应用于EMI及ESD的新型片式元器件

　　中心议题：


　　介绍片式元件的小型化、微型化与高频化 分析片式元件的防静电功能 讨论片式元件的抗电磁干扰功能解决方案：


　　采用高Q值、低等效串联电阻值的片式射频/微波MLCC及片式射频/微波薄膜电容器 在对静电敏感IC的最易受损的管脚处安装片式多层压敏电阻器 采用片式多层磁珠有效抑制计算机、移动通信领域的电磁或射频干扰进入21世纪，以数字式语音通信为代表的现代移动通信技术和以计算机与网络为核心的现代信息技术分别达到前所未有的新高度，进而呈现进一步融为一体的新趋势。兼具语音通信和电子邮件、证券、金融业务等数据通信以及PDA功能三位一体化的手机也已问世。WAP（Wireless Application Protocol）已进入商业化运行阶段。笔记本电脑、PDA等便携式终端通过调制解调器即可连接Internet。第三代移动通信最终将使高速率（2Mbps）无线传输的数据通信和多媒体通信实现真正的无缝漫游，全面推动现代通信与信息技术的个人化、移动化和全球一体化。顺应通信与信息终端的便携化、小型化与多功能化发展潮流，新型元器件呈现微型化、复合化、高频化、高性能化等趋势。


　　片式元件的小型化、微型化与高频化片式元件由1206、0805向0603、0402甚至0201发展。0603、0402规格已成为目前片式阻容元件的主导品种。日本村田公司和松下电子部品公司分别于1997年和1998年推出0201型片式多层陶瓷电容器（MLCC）和片式电阻器，创下了片式元件微型化的新纪录。标称电容量和电阻值分别为1～1000pF和10Ω～1MΩ。片式化滞后于阻容元件的电感器也有长足进展。无外壳卧式绕线型片感可降至0603。而多层电感器则凭借其结构优势已降至0603和0402。日本TDK、村田、太阳诱电、TOKO等公司均有0402型面世。例如，太阳诱电公司推出0402尺寸的HK1005型MLCI用于PDC制式800/1500MHz双频移动电话。其中1.5～10nH低电感量品种用于RF功率放大器取代印刷式微带电感线圈，使1W功率放大器模块的体积降至0.18cc（10×10×1.8mm3）。


　　传统陶瓷电容器采用1类热稳定型和2类高介电系数型陶瓷材料作为电介质，按照IEC等国际标准规定，其测试频率分别为1kHz和1MHz，故俗称“高频”瓷介电容器和“低频”瓷介电容器。在线路板插装的电容器引线长度约2～3mm，标称电容量为1000～100pF的高频瓷介电容器的固有谐振频率f0约60～200MHz，10pF及更小容量规格约600～1000MHz。一方面，电容器的使用频段应远低于固有谐振频率。另一方面对于高于1MHz的频率范围，电容器的损耗因子受介质极化、引线与电极集肤效应和电导率等诸多因素影响而急剧增高，即Q值迅速下降。这就是常规“高频”瓷介电容器在高频特性方面的欠缺，而使之在高频段应用受到极大局限。早在60年代就出现了将多层陶瓷电容器（MLC）的芯片用作厚薄膜混合集成电路（HIC）的外贴元件，并因其无引线结构而被称为无感电容，在相当宽的频段内表现出优良的频率特性。例如：1000～100pF的MLC去掉引线后f0可提高到100～400MHz，10pF及更小容量规格f0可高达900～2000MHz。70年代随着SMT技术的兴起，MLC芯片演变为片式多层陶瓷电容器（MLCC）而直接贴装于印刷电路板（PCB），极大的提高了电路和功能组件的高频特性。例如：彩电、录像机用调谐器是较早实现元件全片式化的功能组件，并且对片式电容的高频特性有较高要求。


　　具有高Q低等效串联电阻（ESR）值的片式射频/微波MLCC及片式射频/微波薄膜电容器，以其优良的射频功率特性倍受广播电视、移动通信及卫星通信等发射基站的青睐。并在无线寻呼机、无绳电话、蜂窝电话、无线局域网（W-LAN）等无线通信与信息终端产品得到广泛应用。微型化的片式微波单层瓷介电容器（SLC）。用二十余种介电常数10～20000的不同介质材料制成。尺寸规格为0101、0202、0303、0505、0606、0707、0909、1010等十多种；标称电容量：0.04～6300pF。小容量尺寸规格f0可高达50GHz。SLC广泛适用于微波单片集成电路（MMIC）。如：功率放大器、振荡器、混频器等，可实现隔直流、RF旁路、滤波、阻抗匹配、共面波导等功能。


　　得益于移动通信产品的强有力促进，具有多层结构的片式高频陶瓷电感器、片式高频薄膜电感器、片式高频陶瓷芯绕线电感器在GSM、DCS、PDC、CDMA、PCS、PHS、DECT等蜂窝移动电话和无绳电话以及无线寻呼机，也包括无线局域网(W-LAN)、卫星全球定位系统(GPS)、卫星电视接收装置等无线通信与信息产品中得到广泛应用。


　　片式元件的防静电功能随着通信与信息终端的便携化、小型化和SMT的应用，IC、LSI、VLSI的集成密度和速度大幅度提高。通过传导和感应进入电子线路的各类电磁噪声、浪涌电流甚至人体静电均能使整机产生误动作或损坏半导体器件。


　　图1：IC类型与击穿电压的关系例如，典型情况下，一个人所带电荷可以表征为一个150pF的电容器与330Ω的电阻器串联。推算其静电电压有可能在8～15kV范围内，甚至高达25kV。当人接近系统时，静电场（ESD）和不均匀电压分布会导致系统内元件被损坏。一般来说，ESD很容易损坏未受保护的IC。据统计，各类IC的ESD击穿电压分布如图1所示。


　　通过在对静电敏感IC的最易受损的管脚处（例如，在Vcc和I/O管脚等处）安装一个瞬态抑制器，即片式多层压敏电阻器就能起到保护IC的作用。


　　具有独石结构的多层压敏电阻器与MLCC结构类似，内电极与陶瓷薄层交错并联经端电极引出。除进一步实现瓷体薄层化降低击穿电压外，多层并联使电极有效面积成倍增加，从而极大地提高其通流量和静电容量值。并有效地缩小元件的体积与减轻重量。


　　片式元件的抗电磁干扰（EMI）功能通信与信息终端的便携化、数字化，使系统的EMI抑制问题愈发突出。采用片式多层磁珠(MLCB)可有效抑制计算机、汽车电子、传真机、数字式移动通信等领域的电磁或射频干扰(EMI/RFI)。并且具有小尺寸、高可靠磁屏蔽、适于高密度线路板装配的特点。例如：笔记本电脑中的主板、总线、时钟线、声卡、显卡、网卡及电源部分，都需要包括低速、高速、大电流型在内的多种规格片式磁珠。TDK、村田、太阳诱电公司已能生产0402型片式磁珠。此外，复合阵列型片式磁珠也可进一步缩小装配空间。0612型（即0604×3或0603×4个）片式多层磁珠阵列也已普及。太阳诱电公司新研制出0408（0402×4）规格的BK2010型片式多层磁珠阵列，各单元电极间距0.5mm，可就近贴装于间距相同的QFP封装IC引脚间，更有效地改善噪声抑制效果。


　　图2：片式多层穿心电容器单元穿心式滤波器被证明是抑制EMI最有效的无源元件之一，通常采用C型、LC型、π型和T型四种结构。根据结构变化和各单元电容量、电感量的调整和匹配，改变截止频率，实现对指定频段电磁噪声的抑制。片式化的穿心滤波器直接在线路板上贴装接地时，也可同时贯通导电屏蔽板，从而极大地改善在高频段的滤波效果。


　　最常用的C型结构本质上是三端式穿心电容器单元。采用独石结构实现的片式多层穿心电容器单元的接地端，一般在两侧同时引出而成外观四端式结构，如图2。在实现多组单元复合阵列化时，亦共用该两个接地端。片式多层EMI抑制滤波器广泛用于计算机及其外设、汽车电子、数字式多媒体产品、移动电话等通用线路，电源线路及信号线路波形保真等的EMI抑制。


　　π型结构由一个电感单元串联于两个穿心电容单元之间形成。英国SYFER公司生产的SBSMP型采用这种结构。内置电感量0.5μH，额定电流10A，与C型结构SBSMC型相比具有更好的插入损耗特性。适用于高阻抗源高阻抗负载场合。


　　型结构由一个穿心电容单元串联于两个电感单元之间构成。适用于低阻抗源低阻抗负载场合。TDK公司生产的MEM2012、MEM3216型、MEA80208组复合阵列型片式多层EMI抑制滤波器，采用T型结构。对40MHz～1.7GHz频段的电磁干挠的抑制有良好的效果。 嵌入式开发网结束语现代信息技术的飞速发展，极大地促进了片式元件的微型化、复合化与高频化。随着欧共体率先开展电子产品强制性EMI认证，尤其是促进了ESD防护元件、EMI抑制元件的发展。各种新型片式元件的出现和改进反过来进一步促进了新型便携式信息终端和移动通信产品的轻薄短小和升级换代。