的產生了遮蔽效果^[5]。

圖6、上 / 隔板與導線方向平行(高導磁材料)，下 / 隔板與導線方向垂直(高導電材料)

但在 Fab 裡電磁波雜訊往往來自各方向，所以屏蔽材料由高導電和高導磁的物質混合搭配，會有更佳屏蔽效果，好比文獻 ^[6]( 圖7 ) 以 U 型遮板來屏蔽電源磁場雜訊就是用 U 型矽鋼遮板 (Si-Fe plane)搭配鋁板作內襯得到最佳屏蔽效果。上述的矽鋼板其相對於銅的磁導率可達 2500，是工業界常用的隔磁板，價格也較 mumetal 便宜許多。

圖7、上 / U型矽鋼遮板搭配鋁板作內襯，下 / 屏蔽效果(A, B..為遮板內不同測量點)

CONCLUSION 結論

低頻磁場的電磁波屏蔽除了文中的介紹，最好事先要釐清雜訊源和受害物以及雜訊傳播的方式，若雜訊是以輻射的方式傳播，則屏蔽隔板的裝置能愈靠近雜訊源或受害物其一，還有屏蔽隔板包裹的方式要緊密，不光是屏蔽效果好亦可節省空間和降低屏蔽成本，好比某些電子束作業機台 (Auger) 為降低低頻磁場的干擾已在腔體上濺鍍 mumetal 薄膜。本文中的簡介主要是以被動屏蔽 (passive shielding) 方式來減少 EMI 的影響，另外也有用主動屏蔽 (active shielding) 方式，即透過一電磁波感應器偵測出影響機台的電磁波，然後由控制電路輸出訊號至圍繞機台的天線，發射與雜訊反相的電磁波，利用波的干涉性來達成屏蔽效果。不論用哪種方式，在 Fab 裡要使機台作業正常，先要有良好的電磁波即時監視系統，唯有找出問題在哪，才能有效防止 EMI。