疊層型片式磁珠的特性及其應(yīng)用.doc

1前言各種電子線路中，電磁干擾源產(chǎn)生的電磁干擾雜波，通過傳導(dǎo)和輻射途經(jīng)對線路其它部分或其它電子線路產(chǎn)生電磁干擾。這一過程中導(dǎo)線起了重要作用，一英寸長的導(dǎo)線在100MHz頻率下的電感量約為20nh，其感抗約為126，這是不可忽視的。為了消除電磁干擾，方法之一就是在有源和無源電子元器件的引線上套上一些很小的管形或環(huán)形的軟磁鐵氧體磁芯，利用鐵氧體材料的電磁損耗機理有效地消除傳導(dǎo)和輻射的電磁干擾噪聲。這種抗電磁干擾的方法既簡便又有效，而且成本很低，所以獲得了十分廣泛的應(yīng)用。由于串在引線上用于抗電磁干擾的鐵氧體小管或小環(huán)有些像一串珍珠，所以它們得到了一個很形象化的名稱磁珠（Bead）。近年來表面貼裝技術(shù)（SMT）迅速崛起，傳統(tǒng)的插裝電路逐步被SMT電路替代，絕大部分帶引線的電子元器件均已片式化，變成了無引線或短引線的片式電子元器件。這樣一來，上述的傳統(tǒng)磁珠（鐵氧體小管或小環(huán)）已無法在SMT電路中應(yīng)用。為了解決這一困難，國外一些著名的電子元器件公司，如美國的AEM公司、Coilcraft公司、日本TDK、村田、太陽誘電、Tokin等公司，先后開發(fā)了片式磁珠（ChipBead）和片式電感器（ChipInductor），以滿足SMT電路的需求。實質(zhì)上，磁珠就是一個填充磁芯的電感器，利用它的阻抗|Z|在高頻下迅速增加的特性和磁性材料的電磁損耗機理來抑制和吸收高頻噪聲，從而達到抗電磁干擾的目的。片式磁珠/電感器按結(jié)構(gòu)可分為兩大類，即疊層型片式磁珠電感器（MultilayerChipBead/Inductor，簡稱MLCB/MLCI）和繞線型片式磁珠/電感器（WoundChipBead/Inductor）。疊層型片式磁珠電感器是近年來發(fā)展起來的一種高新技術(shù)產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出，導(dǎo)體線圈完全被磁性鐵氧體介質(zhì)包圍，形成一種獨石結(jié)構(gòu)。當(dāng)電流通過時，激勵的磁力線幾乎完全被屏蔽在其內(nèi)部，而不會干擾鄰近的其它電子元器件。兩端的端頭是端電極，與內(nèi)部的導(dǎo)體線圈連通。端電極由三層金屬導(dǎo)體構(gòu)成，里層是銀，中間層是鎳，外層是焊錫，也稱為三層鍍端電極，既適用于波峰焊，也適用于再流焊。此外，這種獨石結(jié)構(gòu)具有體積小、緊湊、可靠性高等優(yōu)點，外形尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的要求（與片式電容器和片式電阻器完全相同），并且規(guī)格齊全、價格低廉，所以獲得了廣泛的應(yīng)用。繞線型片式磁珠/電感器的最大缺點是磁路不屏蔽，當(dāng)電流通過時激勵的磁力線“外溢”，可能干擾鄰近的電子元器件，而且其纖細(xì)的繞線結(jié)構(gòu)的可靠性較差。本文著重介紹疊層型片式磁珠的特性及其應(yīng)用。圖1 疊層型片式磁珠/電感器的結(jié)構(gòu)圖2鐵氧體材料的典型磁譜曲線2疊層型片式磁珠的結(jié)構(gòu)及基本特性疊層型片式磁珠的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由金屬導(dǎo)體線圈及其周圍的鐵氧體磁性介質(zhì)組成。設(shè)沒有磁性介質(zhì)時金屬導(dǎo)體線圈的電感為L0，當(dāng)周圍填充磁導(dǎo)率為的鐵氧體之后，其阻抗Z為：Z=R0jL0(1)式中R0為歐姆電阻，=2f為的角頻率。交變電磁場中，由于存在損耗，鐵氧體中的磁場強度H與磁感應(yīng)強度B不是同位相的，所以，此時的磁導(dǎo)率不再是一個實數(shù)，而是一個復(fù)數(shù)，即=j(2)式中就是通常所說的磁導(dǎo)率，則表示鐵氧體材料的損耗，Q=/稱為品質(zhì)因素。、與鐵氧體材料的配方組成、微觀結(jié)構(gòu)、制備工藝、所用原材料等諸多因素有關(guān)，是表征鐵氧體特性的主要參數(shù)。、均是角頻率的函數(shù)，圖2是典型的鐵氧體磁譜曲線。當(dāng)頻率達到r時，迅速下降，迅速上升，r稱為鐵氧體材料的臨界頻率。將式(2)代入式(1)，則得Z=R0j(j)L0=(R0L0)jL0=RjXL（3)|Z|=（R2XL2）0.5(4)式中R為等效電阻,XL為感抗。由于、均為頻率的函數(shù)，所以|Z|、R、XL也都是頻率的函數(shù)。通過簡單計算，可以得到圖3所示的結(jié)果：在低頻段，|Z|隨線性上升；當(dāng)達到高頻段時，|Z|趨于飽和值2L0S；在臨界頻率r處，|Z|為最大值的，其中S為一個與鐵氧體性能有關(guān)的參數(shù)。實際上由于導(dǎo)體線圈間不可避免地存在著分布電容，所以當(dāng)很高時，會出現(xiàn)自諧振現(xiàn)象，|Z|將下降，如圖3中的虛線所示，有時也會出現(xiàn)尖銳的峰值。圖4是美國著名的AEM公司生產(chǎn)的0603片式磁珠的特性曲線，與圖3相比較后可得出結(jié)論：理論計算曲線與實際情況是相當(dāng)吻合的。從圖4可以看出，在低頻段，|Z|值很小，信號可以通過；在高頻段，|Z|上升到較大值，如100MHz時，可達上千歐姆，而且呈電阻性。這樣，高頻干擾噪聲將被磁珠吸收，轉(zhuǎn)變成熱能散發(fā)出去，從而達到抗電磁干擾的目的。3疊層型片式磁珠的制造工藝技術(shù)疊層型片式磁珠電感器的制造工藝技術(shù)主要有以下三種。3.1內(nèi)連接技術(shù)（濕法）這是美國AEM公司近年發(fā)明的一項重要的專利技術(shù)，有人譯成優(yōu)先連接技術(shù)或通路形成技術(shù)。此技術(shù)的特點是依靠相關(guān)材料的物理、化學(xué)特性完成層間連接，而不是依靠機械方法連接。內(nèi)連接工藝技術(shù)的簡要過程是：將性能良好的低燒結(jié)溫度鐵氧體磁粉制成漿料，印刷成鐵氧體膜，并在其上印制銀漿料導(dǎo)體線圈，然后再印制一層鐵氧體膜和銀漿料導(dǎo)體線圈，在設(shè)定位置上利用物理、化學(xué)方法使鐵氧體穿孔，這樣兩層銀漿料導(dǎo)體線圈在穿孔處圖3|Z|理論曲線圖4美國AEM公司的06031608片式磁珠的特性曲線得以連通。重復(fù)上述工藝步驟，就可制成多達數(shù)十層的疊層結(jié)構(gòu)。其后通過再切割、排膠、燒結(jié)、倒角、制端電極、檢測、編帶等后續(xù)工序，即可完成全部制備工藝流程。-|Z|.XL-R圖4美國AEM公司的0603/1608片式磁珠的特性曲線這種獨特的專利技術(shù)可以說是獨具匠心，是疊層技術(shù)的一個突破。它具有工藝流程簡化、可靠性高、生產(chǎn)效率高、成本低等許多優(yōu)點，是目前世界上最先進的疊層工藝技術(shù)。這種新的概念和工藝的出現(xiàn)引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。3.2交迭印刷技術(shù)(濕法)日本TDA公司首先提出這種工藝方法：先在鐵氧體膜上印刷3/4周銀漿料導(dǎo)體線圈,后在1/2周的區(qū)域上印刷鐵氧體膜,將銀漿料導(dǎo)體線圈覆蓋,留下1/4周導(dǎo)體線圈未被鐵氧體膜覆蓋,在此基礎(chǔ)上再印刷第二個3/4周銀漿料導(dǎo)體線圈,然后再在與第一個鐵氧體膜相差180的第二個1/2周的區(qū)域上印刷鐵氧體膜,將銀漿料導(dǎo)體線圈覆蓋,留下1/4周導(dǎo)體線圈未被鐵氧體膜覆蓋,在此基礎(chǔ)上再印刷第三個3/4周銀漿料導(dǎo)體線圈,。用這樣的方法可將鐵氧體膜層間的導(dǎo)體線圈連通，也可通過不斷重復(fù)上述步驟，制備出設(shè)定層數(shù)的疊層結(jié)構(gòu)。再經(jīng)過切割、排膠、燒結(jié)、倒角、制端電極、檢測、編帶等后續(xù)工序，即可完成全部制備工藝流程。這種工藝方法的特點是工藝流程繁多，生產(chǎn)效率低。3.3干膜打孔技術(shù)(干法)將鐵氧體漿料利用流延工藝制成鐵氧體干膜,在干膜的設(shè)定位置上用機械方法打出通孔,在通孔中填充銀漿料,然后在干膜上印制銀漿料導(dǎo)體線圈。將若干片這樣的干膜疊在一起，經(jīng)過疊壓工藝制成疊層結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過切割、排膠、燒結(jié)、倒角、制端電極、檢測、編帶等后續(xù)工序，即可完成全部制備工藝流程。這種工藝方法與使用了多年的多層陶瓷電容器（MLCC）的工藝有著許多共同之處，工藝?yán)^承性強，可以減少設(shè)備投資，但其最大的缺點是在機械鉆孔和疊壓過程中很容易出現(xiàn)微裂、分層、鼓形等缺陷，致使產(chǎn)品的可靠性下降。此外，這種工藝方法要求高精密打孔設(shè)備，而且工序多，效率低，成品率低。據(jù)報道，日本太陽誘電、村田及韓國、臺灣的一些公司都使用這種工藝技術(shù)方法。3.4其它技術(shù)除了上述三種主要的工藝技術(shù)外,還有多種所謂的干濕結(jié)合法,以及日本松下公司1995年在我國申請專利的導(dǎo)體線圈復(fù)印法(專利號：CN1127412A)，這些方法未見在生產(chǎn)中使用。4疊層型片式磁珠的尺寸系列及類別4.1疊層型片式磁珠的尺寸系列疊層型片式磁珠電感器的尺寸系列與片式阻容元件完全一致，符合通用的國際標(biāo)準(zhǔn)。其外形尺寸和焊盤尺寸（推薦）如表1、表2所示。表1疊層型片式磁珠電感器的尺寸系列尺寸EIA/EIAJL/英寸（mm）W/英寸（mm）T/英寸（mm）BW/英寸（mm）0603/160800630.006(1.600.15)0.0310.006(0.800.15)0.300.006(0.800.15)0.140.006(0.360.15)0805/20120.0790.005(2.000.20)0.0490.008(1.250.20)0.0350.008(0.900.20)0.0200.010(0.510.25)1206/32160.1260.008(3.200.20)0.0630.008(1.600.20)0.0430.008(1.100.20)0.0200.010(0.510.25)0402/1005、2210/3225、1806/4516、1812/4532等其余尺寸，按用戶要求提供。表2疊層型片式磁珠電感器在印制電路板上的焊盤尺寸（推薦）片式元件尺寸L/英寸（mm）G/英寸（mm）H/英寸（mm）0603/16080.102(2.6)0.023(0.6)0.031(0.8)0805/20120.118(3.0)0.039(1.0)0.039(1.0)1206/32160.173(4.4)0.087(2.2)0.055(1.4)表4大電流型疊層片式磁珠的性能參數(shù)（美國AEM公司）AWM公司型號阻抗（100MHz）/最大直流電阻/最大電流/mAMCP0603F300300.061000MCP0603F600600.1500MCP0805F07070.023000MCP0805F100100.023000MCP0805F110110.0253000MCP0805F150150.0253000MCP0805F300300.0253000MCP0805F450450.0302000(a)|Z|、XL、R的頻率特性(b)電流對阻抗頻率特性的影響圖5大電流型疊層片式磁珠(MCP0805F300)的特性曲線4.2疊層型片式磁珠的類別按其特性和用途,可以分成以下7類。（1）普通型這是應(yīng)用最廣泛的一類疊層型片式磁珠電感器，其典型特性曲線如圖4所示。表3列出了美國AEM公司生產(chǎn)的06031608規(guī)格產(chǎn)品的性能參數(shù)，通過查閱各生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品目錄可了解其它規(guī)格產(chǎn)品的性能參數(shù)。06031608是目前的主流規(guī)格。表3普通型06031608片式磁珠的性能參數(shù)（美國AEM公司）AEM公司型號阻抗（100MHz）/最大直流電阻/最大電流/mAMCB0603G300300.1400MCB0603G400400.1400MCB0603G600600.2300MCB0603G750750.2300MCB0603G800800.2300MCB0603G900900.3250MCB0603G1011000.3250MCB0603G1211200.3250MCB0603G1411400.3250MCB0603G1511500.3250MCB0603G1811800.3250MCB0603G2212200.3250MCB0603G3013000.35230MCB0603G4214200.4210MCB0603G6016000.45210MCB0603G10210000.6190（2）大電流型由表3可知，普通型磁珠的額定電流只有幾百毫安，但在某些應(yīng)用場合要求額定電流達到幾安培。例如：為了消除計算機卡板電源部分及大電流母線排部分的噪聲，要求磁珠能承受幾安培的電流。為此，選擇適當(dāng)?shù)蔫F氧體材料或者采用低燒結(jié)溫度電子陶瓷材料，并采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧?，制成了能夠承受大電流的疊層型片式磁珠。表4和圖5給出了美國AEM公司產(chǎn)品的性能參數(shù)和頻率特性曲線。最大電流的含義是磁珠溫升不超過20時允許通過的最大電流，雖然此定義不夠嚴(yán)格，但目前世界各國生產(chǎn)廠家均如此理解。（3）尖峰型如圖1所示,疊層型片式磁珠電感器中的線圈是條形導(dǎo)電帶,在條形導(dǎo)電帶之間填充鐵氧體介質(zhì)。鐵氧體不僅是磁性介質(zhì)，而且也是電性介質(zhì)，其介電常數(shù)約在十幾到幾十之間。所以，不可避免地存在分布電容，這樣，一個疊層型片式磁珠電感器的等效電路就是圖6所示的LC并聯(lián)回路。由此可知，在某個頻率必然出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。經(jīng)過精密設(shè)計，可以使諧振峰很尖銳，并且使諧振頻率出現(xiàn)在所希望的范圍，如圖7所示。具有這種特性曲線的磁珠稱為尖峰型。有時電子線路中在某頻率點存在著強烈的干擾噪聲，很難消除。這時，可以在此電子線路中加一個諧振頻率恰巧在干擾噪聲頻點的尖峰型磁珠，從而將這一強烈的干擾噪聲完全抑制。實際表明，這種方法對某些電子產(chǎn)品相當(dāng)有效。圖6疊層型片式磁珠/電感器的等效電路圖7尖峰型磁珠的阻抗頻率特性曲線圖8片式磁珠陣列顯然，不同電子線路、不同用戶對諧振頻率的數(shù)值要求是不相同的。所以，制造廠家難以像對普通型磁珠那樣將尖峰型磁珠的產(chǎn)品系列完整地列出來供用戶選擇，而只能根據(jù)用戶的特殊要求進行設(shè)計，按“量體裁衣”的方式供貨。（4）高頻型近年來電子產(chǎn)品向高頻發(fā)展的趨勢很強烈，計算機、移動通信最為明顯。筆記本電腦中的PCS總線時鐘頻率已經(jīng)從幾十兆赫提高到100MHz以上。如果仍然使用普通型磁珠，那么，三次諧波信號成分將被大量衰減，致使時鐘脈沖信號鈍化，將會引起誤操作。同時，各種電子元器件的頻率都在提高，輻射的電子干擾的頻率往往超過1GHz。在這種情況下，要求將磁珠的抑制EMI的頻率范圍提高，如對500MHz以下的信號頻率成分幾乎無衰減通過，而對1GHz以上的干擾噪聲產(chǎn)生大量衰減。為了適應(yīng)這種要求，各生產(chǎn)廠家及時開發(fā)了高頻疊層型片式磁珠。如美國AEM公司采用高性能、低燒結(jié)溫度電子陶瓷材料作介質(zhì)，并精確設(shè)計導(dǎo)體線圈的結(jié)構(gòu)和尺寸，從而將高阻抗頻率范圍提高到1GHz以上，性能優(yōu)越。日本TDK公司經(jīng)過多年研究，解決了Z型六角晶系鐵氧體的單相問題，研制成功了性能良好的單相六角晶系鐵氧體材料，用這種材料做出了GHz級抑制噪聲的片式磁珠。在500MHz以下，阻抗很??；當(dāng)頻率超過500MHz時，阻抗突然上升。（5）陣列型片式磁珠陣列（ChipBeadsArray)又稱為磁珠排，是在片式磁珠基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新產(chǎn)品。它是在一個0805或1206的片式元件內(nèi)并列24個片式磁珠，如圖8所示。這樣就大大縮小了在PCB上所占據(jù)的面積，有利于高密度組裝。根據(jù)其特性，磁珠陣列同樣可以分為普通型、大電流型、尖峰型、高頻型等類別，它們由相應(yīng)類別的片式磁珠組成。片式磁珠陣列特別適用于有排線的電路，如有多條出線的I/O接口、電源總線母線排、數(shù)據(jù)總線時鐘信號出口等。（6）疊層型片式共模扼流圈把兩組方向相反的線圈繞在一個鐵氧體磁芯上，就構(gòu)成了一個共模扼流圈。利用兩組線圈激勵的磁力線方向相反的特點，這種共模扼流圈在電子線路中具有獨特的應(yīng)用。近年來，各生產(chǎn)廠家利用疊層技術(shù)已經(jīng)將共模扼流圈片式化，生產(chǎn)出不同性能的疊層型片式共模扼流圈，而且可以將數(shù)個共模扼流圈制作在同一個片式元件中，更提高了靈活性和適用性。（7）疊層型片式LC組合元件調(diào)整材料配方及工藝流程參數(shù)，可以使鐵氧體材料與陶瓷材料在900以下共燒，共燒后形成一個整體，但兩種材料互不反應(yīng)，各自保持自己的電磁特性?；谶@種先進的共燒技術(shù)，可以利用疊層工藝將若干個疊層片式電感器和疊層片式陶瓷電容器共燒在一起，形成一個獨石結(jié)構(gòu)的片式LC組合元件，如圖9所示。利用這種工藝方法，已經(jīng)生產(chǎn)出各種性能的LC濾波器、陷波器、延遲線等。這種片式LC組合元件大大縮小了電路的體積，是當(dāng)前最高形式的片式電子元件，已被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。LC組合元件在EMI抑制技術(shù)中的應(yīng)用最受人們歡迎，應(yīng)用效果最佳的是疊層片式LC陷波器（其圖9疊層型片式LC組合元件結(jié)構(gòu)示意圖圖10片式磁珠在個人數(shù)字助理（PDA）中的應(yīng)用1，4用于抑制連接電纜輻射噪聲的片式磁珠；2，3用于抑制數(shù)據(jù)線上輻射噪聲的片式磁珠。圖11片式磁珠在PC卡片式調(diào)制解調(diào)器中的應(yīng)用1，2，4用于抑制數(shù)字時鐘數(shù)據(jù)線上輻射噪聲的片式磁珠;3用于抑制來自電源線的噪聲的大電流片式磁珠;5用于抑制電話線上輻射噪聲的片式磁珠;6，7，8用于抑制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)線上輻射噪聲的片式磁珠。圖12筆記本電腦中的片式磁珠電感器圖13數(shù)字電話中的片式磁珠電感器中有LC并聯(lián)和LC串聯(lián)兩種）和LC濾波器（包括型和T型）。這些LC組合元件都是針對EMI設(shè)計的。5疊層型片式磁珠電感器的應(yīng)用舉例由于電子產(chǎn)品向高頻化、數(shù)字化、高組裝密度的方向發(fā)展，所以對抑制電磁干擾提出了更高的要求。各種類型抑制EMI的片式元件應(yīng)運而生，迅速發(fā)展起來。其中最引人注目的就是疊層型片式磁珠和片式電感器。如上所述，由于近年來疊層技術(shù)突