叠层型片式磁珠的特性及其应用

发布时间:2015-06-05

1前言 
各种电子线路中,电磁干扰源产生的电磁干扰杂波,通过传导和辐射途经对线路其它部分或其它电子线路产生电磁干扰。这一过程中导线起了重要作用,一英寸长的导线在100MHz频率下的电感量约为20nh,其感抗约为12.6Ω,这是不可忽视的。为了消除电磁干扰,方法之一就是在有源和无源电子元器件的引线上套上一些很小的管形或环形的软磁铁氧体磁芯,利用铁氧体材料的电磁损耗机理有效地消除传导和辐射的电磁干扰噪声。这种抗电磁干扰的方法既简便又有效,而且成本很低,所以获得了十分广泛的应用。由于串在引线上用于抗电磁干扰的铁氧体小管或小环有些像一串珍珠,所以它们得到了一个很形象化的名称—磁珠(Bead)。 
  近年来表面贴装技术(SMT)迅速崛起,传统的插装电路逐步被SMT电路替代,绝大部分带引线的电子元器件均已片式化,变成了无引线或短引线的片式电子元器件。这样一来,上述的传统磁珠(铁氧体小管或小环)已无法在SMT电路中应用。为了解决这一困难,国外一些著名的电子元器件公司,如美国的AEM公司、Coilcraft公司、日本TDK、村田、太阳诱电、Tokin等公司,先后开发了片式磁珠(ChipBead)和片式电感器(ChipInductor),以满足SMT电路的需求。 
  实质上,磁珠就是一个填充磁芯的电感器,利用它的阻抗|Z|在高频下迅速增加的特性和磁性材料的电磁损耗机理来抑制和吸收高频噪声,从而达到抗电磁干扰的目的。片式磁珠/电感器按结构可分为两大类,即叠层型片式磁珠/电感器(MultilayerChipBead/Inductor,简称MLCB/MLCI)和绕线型片式磁珠/电感器(WoundChipBead/Inductor)。叠层型片式磁珠/电感器是近年来发展起来的一种高新技术产品,其结构如图1所示。由图1可以看出,导体线圈完全被磁性铁氧体介质包围,形成一种独石结构。当电流通过时,激励的磁力线几乎完全被屏蔽在其内部,而不会干扰邻近的其它电子元器件。两端的端头是端电极,与内部的导体线圈连通。端电极由三层金属导体构成,里层是银,中间层是镍,外层是焊锡,也称为三层镀端电极,既适用于波峰焊,也适用于再流焊。此外,这种独石结构具有体积小、紧凑、可靠性高等优点,外形尺寸符合标准化、系列化的要求(与片式电容器和片式电阻器完全相同),并且规格齐全、价格低廉,所以获得了广泛的应用。绕线型片式磁珠/电感器的最大缺点是磁路不屏蔽,当电流通过时激励的磁力线“外溢”,可能干扰邻近的电子元器件,而且其纤细的绕线结构的可靠性较差。本文着重介绍叠层型片式磁珠的特性及其应用。 
 2叠层型片式磁珠的结构及基本特性 
  叠层型片式磁珠的基本结构如图1所示,由金属导体线圈及其周围的铁氧体磁性介质组成。设没有磁性介质时金属导体线圈的电感为L0,当周围填充磁导率为μ的铁氧体之后,其阻抗Z为: Z=R0+jωμL0(1) 
式中R0为欧姆电阻,ω=2πf为的角频率。交变电磁场中,由于存在损耗,铁氧体中的磁场强度H与磁感应强度B不是同位相的,所以,此时的磁导率不再是一个实数,而是一个复数,即 
μ=μ′-jμ″(2) 
式中μ′就是通常所说的磁导率,μ″则表示铁氧体材料的损耗,Q=μ′/μ″称为品质因素。μ′、μ″与铁氧体材料的配方组成、微观结构、制备工艺、所用原材料等诸多因素有关,是表征铁氧体特性的主要参数。μ′、μ″均是角频率ω的函数,图2是典型的铁氧体磁谱曲线。当频率达到ωr时,μ′迅速下降,μ″迅速上升,ωr称为铁氧体材料的临界频率。 
将式(2)代入式(1),则得 Z=R0+jω(μ′-jμ″)L0 
=(R0+ωμ″L0)+jωμ′L0=R+jXL(3) |Z|=(R2+XL2)0.5(4) 
式中R为等效电阻,XL为感抗。由于μ′、μ″均为频率的函数,所以|Z|、R、XL也都是频率的函数。通过简单计算,可以得到图3所示的结果:在低频段,|Z|随ω线性上升;当达到高频段时,|Z|趋于饱和值2πL0S;在临界频率ωr处,|Z|为最大值的,其中S为一个与铁氧体性能有关的参数。实际上由于导体线圈间不可避免地存在着分布电容,所以当ω很高时,会出现自谐振现象,|Z|将下降,如图3中的虚线所示,有时也会出现尖锐的峰值。 
  图4是美国著名的AEM公司生产的0603片式磁珠的特性曲线,与图3相比较后可得出结论:理论计算曲线与实际情况是相当吻合的。从图4可以看出,在低频段,|Z|值很小,信号可以通过;在高频段,|Z|上升到较大值,如100MHz时,可达上千欧姆,而且呈电阻性。这样,高频干扰噪声将被磁珠吸收,转变成热能散发出去,从而达到抗电磁干扰的目的。 3叠层型片式磁珠的制造工艺技术 叠层型片式磁珠/电感器的制造工艺技术主要有以下三种。 3.1内连接技术(湿法) 
  这是美国AEM公司近年发明的一项重要的专利技术,有人译成优先连接技术或通路形成技术。此技术的特点是依靠相关材料的物理、化学特性完成层间连接,而不是依靠机械方法连接。内连接工艺技术的简要过程是:将性能良好的低烧结温度铁氧体磁粉制成浆料,印刷成铁氧体膜,并在其上印制银浆料导体线圈,然后再印制一层铁氧体膜和银浆料导体线圈,在设定位置上利用物理、化学方法使铁氧体穿孔,这样两层银浆料导体线圈在穿孔处

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