叠层型片式磁珠的特性及其应用

1、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126，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

2、（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

3、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

4、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。图1 叠层型片式磁珠/电感器的结构图2铁氧体材料的典型磁谱曲线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的铁氧体之后，其阻抗Z为：Z=

5、R0jL0(1)式中R0为欧姆电阻，=2f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=j(2)式中就是通常所说的磁导率，则表示铁氧体材料的损耗，Q=/称为品质因素。、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。、均是角频率的函数，图2是典型的铁氧体磁谱曲线。当频率达到r时，迅速下降，迅速上升，r称为铁氧体材料的临界频率。将式(2)代入式(1)，则得Z=R0j(j)L0=(R0L0)jL0=RjXL（3)|Z|=（R2XL2）0.5(4)式中R为等

6、效电阻,XL为感抗。由于、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|随线性上升；当达到高频段时，|Z|趋于饱和值2L0S；在临界频率r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，

7、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

8、浆料导体线圈在穿孔处图3|Z|理论曲线图4美国AEM公司的06031608片式磁珠的特性曲线得以连通。重复上述工艺步骤，就可制成多达数十层的叠层结构。其后通过再切割、排胶、烧结、倒角、制端电极、检测、编带等后续工序，即可完成全部制备工艺流程。-|Z|.XL-R图4美国AEM公司的0603/1608片式磁珠的特性曲线这种独特的专利技术可以说是独具匠心，是叠层技术的一个突破。它具有工艺流程简化、可靠性高、生产效率高、成本低等许多优点，是目前世界上最先进的叠层工艺技术。这种新的概念和工艺的出现引起了业界的广泛关注。3.2交迭印刷技术(湿法)日本TDA公司首先提出这种工艺方法：先在铁氧体膜上印刷3/4

9、周银浆料导体线圈,后在1/2周的区域上印刷铁氧体膜,将银浆料导体线圈覆盖,留下1/4周导体线圈未被铁氧体膜覆盖,在此基础上再印刷第二个3/4周银浆料导体线圈,然后再在与第一个铁氧体膜相差180°的第二个1/2周的区域上印刷铁氧体膜,将银浆料导体线圈覆盖,留下1/4周导体线圈未被铁氧体膜覆盖,在此基础上再印刷第三个3/4周银浆料导体线圈,。用这样的方法可将铁氧体膜层间的导体线圈连通，也可通过不断重复上述步骤，制备出设定层数的叠层结构。再经过切割、排胶、烧结、倒角、制端电极、检测、编带等后续工序，即可完成全部制备工艺流程。这种工艺方法的特点是工艺流程繁多，生产效率低。3.3干膜打孔技术(

10、干法)将铁氧体浆料利用流延工艺制成铁氧体干膜,在干膜的设定位置上用机械方法打出通孔,在通孔中填充银浆料,然后在干膜上印制银浆料导体线圈。将若干片这样的干膜叠在一起，经过叠压工艺制成叠层结构，再经过切割、排胶、烧结、倒角、制端电极、检测、编带等后续工序，即可完成全部制备工艺流程。这种工艺方法与使用了多年的多层陶瓷电容器（MLCC）的工艺有着许多共同之处，工艺继承性强，可以减少设备投资，但其最大的缺点是在机械钻孔和叠压过程中很容易出现微裂、分层、鼓形等缺陷，致使产品的可靠性下降。此外，这种工艺方法要求高精密打孔设备，而且工序多，效率低，成品率低。据报道，日本太阳诱电、村田及韩国、台湾的一些公司都使

11、用这种工艺技术方法。3.4其它技术除了上述三种主要的工艺技术外,还有多种所谓的干湿结合法,以及日本松下公司1995年在我国申请专利的导体线圈复印法(专利号：CN1127412A)，这些方法未见在生产中使用。4叠层型片式磁珠的尺寸系列及类别4.1叠层型片式磁珠的尺寸系列叠层型片式磁珠电感器的尺寸系列与片式阻容元件完全一致，符合通用的国际标准。其外形尺寸和焊盘尺寸（推荐）如表1、表2所示。表1叠层型片式磁珠电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）0603/16080063±0.006(1.60±0.15)0.031&

12、#177;0.006(0.80±0.15)0.30±0.006(0.80±0.15)0.14±0.006(0.36±0.15)0805/20120.079±0.005(2.00±0.20)0.049±0.008(1.25±0.20)0.035±0.008(0.90±0.20)0.020±0.010(0.51±0.25)1206/32160.126±0.008(3.20±0.20)0.063±0.008(1.60±0.20)0.

13、043±0.008(1.10±0.20)0.020±0.010(0.51±0.25)0402/1005、2210/3225、1806/4516、1812/4532等其余尺寸，按用户要求提供。表2叠层型片式磁珠电感器在印制电路板上的焊盘尺寸（推荐）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大电流型叠层片式

14、磁珠的性能参数（美国AEM公司）AWM公司型号阻抗（100MHz）/最大直流电阻/最大电流/mAMCP0603F300300.061000MCP0603F600600.1500MCP0805F07070.023000MCP0805F100100.023000MCP0805F110110.0253000MCP0805F150150.0253000MCP0805F300300.0253000MCP0805F450450.0302000(a)|Z|、XL、R的频率特性(b)电流对阻抗频率特性的影响图5大电流型叠层片式磁珠(MCP0805F300)的特性曲线4.2叠层型片式磁珠的类别按其特性和用途,可

15、以分成以下7类。（1）普通型这是应用最广泛的一类叠层型片式磁珠电感器，其典型特性曲线如图4所示。表3列出了美国AEM公司生产的06031608规格产品的性能参数，通过查阅各生产厂家的产品目录可了解其它规格产品的性能参数。06031608是目前的主流规格。表3普通型06031608片式磁珠的性能参数（美国AEM公司）AEM公司型号阻抗（100MHz）/最大直流电阻/最大电流/mAMCB0603G300300.1400MCB0603G400400.1400MCB0603G600600.2300MCB0603G750750.2300MCB0603G800800.2300MCB0603G900900.

16、3250MCB0603G1011000.3250MCB0603G1211200.3250MCB0603G1411400.3250MCB0603G1511500.3250MCB0603G1811800.3250MCB0603G2212200.3250MCB0603G3013000.35230MCB0603G4214200.4210MCB0603G6016000.45210MCB0603G10210000.6190（2）大电流型由表3可知，普通型磁珠的额定电流只有几百毫安，但在某些应用场合要求额定电流达到几安培。例如：为了消除计算机卡板电源部分及大电流母线排部分的噪声，要求磁珠能承受几安培的电流。

17、为此，选择适当的铁氧体材料或者采用低烧结温度电子陶瓷材料，并采取适当的工艺措施，制成了能够承受大电流的叠层型片式磁珠。表4和图5给出了美国AEM公司产品的性能参数和频率特性曲线。最大电流的含义是磁珠温升不超过20时允许通过的最大电流，虽然此定义不够严格，但目前世界各国生产厂家均如此理解。（3）尖峰型如图1所示,叠层型片式磁珠电感器中的线圈是条形导电带,在条形导电带之间填充铁氧体介质。铁氧体不仅是磁性介质，而且也是电性介质，其介电常数约在十几到几十之间。所以，不可避免地存在分布电容，这样，一个叠层型片式磁珠电感器的等效电路就是图6所示的LC并联回路。由此可知，在某个频率必然出现谐振现象。经过精密

18、设计，可以使谐振峰很尖锐，并且使谐振频率出现在所希望的范围，如图7所示。具有这种特性曲线的磁珠称为尖峰型。有时电子线路中在某频率点存在着强烈的干扰噪声，很难消除。这时，可以在此电子线路中加一个谐振频率恰巧在干扰噪声频点的尖峰型磁珠，从而将这一强烈的干扰噪声完全抑制。实际表明，这种方法对某些电子产品相当有效。图6叠层型片式磁珠/电感器的等效电路图7尖峰型磁珠的阻抗频率特性曲线图8片式磁珠阵列显然，不同电子线路、不同用户对谐振频率的数值要求是不相同的。所以，制造厂家难以像对普通型磁珠那样将尖峰型磁珠的产品系列完整地列出来供用户选择，而只能根据用户的特殊要求进行设计，按“量体裁衣”的方式供货。（4）

19、高频型近年来电子产品向高频发展的趋势很强烈，计算机、移动通信最为明显。笔记本电脑中的PCS总线时钟频率已经从几十兆赫提高到100MHz以上。如果仍然使用普通型磁珠，那么，三次谐波信号成分将被大量衰减，致使时钟脉冲信号钝化，将会引起误操作。同时，各种电子元器件的频率都在提高，辐射的电子干扰的频率往往超过1GHz。在这种情况下，要求将磁珠的抑制EMI的频率范围提高，如对500MHz以下的信号频率成分几乎无衰减通过，而对1GHz以上的干扰噪声产生大量衰减。为了适应这种要求，各生产厂家及时开发了高频叠层型片式磁珠。如美国AEM公司采用高性能、低烧结温度电子陶瓷材料作介质，并精确设计导体线圈的结构和尺寸

20、，从而将高阻抗频率范围提高到1GHz以上，性能优越。日本TDK公司经过多年研究，解决了Z型六角晶系铁氧体的单相问题，研制成功了性能良好的单相六角晶系铁氧体材料，用这种材料做出了GHz级抑制噪声的片式磁珠。在500MHz以下，阻抗很小；当频率超过500MHz时，阻抗突然上升。（5）阵列型片式磁珠阵列（ChipBeadsArray)又称为磁珠排，是在片式磁珠基础上发展起来的一种新产品。它是在一个0805或1206的片式元件内并列24个片式磁珠，如图8所示。这样就大大缩小了在PCB上所占据的面积，有利于高密度组装。根据其特性，磁珠阵列同样可以分为普通型、大电流型、尖峰型、高频型等类别，它们由相应类别

21、的片式磁珠组成。片式磁珠阵列特别适用于有排线的电路，如有多条出线的I/O接口、电源总线母线排、数据总线时钟信号出口等。（6）叠层型片式共模扼流圈把两组方向相反的线圈绕在一个铁氧体磁芯上，就构成了一个共模扼流圈。利用两组线圈激励的磁力线方向相反的特点，这种共模扼流圈在电子线路中具有独特的应用。近年来，各生产厂家利用叠层技术已经将共模扼流圈片式化，生产出不同性能的叠层型片式共模扼流圈，而且可以将数个共模扼流圈制作在同一个片式元件中，更提高了灵活性和适用性。（7）叠层型片式LC组合元件调整材料配方及工艺流程参数，可以使铁氧体材料与陶瓷材料在900以下共烧，共烧后形成一个整体，但两种材料互不反应，各自

22、保持自己的电磁特性。基于这种先进的共烧技术，可以利用叠层工艺将若干个叠层片式电感器和叠层片式陶瓷电容器共烧在一起，形成一个独石结构的片式LC组合元件，如图9所示。利用这种工艺方法，已经生产出各种性能的LC滤波器、陷波器、延迟线等。这种片式LC组合元件大大缩小了电路的体积，是当前最高形式的片式电子元件，已被广泛应用于各个领域。LC组合元件在EMI抑制技术中的应用最受人们欢迎，应用效果最佳的是叠层片式LC陷波器（其图9叠层型片式LC组合元件结构示意图图10片式磁珠在个人数字助理（PDA）中的应用1，4用于抑制连接电缆辐射噪声的片式磁珠；2，3用于抑制数据线上辐射噪声的片式磁珠。图11片式磁珠在PC卡片式调制解调器中的应用1，2，4用于抑制数字时钟数据线上辐射噪声的片式磁珠;3用于抑制来自电源线的噪声的大电流片式磁珠;5用于抑制电话线上辐射噪声的片式磁珠;6，7，8用于抑制数字数据线上辐射噪声的片式磁珠。图12笔记本电脑中的片式磁珠电感器图13数字电话中的片式磁珠电感器中有LC并联和LC串联两种）和LC滤波器（包括型和T型）。这些LC组合元件都是针对EMI设计的。5叠层型片式磁珠电感器的应用举例由于电子产品向高频化、数字化、高组装密度的方向发展，所以对抑制电磁干扰提出了更高的要求。各种类型抑制EMI的片式元件应运而生，迅速发展起来。其中最引人注目的就是叠层型片式磁珠和片式电感器。