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應用于EMI及ESD的新型片式元器件

發(fā)布時間:2008-11-10 來源:epc.com.cn

中心議題:

  • 介紹片式元件的小型化、微型化與高頻化
  • 分析片式元件的防靜電功能
  • 討論片式元件的抗電磁干擾功能

解決方案:

  • 采用高Q值、低等效串聯(lián)電阻值的片式射頻/微波MLCC及片式射頻/微波薄膜電容器
  • 在對靜電敏感IC的最易受損的管腳處安裝片式多層壓敏電阻器
  • 采用片式多層磁珠有效抑制計算機、移動通信領域的電磁或射頻干擾

 

進入21世紀,以數(shù)字式語音通信為代表的現(xiàn)代移動通信技術和以計算機與網(wǎng)絡為核心的現(xiàn)代信息技術分別達到前所未有的新高度,進而呈現(xiàn)進一步融為一體的新趨勢。兼具語音通信和電子郵件、證券、金融業(yè)務等數(shù)據(jù)通信以及PDA功能三位一體化的手機也已問世。WAP(Wireless Application Protocol)已進入商業(yè)化運行階段。筆記本電腦、PDA等便攜式終端通過調(diào)制解調(diào)器即可連接Internet。第三代移動通信最終將使高速率(2Mbps)無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通信和多媒體通信實現(xiàn)真正的無縫漫游,全面推動現(xiàn)代通信與信息技術的個人化、移動化和全球一體化。順應通信與信息終端的便攜化、小型化與多功能化發(fā)展潮流,新型元器件呈現(xiàn)微型化、復合化、高頻化、高性能化等趨勢。
 
片式元件的小型化、微型化與高頻化
片式元件由1206、0805向0603、0402甚至0201發(fā)展。0603、0402規(guī)格已成為目前片式阻容元件的主導品種。日本村田公司和松下電子部品公司分別于1997年和1998年推出0201型片式多層陶瓷電容器(MLCC)和片式電阻器,創(chuàng)下了片式元件微型化的新紀錄。標稱電容量和電阻值分別為1~1000pF和10Ω~1MΩ。片式化滯后于阻容元件的電感器也有長足進展。無外殼臥式繞線型片感可降至0603。而多層電感器則憑借其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢已降至0603和0402。日本TDK、村田、太陽誘電、TOKO等公司均有0402型面世。例如,太陽誘電公司推出0402尺寸的HK1005型MLCI用于PDC制式800/1500MHz雙頻移動電話。其中1.5~10nH低電感量品種用于RF功率放大器取代印刷式微帶電感線圈,使1W功率放大器模塊的體積降至0.18cc(10×10×1.8mm3)。

傳統(tǒng)陶瓷電容器采用1類熱穩(wěn)定型和2類高介電系數(shù)型陶瓷材料作為電介質(zhì),按照IEC等國際標準規(guī)定,其測試頻率分別為1kHz和1MHz,故俗稱“高頻”瓷介電容器和“低頻”瓷介電容器。在線路板插裝的電容器引線長度約2~3mm,標稱電容量為1000~100pF的高頻瓷介電容器的固有諧振頻率f0約60~200MHz,10pF及更小容量規(guī)格約600~1000MHz。一方面,電容器的使用頻段應遠低于固有諧振頻率。另一方面對于高于1MHz的頻率范圍,電容器的損耗因子受介質(zhì)極化、引線與電極集膚效應和電導率等諸多因素影響而急劇增高,即Q值迅速下降。這就是常規(guī)“高頻”瓷介電容器在高頻特性方面的欠缺,而使之在高頻段應用受到極大局限。早在60年代就出現(xiàn)了將多層陶瓷電容器(MLC)的芯片用作厚薄膜混合集成電路(HIC)的外貼元件,并因其無引線結(jié)構(gòu)而被稱為無感電容,在相當寬的頻段內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)良的頻率特性。例如:1000~100pF的MLC去掉引線后f0可提高到100~400MHz,10pF及更小容量規(guī)格f0可高達900~2000MHz。70年代隨著SMT技術的興起,MLC芯片演變?yōu)槠蕉鄬犹沾呻娙萜鳎∕LCC)而直接貼裝于印刷電路板(PCB),極大的提高了電路和功能組件的高頻特性。例如:彩電、錄像機用調(diào)諧器是較早實現(xiàn)元件全片式化的功能組件,并且對片式電容的高頻特性有較高要求。

具有高Q低等效串聯(lián)電阻(ESR)值的片式射頻/微波MLCC及片式射頻/微波薄膜電容器,以其優(yōu)良的射頻功率特性倍受廣播電視、移動通信及衛(wèi)星通信等發(fā)射基站的青睞。并在無線尋呼機、無繩電話、蜂窩電話、無線局域網(wǎng)(W-LAN)等無線通信與信息終端產(chǎn)品得到廣泛應用。微型化的片式微波單層瓷介電容器(SLC)。用二十余種介電常數(shù)10~20000的不同介質(zhì)材料制成。尺寸規(guī)格為0101、0202、0303、0505、0606、0707、0909、1010等十多種;標稱電容量:0.04~6300pF。小容量尺寸規(guī)格f0可高達50GHz。SLC廣泛適用于微波單片集成電路(MMIC)。如:功率放大器、振蕩器、混頻器等,可實現(xiàn)隔直流、RF旁路、濾波、阻抗匹配、共面波導等功能。

得益于移動通信產(chǎn)品的強有力促進,具有多層結(jié)構(gòu)的片式高頻陶瓷電感器、片式高頻薄膜電感器、片式高頻陶瓷芯繞線電感器在GSM、DCS、PDC、CDMA、PCS、PHS、DECT等蜂窩移動電話和無繩電話以及無線尋呼機,也包括無線局域網(wǎng)(W-LAN)、衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)(GPS)、衛(wèi)星電視接收裝置等無線通信與信息產(chǎn)品中得到廣泛應用。
 

片式元件的防靜電功能
隨著通信與信息終端的便攜化、小型化和SMT的應用,IC、LSI、VLSI的集成密度和速度大幅度提高。通過傳導和感應進入電子線路的各類電磁噪聲、浪涌電流甚至人體靜電均能使整機產(chǎn)生誤動作或損壞半導體器件。

 

 


圖1:IC類型與擊穿電壓的關系

例如,典型情況下,一個人所帶電荷可以表征為一個150pF的電容器與330Ω的電阻器串聯(lián)。推算其靜電電壓有可能在8~15kV范圍內(nèi),甚至高達25kV。當人接近系統(tǒng)時,靜電場(ESD)和不均勻電壓分布會導致系統(tǒng)內(nèi)元件被損壞。一般來說,ESD很容易損壞未受保護的IC。據(jù)統(tǒng)計,各類IC的ESD擊穿電壓分布如圖1所示。

通過在對靜電敏感IC的最易受損的管腳處(例如,在Vcc和I/O管腳等處)安裝一個瞬態(tài)抑制器,即片式多層壓敏電阻器就能起到保護IC的作用。

具有獨石結(jié)構(gòu)的多層壓敏電阻器與MLCC結(jié)構(gòu)類似,內(nèi)電極與陶瓷薄層交錯并聯(lián)經(jīng)端電極引出。除進一步實現(xiàn)瓷體薄層化降低擊穿電壓外,多層并聯(lián)使電極有效面積成倍增加,從而極大地提高其通流量和靜電容量值。并有效地縮小元件的體積與減輕重量。

片式元件的抗電磁干擾(EMI)功能
通信與信息終端的便攜化、數(shù)字化,使系統(tǒng)的EMI抑制問題愈發(fā)突出。采用片式多層磁珠(MLCB)可有效抑制計算機、汽車電子、傳真機、數(shù)字式移動通信等領域的電磁或射頻干擾(EMI/RFI)。并且具有小尺寸、高可靠磁屏蔽、適于高密度線路板裝配的特點。例如:筆記本電腦中的主板、總線、時鐘線、聲卡、顯卡、網(wǎng)卡及電源部分,都需要包括低速、高速、大電流型在內(nèi)的多種規(guī)格片式磁珠。TDK、村田、太陽誘電公司已能生產(chǎn)0402型片式磁珠。此外,復合陣列型片式磁珠也可進一步縮小裝配空間。0612型(即0604×3或0603×4個)片式多層磁珠陣列也已普及。太陽誘電公司新研制出0408(0402×4)規(guī)格的BK2010型片式多層磁珠陣列,各單元電極間距0.5mm,可就近貼裝于間距相同的QFP封裝IC引腳間,更有效地改善噪聲抑制效果。

 


圖2:片式多層穿心電容器單元
穿心式濾波器被證明是抑制EMI最有效的無源元件之一,通常采用C型、LC型、π型和T型四種結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)變化和各單元電容量、電感量的調(diào)整和匹配,改變截止頻率,實現(xiàn)對指定頻段電磁噪聲的抑制。片式化的穿心濾波器直接在線路板上貼裝接地時,也可同時貫通導電屏蔽板,從而極大地改善在高頻段的濾波效果。

最常用的C型結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是三端式穿心電容器單元。采用獨石結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的片式多層穿心電容器單元的接地端,一般在兩側(cè)同時引出而成外觀四端式結(jié)構(gòu),如圖2。在實現(xiàn)多組單元復合陣列化時,亦共用該兩個接地端。片式多層EMI抑制濾波器廣泛用于計算機及其外設、汽車電子、數(shù)字式多媒體產(chǎn)品、移動電話等通用線路,電源線路及信號線路波形保真等的EMI抑制。

π型結(jié)構(gòu)由一個電感單元串聯(lián)于兩個穿心電容單元之間形成。英國SYFER公司生產(chǎn)的SBSMP型采用這種結(jié)構(gòu)。內(nèi)置電感量0.5μH,額定電流10A,與C型結(jié)構(gòu)SBSMC型相比具有更好的插入損耗特性。適用于高阻抗源高阻抗負載場合。

T型結(jié)構(gòu)由一個穿心電容單元串聯(lián)于兩個電感單元之間構(gòu)成。適用于低阻抗源低阻抗負載場合。TDK公司生產(chǎn)的MEM2012、MEM3216型、MEA80208組復合陣列型片式多層EMI抑制濾波器,采用T型結(jié)構(gòu)。對40MHz~1.7GHz頻段的電磁干撓的抑制有良好的效果。 嵌入式開發(fā)網(wǎng)
 

結(jié)束語
現(xiàn)代信息技術的飛速發(fā)展,極大地促進了片式元件的微型化、復合化與高頻化。隨著歐共體率先開展電子產(chǎn)品強制性EMI認證,尤其是促進了ESD防護元件、EMI抑制元件的發(fā)展。各種新型片式元件的出現(xiàn)和改進反過來進一步促進了新型便攜式信息終端和移動通信產(chǎn)品的輕薄短小和升級換代。

 

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