La guía definitiva de materiales de blindaje EMI: Imprescindible para ingenieros

Introducción: Por qué el apantallamiento EMI es innegociable en la electrónica moderna

La era moderna se caracteriza por la difusión de los dispositivos electrónicos. Los circuitos se utilizan con más frecuencia y en mayor proximidad que nunca, en una amplia gama de sistemas aeroespaciales de misión crítica y en la electrónica de consumo cotidiana. Este espacio electrónico de alta densidad ha producido un subproducto inevitable: las interferencias electromagnéticas (EMI). La EMI, y su equivalente en radiofrecuencia (RFI), no es una molestia insignificante, sino una amenaza para la funcionalidad, fiabilidad y seguridad de los sistemas electrónicos.

Una EMI incontrolada puede traducirse en una mala calidad de la señal, corrupción de datos, fallo total del sistema e incapacidad para cumplir las normas de Compatibilidad Electromagnética (EMC), lo que se traduce en la no conformidad con las normas reglamentarias exigidas, como la Parte 15 de la FCC. Para el ingeniero de diseño, este fenómeno invisible no puede controlarse como un paso final opcional, sino como una disciplina de diseño fundamental en la que la elección correcta de los materiales desempeña un papel crítico. La principal técnica para garantizar que un dispositivo funcione como es debido en su entorno electromagnético previsto sin causar interferencias ni ser vulnerable a ellas es un blindaje EMI eficaz.

Esta guía ofrece una visión general de los materiales que pueden utilizarse en esta tarea, los principios que rigen su uso y la importante conexión entre la elección de los materiales y la precisión de la fabricación. Pretende ser un material de referencia para los ingenieros que deben diseñar productos electrónicos fiables y conformes.

Los principios básicos: ¿Cómo funcionan realmente los materiales de blindaje EMI?

Fundamentalmente, el apantallamiento EMI es el acto de reducir la radiación electromagnética encerrando una fuente y una víctima con un blindaje conductor o magnético. El material de blindaje es una barrera que bloquea la transmisión de energía electromagnética de dos formas principales, que son la reflexión y la absorción.

Cuando una onda electromagnética, portadora de señales electromagnéticas, se refleja en una superficie conductora de metales conductores, parte de su energía se refleja. El éxito de esta reflexión depende directamente de la conductividad del material y de la diferencia de impedancia entre la onda y el blindaje. Los campos eléctricos se reflejan bien en materiales muy conductores, como el cobre y el aluminio.

La parte no reflejada de la onda atraviesa el material de blindaje y provoca corrientes. Cuando estas corrientes atraviesan el material resistivo, la energía se transforma en calor, lo que se denomina absorción. La tasa de absorción depende del grosor, la conductividad y la permeabilidad magnética del material. Los materiales de alta permeabilidad magnética, como el acero y el mu-metal, son especialmente útiles para absorber campos magnéticos de baja frecuencia.

El producto de la energía perdida por reflexión y absorción es la eficacia total de apantallamiento (SE) de un material, que suele expresarse en decibelios (dB). Un blindaje de 30 dB disminuye la intensidad de campo en 96,8% y un blindaje de 60 dB la disminuye en 99,9%. La aplicación más extendida de estos principios es la jaula de Faraday, una jaula construida con una sustancia conductora que encierra por completo los componentes electrónicos sensibles o emisores, formando una zona de aislamiento electromagnético.

Principales tipos de materiales de blindaje EMI

La selección de un material de blindaje EMI depende de las necesidades específicas de la aplicación, como la frecuencia de la interferencia, la atenuación necesaria y las limitaciones mecánicas y ambientales. Los materiales disponibles pueden clasificarse en varias formas, y cada una de ellas ofrece ventajas únicas.

Recubrimientos, pinturas y tintas conductoras

En los casos en que los dispositivos están encerrados en carcasas no conductoras, como plásticos, el revestimiento conductor ofrece una forma viable de desarrollar un blindaje. Estos materiales están hechos de un aglutinante, por ejemplo, acrílico, epoxi o uretano, relleno de partículas conductoras. Los rellenos más comunes son níquel, cobre, plata y grafito. El cobre es un buen conductor con un precio moderado, el níquel es duradero y resistente a la corrosión y la plata es el mejor con el mayor rendimiento a un precio elevado. Estos acabados suelen pulverizarse, cepillarse o aplicarse sobre el interior de una caja. Se utilizan principalmente para crear una capa conductora que refleje las ondas electromagnéticas y convertir así una carcasa de plástico en una jaula de Faraday.

Elastómeros conductores, juntas y siliconas

Las principales fuentes de fugas de EMI son los huecos y costuras en un recinto blindado, por ejemplo, alrededor de puertas, paneles y conectores. Los elastómeros conductores se crean para cerrar estos huecos y seguir permitiendo la continuidad eléctrica a través de la costura. Se trata de materiales compuestos, normalmente de silicona o elastómero de fluorosilicona rellenos de partículas conductoras. Las partículas pueden ser de plata, aluminio plateado, cobre plateado o níquel-grafito. El elastómero ofrece sellado ambiental al polvo y la humedad, y el relleno conductor ofrece la vía de apantallamiento EMI. Están disponibles en una amplia gama de formas, como perfiles extruidos, juntas tóricas moldeadas y juntas planas troqueladas, y son muy versátiles para sellar juntas complejas.

Cintas y láminas de blindaje EMI

Las cintas y láminas de apantallamiento EMI son una solución cómoda y buena para el apantallamiento localizado, la envoltura de cables o el sellado de costuras en prototipos. Estos productos consisten en una fina lámina metálica, normalmente de cobre o aluminio, soportada por un adhesivo conductor sensible a la presión (PSA). El adhesivo conductor es muy importante, ya que ofrece un conducto eléctrico de baja impedancia entre la cinta y el sustrato. Las cintas son una forma rápida y sencilla de sellar discontinuidades de apantallamiento, poner a tierra piezas y envolver cables que pueden irradiar o ser susceptibles de EMI. Están disponibles en varios grosores y anchuras para adaptarse a diversas aplicaciones.

Tejidos de blindaje y espumas metálicas

Los tejidos conductores y las espumas metálicas ofrecen soluciones especiales en aplicaciones que necesitan un blindaje ligero, flexible o transpirable. Los tejidos conductores se tejen o recubren con materiales conductores como níquel, cobre o plata. Pueden servir como barreras arquitectónicas de toda una habitación, envolturas flexibles de cables o como sustancia de juntas suaves y cómodas. Las espumas metálicas son estructuras ligeras que tienen buenas propiedades de apantallamiento y están hechas de níquel o cobre, pero son rígidas. Su diseño de célula abierta permite el flujo de aire y la disipación del calor, y pueden utilizarse en respiraderos y filtros apantallados donde se necesita ventilación sin afectar a la integridad del apantallamiento.

Metales sólidos (acero, aluminio, cobre, níquel): La base del blindaje estructural

No hay nada mejor que una caja estructural de metal macizo cuando se necesita la máxima durabilidad y una gran eficacia de blindaje. Estos materiales son la base del blindaje EMI de una amplia variedad de componentes electrónicos industriales, médicos y militares. Todos los metales tienen propiedades diferentes:

• Aluminio: Tiene una buena combinación de alta conductividad, bajo peso, razonable resistencia a la corrosión y fabricación. Es muy eficaz en la protección de campos eléctricos y campos magnéticos de alta frecuencia.
• Acero (incluido acero inoxidable): Es más resistente estructuralmente y es muy eficaz en el apantallamiento de campos magnéticos de baja frecuencia porque tiene propiedades magnéticas favorables y una alta permeabilidad magnética. Es una opción económica para cerramientos resistentes.
• Cobre: Las variantes de cobre y aleaciones de cobre ofrecen la mejor conductividad de los metales estructurales típicos, y ofrecen características de blindaje superiores, especialmente contra campos eléctricos. Su mayor peso y coste tienden a mantenerlo en uso en aquellas áreas donde se necesita el máximo rendimiento.
• Níquel: Tiene buena resistencia a la corrosión y blindaje contra campos magnéticos de baja frecuencia porque es ferromagnético. Aunque no es un material estructural común a granel, a diferencia del acero, se utiliza ampliamente como chapado protector y conductor sobre otros metales, mejorando su durabilidad y conductividad en la superficie.

Éstos son los metales que forman la base de las jaulas de Faraday más resistentes, tanto pequeñas latas sobre un tablero como grandes armarios para montaje en bastidor. Sin embargo, el rendimiento final de un blindaje de este tipo no depende del material en sí.

Cómo seleccionar el material de blindaje EMI adecuado: Lista de comprobación para ingenieros

La elección del material adecuado implica un análisis metódico de diversos factores concurrentes. La siguiente lista de comprobación te ayudará a tomar una decisión:

• Eficacia de apantallamiento requerida (SE): Averigua la atenuación necesaria (en dB), y la amplia gama de frecuencias de la interferencia. ¿Se trata de un campo magnético de baja frecuencia o de un campo eléctrico de alta frecuencia? Este será el factor determinante a la hora de elegir el material.
• Medio ambiente Condiciones: ¿Necesita el dispositivo trabajar en un entorno corrosivo, a alta temperatura o con mucha humedad? Tenga en cuenta la compatibilidad de los materiales y la necesidad de chapados protectores o determinados elastómeros, como la fluorosilicona.
• Requisitos mecánicos: ¿Cuáles son los requisitos estructurales? Tenga en cuenta el peso, la resistencia, la durabilidad y la flexibilidad. ¿Se someterá la pieza a vibraciones o choques?
• Galvánica Compatibilidad: Cuando vayan a estar en contacto metales diferentes, consulte una tabla de series galvánicas para evitar la corrosión, que puede mermar el rendimiento del apantallamiento con el tiempo.
• Factor de forma y uso: ¿Cuál es el factor de forma, las limitaciones de espacio y los casos de uso? ¿Necesita recubrirse en una carcasa de plástico, sellarse, envolver un cable o construirse en una caja completa? Las opciones de material se verán reducidas en gran medida por la forma de aplicación.
• Coste y fabricabilidad: Evalúe el coste global, que es el coste de la materia prima y de los procesos de fabricación que serán necesarios. Un material difícil de moldear o fabricar y de alto rendimiento puede no ser la mejor solución.
• Cumplimiento de la normativa: Determine los requisitos industriales (por ejemplo, MIL-STD, DO-160, CISPR) que sean necesarios.

Errores clave en el diseño del apantallamiento: Breve resumen

Ni siquiera los mejores materiales funcionarán si el diseño tiene fallos que son errores comunes. En esta parte se expondrán brevemente los principales errores que hay que evitar.

• Fuga de apertura: Cualquier orificio o hueco en un blindaje puede servir como antena de ranura, donde la EMI puede filtrarse hacia dentro o hacia fuera. Se trata de orificios de ventilación, costuras y recortes del panel de E/S. La frecuencia a la que cualquier abertura se filtrará depende de la dimensión más larga de la abertura.
• Inadecuado Conexión a tierra: El camino a tierra de una pantalla debe ser de baja impedancia para ser eficaz. Una conexión a tierra inadecuada puede provocar que la propia pantalla actúe como radiador.
• Corrosión galvánica: Como se ha indicado anteriormente, la unión de metales distintos sin la debida consideración puede dar lugar a un efecto batería, que provoca corrosión y una grave pérdida de eficacia de apantallamiento en la unión.
• Penetración de cables: Los cables que entran o salen de una caja blindada deben estar filtrados y blindados para garantizar que no conducen EMI a través de la barrera.

Para saber más sobre los principios de la Blindaje EMI y el diseño de una fuerte EMI caja blindadapuede consultar nuestras guías específicas para obtener un análisis más detallado.

De material a misión crítica: por qué la fabricación de precisión es la clave para activar el rendimiento del blindaje

La eficacia teórica del blindaje de un material es muy diferente del rendimiento real de un producto acabado. La calidad y precisión del proceso de fabricación determinan esta diferencia. Un ingeniero puede elegir el mejor grado de aluminio o acero; sin embargo, si la carcasa producida contiene agujeros, huecos, curvas o recortes imprecisos, el rendimiento se verá muy afectado.

Aquí es donde la fabricación de precisión se hace indispensable, traduciendo un diseño en una realidad física que mantenga la integridad de la jaula de Faraday. Como fabricante líder de chapas metálicas para los sectores de la automoción, la medicina y la energía, TZR destaca en esta tarea crítica. Trabajando con materiales como el acero, el acero inoxidable, el aluminio y el cobre, nuestros procesos alcanzan tolerancias de precisión de hasta ±0,02 mm, lo que garantiza costuras perfectamente acopladas y elimina los defectos que degradan el apantallamiento.

Asociarse con un especialista en fabricación es una ventaja estratégica. El equipo especializado en diseño para la fabricación (DfM) de TZR proporciona información experta para optimizar su diseño con el fin de obtener el máximo rendimiento y rentabilidad. Nos comprometemos a resolver los retos de nuestros clientes, garantizando que el producto final no sea una simple caja metálica, sino una solución de blindaje de alto rendimiento y misión crítica que ofrezca el máximo valor.

Aplicaciones reales de los materiales de blindaje EMI en distintas industrias

Los principios y materiales de blindaje EMI se utilizan en todas las industrias tecnológicas clave con sus propios retos.

• Aeroespacial y defensa: La fiabilidad es lo más importante en esta industria. Los aviones y los sistemas militares están cargados de aviónica sensible, equipos de comunicaciones y sistemas de radar sometidos a un entorno de ruido electromagnético extremo. El blindaje debe ser resistente, ligero y no verse afectado por las duras condiciones ambientales. Las carcasas de aluminio fabricadas con precisión y las juntas conductoras son estándar.
• Productos sanitarios: Los dispositivos médicos, como las máquinas de resonancia magnética y los sistemas de monitorización de pacientes, no deben ser susceptibles de sufrir interferencias de otros dispositivos y no deben producir IEM que puedan interferir con otros equipos importantes. Otros requisitos importantes son la biocompatibilidad y la resistencia a la esterilización. Son habituales las carcasas de acero inoxidable, los acabados conductores en plásticos de calidad médica y las juntas especiales.
• Automoción (en particular VE): El automóvil contemporáneo es una red de unidades de control electrónico (ECU). Los vehículos eléctricos presentan inversores potentes, sistemas de baterías de alto voltaje y circuitos de carga rápida de alto voltaje, que son fuentes importantes de IEM. Estos componentes requieren un fuerte blindaje, normalmente con carcasas de aluminio fundido o fabricado, para salvaguardar los sistemas de infoentretenimiento, navegación y seguridad del vehículo.
• Telecomunicaciones (5G/IoT): La infraestructura 5G y el Internet de las cosas (IoT) conllevan la implantación de grandes poblaciones de dispositivos de alta frecuencia y baja potencia en entornos densos. El blindaje a nivel de placa con pequeñas latas metálicas estampadas es esencial para evitar la diafonía y garantizar la integridad de la señal. Las estaciones base a nivel de infraestructura necesitan grandes recintos bien ventilados con alto apantallamiento.

El futuro del apantallamiento: Materiales y tendencias emergentes

El apantallamiento EMI es un campo en constante desarrollo, en el que influyen las necesidades tecnológicas particulares que superan los límites de los materiales convencionales. Las principales tendencias que definen este futuro son:

• En Empuje a frecuencias más altas: El despliegue de las tecnologías 5G y 6G se basa en bandas de frecuencia más altas. Esto requiere un material de apantallamiento eficiente en longitudes de onda más cortas, donde incluso pequeñas discontinuidades pueden arruinar el rendimiento.
• Miniaturización incesante: Con los dispositivos electrónicos cada vez más pequeños y potentes, los componentes se apilan en disposiciones cada vez más compactas. Esto aumenta la posibilidad de diafonía interna, lo que exige soluciones de blindaje más finas, ligeras y adaptables a nivel de placa y chip.
• La aparición de la electrónica flexible: Las pantallas flexibles, la tecnología ponible y los textiles inteligentes necesitan blindajes no rígidos. Deben ser materiales que puedan doblarse, estirarse y moverse sin perder la integridad del blindaje.

A su vez, la investigación se orienta hacia materiales más ligeros, flexibles y baratos. Los nuevos materiales a tener en cuenta son:

• Grafeno y MXenos: El grafeno y los MXenos son materiales bidimensionales con una conductividad muy elevada en espesores muy finos, que pueden utilizarse para proporcionar blindajes ultraligeros y transparentes.
• Polímeros conductores: Los polímeros y compuestos intrínsecamente conductores ofrecen la posibilidad de fabricar carcasas blindadas mediante moldeo por inyección, lo que combina la flexibilidad de diseño de los plásticos con la capacidad de blindaje de los metales.
• Nanocompuestos: Los ingenieros pueden fabricar materiales con propiedades de blindaje ajustables incorporando nanopartículas como nanotubos de carbono o nanocables de plata a matrices poliméricas, y estos materiales tienen una amplia gama de aplicaciones.

Conclusión: El camino hacia un producto blindado sin defectos

Un buen apantallamiento EMI no es una decisión aislada, sino un procedimiento global de ingeniería. Comienza con una sólida comprensión de los principios de atenuación, sigue con un análisis sistemático y la elección del material adecuado para la aplicación, y finalmente se consigue mediante un diseño y una fabricación de alta precisión. El mejor material no es mejor que la carcasa que fabrica. Las grietas, los ajustes imprecisos y la falta de conductividad superficial siempre comprometerán el rendimiento.

La clave del éxito reside, pues, en un doble enfoque: seleccionar el material adecuado y colaborar con un especialista en fabricación que sea capaz de transformar ese material en un blindaje impecable. Esta sinergia garantiza que su producto no sólo funcionará en el entorno para el que ha sido diseñado, sino que además será totalmente compatible con la CEM y satisfará las exigentes normas de los requisitos reglamentarios mundiales. Si está dispuesto a convertir su diseño en una solución apantallada sólida y conforme, le invitamos a hablar con nuestro equipo de ingeniería para analizar su capacidad de fabricación y apantallamiento.

Preguntas frecuentes

P: ¿Qué materiales se utilizan en el blindaje magnético?

A: El blindaje magnético requiere materiales con alta permeabilidad magnética para absorber y redirigir los campos magnéticos de baja frecuencia. Los materiales más eficaces son las aleaciones de níquel-hierro de alta permeabilidad (como el Mu-metal). Para la mayoría de las aplicaciones, el acero es una opción excelente y rentable por su contenido en hierro.

P: ¿Qué material bloquea los CEM?

A: Los CEM están formados por campos eléctricos (E) y magnéticos (H), que se bloquean de forma diferente:

• Los campos E se bloquean mejor con materiales altamente conductores como el cobre y el aluminio, que reflejan la energía.
• Los campos H se bloquean mejor con materiales de alta permeabilidad como el acero y el mu-metal, que absorben la energía.
• Para el blindaje de uso general, el acero y el aluminio ofrecen el rendimiento más equilibrado.

P: ¿Qué materiales se utilizan en un EMI filtro?

A: Los filtros EMI suprimen el ruido conducido por los cables y son componentes electrónicos fabricados con:

• Ferritas: Son materiales de núcleo para inductores y choques que bloquean el ruido de alta frecuencia.
• Dieléctricos: Se utiliza en condensadores para derivar el ruido a tierra.
• Carcasa metálica: Todo el filtro suele estar encerrado en una carcasa blindada de acero o aluminio.

P: ¿Cuál es el mejor material de blindaje EMI?

A: No existe un único "mejor" material; la elección óptima depende siempre de la aplicación.

• Para campos eléctricos de alta frecuencia, lo mejor es el cobre o el aluminio.
• Para campos magnéticos de baja frecuencia, lo mejor es acero o Mu-metal.
• Para sellar las costuras, la mejor solución es una junta conductora.

Utilice la lista de comprobación de ingeniería de esta guía para determinar el mejor material para su proyecto específico.