片式磁性元件的技术发展状况
2006-06-03 10:27:44
来源：《国际电子变压器》2006年6月刊
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1前言
随着微电子电路、 表面安装技术（SMT）的采用和不断发展完善，轻、薄、小成为衡量电子整机产品的重要标志。而要使电子设备小型化，首先就要考虑电子元件的小型化。
SMC片式元件不仅能使电子产品小型化，而且能实现整机装配的高度自动化。小型化片式元件的广泛应用，致使电子产品制造方式发生了深刻变化，制造厂商希望印刷电路板全部采用片式元件。最近20来年，三大无源元件中的电阻器和电容器的片式化技术发展十分迅速，产品种类和规格日趋齐全，已达到大批量应用阶段，而小型化片式磁性元件（包括电感器、磁珠、滤波器、微波铁氧体器件等），由于工艺难度较大，故发展相对缓慢。为适应现代通信、计算机、视听设备、 电子办公设备、汽车电子系统、军事电子装备以及电磁兼容（EMC）等的需要，近年来，一些国家投入大量人力财力来研究开发磁性元件的片式化技术，从而有力地推动了小型化片式化磁性元件的发展。
2片式电感器及其相关复合元件
我们通常所指的电感器包括广义的电感器件如变压器、线圈、扼流圈、磁珠以及与电感器相关的复合元件。从结构上看，片式电感器可分为绕线型和叠层型两类。前者是将细的导线绕在软磁铁氧体磁心上制成，外层一般用树脂封固。其工艺继承性强，但体积小型化有限，目前尺寸为2.5×2.0(mm)的产品已商品化。而叠层片式电感器则不用绕线，是用铁氧体浆料和导体浆料交替印刷、叠层、烧结，形成闭合磁路；它采用先进的厚膜多层印刷技术和叠层生产工艺，实现了超小型表面安装。
叠层片式电感器是电感领域重点开发的产品，它与绕线片式电感器相比有诸多优点：尺寸小，有利于电路的小型化；磁路封闭，不会干扰周围的元件，也不会受临近元件的干扰，有利于元件的高密度安装；一体化结构，可靠性高；耐热性、 可焊性好；形状规整 ，适合于自动化表面安装生产。目前这类产品已取得较大进展，并通过改进磁性材料性能、改善内部磁路结构和加速器件小型化等措施， 不断拓展其应用市场。尤其是面向便携式电话、PHS等移动通信终端的高频毫微亨级电感器及主要面向个人电脑等高速数字信号处理设备的噪声抑制器，国外相继推出了叠层型片式新产品，达到了高密度安装中的极小片式元件尺寸，适应了SMT的需要。
高频叠层片式电感器现已能用在亚微波到微波波段，它通常以采用低介电常数陶瓷材料并抑制杂散电容的方式获得较高的自谐振频率，其内部导体采用高频特性优异的银， 以降低导体电阻、获得高Q值；其电感值从数毫微亨到数十毫微亨均有， 容许误差很小，容许电流值设计为300mA级。这种电感器的外形尺寸最初为3.2×1.6(mm)，随着叠层技术的进步，其小型化的速度加快，出现了2×1.25、1.6×0.8、1×0.5(mm)的产品。
用于抑制噪声的叠层片式电感器在低频时主要显示的是L特性， 频率提高后转而以R特性为主， 随着频率的进一步提高，它将主要起电容器的作用。将这种性质用到抑制噪声的场合， 对于传输波形的品质来说，它在高频区增大的R将抑制衰减振荡的发生，并平缓地补偿接口电路间的匹配。传输波形不良是噪声发生的原因之一， 随传输波形质量的改善，噪声发生量会减少；同时，由于其R分量将消耗能量，通过吸收、传递及反射等作用，可望获得抑制辐射和噪声的作用。该类产品现已做到1.6×0.3(mm)，阻抗高达1000Ω／100MHz。
近来，在个人电脑的I／O线及液晶显示器外围的总线附近，所使用的众多抑制噪声元件不仅需要小型化，而且要求多连化（像多连片状电阻器一样），目的是为了适合多条线路，并提高安装效率。面对这种日益高涨的需求，国外已出现一种阵列式高损耗型叠层片式电感器，尺寸为3.2×1.6(mm)，可适用于四条线，它不仅在性能方面具有互换性，而且能有效克服因阵列化产生的发热、串扰等缺憾。与此同时， 在叠层片式磁珠的基础上也发展出将若干个磁珠集成到一起的片式磁珠阵列(磁珠排)，这是一种能有效抑制电磁辐射和电磁噪声的小型化片式元件。根据相邻磁珠间的不同耦合方式，磁珠阵列分为常模和共模两类产品，主要用于高密度组装、功能强大的笔记本电脑、计算机主板接口、电源总线母线排以及数据总线时钟信号等多出口位置。
3片式EMI滤波器
利用近年来发展的铁氧体——陶瓷叠层共烧技术，可以将若干个铁氧体叠层电感器和陶瓷叠层电容器集成在一起，经过共绕制构成截止特性锐敏的片式电磁干扰（EMI）滤波器，用于抑制数字式电子整机产生的EMI噪声。按具体用途，EMI滤波器可分为电源线路用EMI滤波器和信号线路用EMI滤波器两大类。
电子机器接上交流电源后，一通电，就等于接上了一个不定的噪声源。这种电源噪声的频率分布在从低频到高频的宽带范围内；在这里，必须使用片式交流电源线路滤波器。它除了抑制电源噪声外，还应能防止机内产生的各种噪声，故它应同时兼有强的抗扰性和抗机内噪声发生这两种功能。一般的片式交流电源滤波器都有由能够同时除去共模和常模两种模噪声的电路网络构成，它包括两个共模扼流圈（L1， L2）、一个跨接线（Across-the line）电容器（CL）和两个线路旁通电容器（CB1，CB2）三种元件。L1，L2用于除去低频共模噪声，CL除去低频常模噪声，CB1和CB2除去高频常模、共模噪声。
作为电源负载的电子机器，一旦内部产生电磁波干扰信号，它就会变成天线，向外放射噪声，影响周围电子机器正常工作。为此，在电源输出端需使用片式直流电源线路用EMI滤波器。 这种滤波器由大容量四端结构的叠层陶瓷电容器、穿心电容器和磁珠组成，可除去450kHz～1GHz的宽频带噪声。
片式信号线路EMI滤波器由于有陡直的衰减特性， 特别适合有效信号频率与噪声频率接近的场合，如用于RGB信号线路和数字机器等高速数字信号线路。
对EMI滤波器的性能， 要求进一步提高衰减量、高频化和强的抗扰性；在封装方面，正在向薄型化、表面安装化发展。作为提高衰减量的手段，是通过将骨架分开绕线的闭磁路磁心提高电感量的高电感化；为了实现高衰减、高频化，通过将磁心的绕组分开、增加抽头数以降低分布电容的低分布电容化是行之有效的方式。
4小型化片式微波铁氧体器件
小型化片式微波铁氧体环形器、隔离器是为满足军事装备和现代通信整机高可靠性、高度集成化的需要而发展起来的一类新型微小型、超小型铁氧体器件，它们包括单片式微带器件、“落入式”（Drop-in）或“插入式”（Plug-in）器件以及用于微波低频段的薄膜集中器件。国外把它们统称为“落入式”。由于这类器件“没有接头”，靠引线或者中心导体延伸线与其它集成电路连接，具有尺寸小、重量轻、磁屏蔽、可直接贴装到带线或微带电路上等优点，因而在雷达、导弹、收发机、导航、数据通信线路、移动通信、电子对抗、测量仪器中得到大量应用。
早在二十世纪70年代中期，美国TRAK微波公司就提出发展落入式微波产品，1982年在世界上率先推出小型化屏蔽型落入式环行器、隔离器，1989年载体安装型产品开始交货， 覆盖频率4～18GHz； 不久又向市场推出了0.4～2GHz的落入式产品。1983年新成立的MICA微波元件公司加入这一领域的竞争， 先后研制出SMF系列的表面安装环形器、 隔离器产品，覆盖频率4～23GHz，另有落入式DNF系列产品，覆盖频率0.96～20GHz。 进入90年代后， 美国Renaisance电子器件公司、Densitron微波股份有限公司、 FEI、 Loral微波公司、 Ferrenti、 M/A-com、sierra公司、俄罗斯Istok公司、日本村田制作所和TDK公司等国外厂商也不断报导这类产品。到目前为止，国外的片式微波铁氧体器件已覆盖0.4～23GHz频率范围，多数厂商的产品均已做到了系列化、标准化、品种规格齐全（包括通用型、低损耗、宽频带、宽温以及低温等器件）。在小型化方面，上述两家日本公司的成果最突出， 先后研制出尺寸仅6.8×6.9×4（mm）的落入式隔离器和 7×7×3(mm)的落入式环形器，用于800～1000MHz模拟或数字移动电话，产品以标准的带装形式出售，安装时允许再流焊。
随着微电子电路、 表面安装技术（SMT）的采用和不断发展完善，轻、薄、小成为衡量电子整机产品的重要标志。而要使电子设备小型化，首先就要考虑电子元件的小型化。
SMC片式元件不仅能使电子产品小型化，而且能实现整机装配的高度自动化。小型化片式元件的广泛应用，致使电子产品制造方式发生了深刻变化，制造厂商希望印刷电路板全部采用片式元件。最近20来年，三大无源元件中的电阻器和电容器的片式化技术发展十分迅速，产品种类和规格日趋齐全，已达到大批量应用阶段，而小型化片式磁性元件（包括电感器、磁珠、滤波器、微波铁氧体器件等），由于工艺难度较大，故发展相对缓慢。为适应现代通信、计算机、视听设备、 电子办公设备、汽车电子系统、军事电子装备以及电磁兼容（EMC）等的需要，近年来，一些国家投入大量人力财力来研究开发磁性元件的片式化技术，从而有力地推动了小型化片式化磁性元件的发展。
2片式电感器及其相关复合元件
我们通常所指的电感器包括广义的电感器件如变压器、线圈、扼流圈、磁珠以及与电感器相关的复合元件。从结构上看，片式电感器可分为绕线型和叠层型两类。前者是将细的导线绕在软磁铁氧体磁心上制成，外层一般用树脂封固。其工艺继承性强，但体积小型化有限，目前尺寸为2.5×2.0(mm)的产品已商品化。而叠层片式电感器则不用绕线，是用铁氧体浆料和导体浆料交替印刷、叠层、烧结，形成闭合磁路；它采用先进的厚膜多层印刷技术和叠层生产工艺，实现了超小型表面安装。
叠层片式电感器是电感领域重点开发的产品，它与绕线片式电感器相比有诸多优点：尺寸小，有利于电路的小型化；磁路封闭，不会干扰周围的元件，也不会受临近元件的干扰，有利于元件的高密度安装；一体化结构，可靠性高；耐热性、 可焊性好；形状规整 ，适合于自动化表面安装生产。目前这类产品已取得较大进展，并通过改进磁性材料性能、改善内部磁路结构和加速器件小型化等措施， 不断拓展其应用市场。尤其是面向便携式电话、PHS等移动通信终端的高频毫微亨级电感器及主要面向个人电脑等高速数字信号处理设备的噪声抑制器，国外相继推出了叠层型片式新产品，达到了高密度安装中的极小片式元件尺寸，适应了SMT的需要。
高频叠层片式电感器现已能用在亚微波到微波波段，它通常以采用低介电常数陶瓷材料并抑制杂散电容的方式获得较高的自谐振频率，其内部导体采用高频特性优异的银， 以降低导体电阻、获得高Q值；其电感值从数毫微亨到数十毫微亨均有， 容许误差很小，容许电流值设计为300mA级。这种电感器的外形尺寸最初为3.2×1.6(mm)，随着叠层技术的进步，其小型化的速度加快，出现了2×1.25、1.6×0.8、1×0.5(mm)的产品。
用于抑制噪声的叠层片式电感器在低频时主要显示的是L特性， 频率提高后转而以R特性为主， 随着频率的进一步提高，它将主要起电容器的作用。将这种性质用到抑制噪声的场合， 对于传输波形的品质来说，它在高频区增大的R将抑制衰减振荡的发生，并平缓地补偿接口电路间的匹配。传输波形不良是噪声发生的原因之一， 随传输波形质量的改善，噪声发生量会减少；同时，由于其R分量将消耗能量，通过吸收、传递及反射等作用，可望获得抑制辐射和噪声的作用。该类产品现已做到1.6×0.3(mm)，阻抗高达1000Ω／100MHz。
近来，在个人电脑的I／O线及液晶显示器外围的总线附近，所使用的众多抑制噪声元件不仅需要小型化，而且要求多连化（像多连片状电阻器一样），目的是为了适合多条线路，并提高安装效率。面对这种日益高涨的需求，国外已出现一种阵列式高损耗型叠层片式电感器，尺寸为3.2×1.6(mm)，可适用于四条线，它不仅在性能方面具有互换性，而且能有效克服因阵列化产生的发热、串扰等缺憾。与此同时， 在叠层片式磁珠的基础上也发展出将若干个磁珠集成到一起的片式磁珠阵列(磁珠排)，这是一种能有效抑制电磁辐射和电磁噪声的小型化片式元件。根据相邻磁珠间的不同耦合方式，磁珠阵列分为常模和共模两类产品，主要用于高密度组装、功能强大的笔记本电脑、计算机主板接口、电源总线母线排以及数据总线时钟信号等多出口位置。
3片式EMI滤波器
利用近年来发展的铁氧体——陶瓷叠层共烧技术，可以将若干个铁氧体叠层电感器和陶瓷叠层电容器集成在一起，经过共绕制构成截止特性锐敏的片式电磁干扰（EMI）滤波器，用于抑制数字式电子整机产生的EMI噪声。按具体用途，EMI滤波器可分为电源线路用EMI滤波器和信号线路用EMI滤波器两大类。
电子机器接上交流电源后，一通电，就等于接上了一个不定的噪声源。这种电源噪声的频率分布在从低频到高频的宽带范围内；在这里，必须使用片式交流电源线路滤波器。它除了抑制电源噪声外，还应能防止机内产生的各种噪声，故它应同时兼有强的抗扰性和抗机内噪声发生这两种功能。一般的片式交流电源滤波器都有由能够同时除去共模和常模两种模噪声的电路网络构成，它包括两个共模扼流圈（L1， L2）、一个跨接线（Across-the line）电容器（CL）和两个线路旁通电容器（CB1，CB2）三种元件。L1，L2用于除去低频共模噪声，CL除去低频常模噪声，CB1和CB2除去高频常模、共模噪声。
作为电源负载的电子机器，一旦内部产生电磁波干扰信号，它就会变成天线，向外放射噪声，影响周围电子机器正常工作。为此，在电源输出端需使用片式直流电源线路用EMI滤波器。 这种滤波器由大容量四端结构的叠层陶瓷电容器、穿心电容器和磁珠组成，可除去450kHz～1GHz的宽频带噪声。
片式信号线路EMI滤波器由于有陡直的衰减特性， 特别适合有效信号频率与噪声频率接近的场合，如用于RGB信号线路和数字机器等高速数字信号线路。
对EMI滤波器的性能， 要求进一步提高衰减量、高频化和强的抗扰性；在封装方面，正在向薄型化、表面安装化发展。作为提高衰减量的手段，是通过将骨架分开绕线的闭磁路磁心提高电感量的高电感化；为了实现高衰减、高频化，通过将磁心的绕组分开、增加抽头数以降低分布电容的低分布电容化是行之有效的方式。
4小型化片式微波铁氧体器件
小型化片式微波铁氧体环形器、隔离器是为满足军事装备和现代通信整机高可靠性、高度集成化的需要而发展起来的一类新型微小型、超小型铁氧体器件，它们包括单片式微带器件、“落入式”（Drop-in）或“插入式”（Plug-in）器件以及用于微波低频段的薄膜集中器件。国外把它们统称为“落入式”。由于这类器件“没有接头”，靠引线或者中心导体延伸线与其它集成电路连接，具有尺寸小、重量轻、磁屏蔽、可直接贴装到带线或微带电路上等优点，因而在雷达、导弹、收发机、导航、数据通信线路、移动通信、电子对抗、测量仪器中得到大量应用。
早在二十世纪70年代中期，美国TRAK微波公司就提出发展落入式微波产品，1982年在世界上率先推出小型化屏蔽型落入式环行器、隔离器，1989年载体安装型产品开始交货， 覆盖频率4～18GHz； 不久又向市场推出了0.4～2GHz的落入式产品。1983年新成立的MICA微波元件公司加入这一领域的竞争， 先后研制出SMF系列的表面安装环形器、 隔离器产品，覆盖频率4～23GHz，另有落入式DNF系列产品，覆盖频率0.96～20GHz。 进入90年代后， 美国Renaisance电子器件公司、Densitron微波股份有限公司、 FEI、 Loral微波公司、 Ferrenti、 M/A-com、sierra公司、俄罗斯Istok公司、日本村田制作所和TDK公司等国外厂商也不断报导这类产品。到目前为止，国外的片式微波铁氧体器件已覆盖0.4～23GHz频率范围，多数厂商的产品均已做到了系列化、标准化、品种规格齐全（包括通用型、低损耗、宽频带、宽温以及低温等器件）。在小型化方面，上述两家日本公司的成果最突出， 先后研制出尺寸仅6.8×6.9×4（mm）的落入式隔离器和 7×7×3(mm)的落入式环形器，用于800～1000MHz模拟或数字移动电话，产品以标准的带装形式出售，安装时允许再流焊。
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