低溫?zé)Y(jié)BIT摻雜NiCoZn鐵氧體及高頻EMI抑制性能研究*

雷 鵬，凌味未，，張婉婷，李元勛，蘇 樺，張懷武

(1. 成都信息工程大學(xué) 通信工程學(xué)院， 成都 610225；2. 電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610054)

0 引 言

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展及各類電子設(shè)備在人們生活中的大量頻繁使用，由此引發(fā)的電子環(huán)境污染—電磁干擾(EMI)問題備受矚目[1-9]。近年來，電子系統(tǒng)與組件應(yīng)用的高頻化使EMI信號頻段從kHz拓展到MHz[10-12]。高頻高Q值鐵氧體是構(gòu)成抑制高頻EMI信號濾波器的關(guān)鍵材料，因此對此類材料的研究具有較好的應(yīng)用前景[13-15]。NiZn鐵氧體是一類高頻性能優(yōu)異的材料，被廣泛應(yīng)用于高頻電子電路，特別是在Co取代后，其品質(zhì)因數(shù)Q顯著提升，更利于其在高頻下的工程應(yīng)用[16-18]。另一方面，電子產(chǎn)品集成度的提高需要先進(jìn)的無源集成技術(shù)，LTCC(low temperature Co-fired ceramic)是目前主流三維集成與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之一，該工藝要求溫度低于Ag的熔點(diǎn)(961 ℃)。為適應(yīng)該技術(shù)，降低鐵氧體燒結(jié)溫度常用的方法之一是摻雜低熔點(diǎn)助劑，比如V2O5，Bi2O3，Bi4Ti3O12(BIT)陶瓷等[19-21]。在前期BIT摻雜NiCuZn鐵氧體[22]的基礎(chǔ)上，本文開發(fā)了一系列BIT摻雜NiCoZn鐵氧體，研究了關(guān)鍵性能參數(shù)變化規(guī)律，進(jìn)一步通過制作EMI濾波器對比驗(yàn)證了高溫?zé)Y(jié)NiCoZn鐵氧體與低溫?zé)Y(jié)摻雜鐵氧體在高頻EMI抑制性能差異，為相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)提供了有價值的參考。

1 實(shí)驗(yàn)與測試

1.1 高溫?zé)Y(jié)NiCoZn鐵氧體制備

按照分子式Ni0.74Co0.02Zn0.24Fe2O4(NCZF)稱取分析純的氧化亞鎳、氧化鋅、氧化鈷、氧化鐵混合，球磨12 h，烘干過篩后在800 ℃空氣中預(yù)燒3h，得到的預(yù)燒粉二次球磨12 h，烘干過篩，加5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))聚乙烯醇造粒，5 MPa壓力下制成8 mm×18mm的環(huán)狀生坯，最后在1 100 ℃空氣中燒結(jié)3h得到成品。

1.2 低溫?zé)Y(jié)BIT摻雜NiCoZn鐵氧體制備

按2Bi2O3+3TiO2→Bi4Ti3O12稱取適量分析純的氧化鉍和氧化鈦均勻混合，濕磨15 h，取出烘干，在770 ℃燒結(jié)2 h得到BIT粉末，按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)x=BIT/NiCoZn(2%、4%、6%、8%)混合BIT粉末和NiCoZn預(yù)燒粉，再球磨12h，烘干過篩，加5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的聚乙烯醇糙粒，在5 MPa壓力下制成8 mm×18 mm的環(huán)狀生坯，最后在900 ℃空氣中燒結(jié)3 h得到成品。

1.3 EMI濾波器設(shè)計(jì)與制作

EMI按照信號傳播方式可以分為傳導(dǎo)干擾以及輻射干擾，本研究基于傳導(dǎo)干擾展開。圖1是本文采用的抗EMI信號的差模干擾和共模干擾濾波電路，其中共模電感L1與安規(guī)電容C2主要構(gòu)成其抗共模干擾濾波電路。其等效電路為圖2(a)，構(gòu)成了典型的2階低通濾波器；其中差模電感L2與安規(guī)電容C1主要構(gòu)成其抗差模干擾濾波電路，圖2(b)是其等效電路，構(gòu)成了3階π型電路。

圖1 EMI差模和共模濾波電路Fig 1 The EMI filter circuit for common-mode and differential-mode

圖2 (a)共模等效電路和(b)差模等效電路Fig 2 The equal circuit for common-mode and differential-mode

EMI濾波器主要關(guān)鍵指標(biāo)為額定電流、插入損耗、漏電流、阻抗匹配。而其中插入損耗最能反應(yīng)濾波器性能的好壞，被定義為：IL=10 log(P1/P2)，其中P1是未插入濾波器時噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率，P2是插入濾波器時噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率。

EMI濾波器參數(shù)通過建立共模以及差模等效電路來確定。對圖2(a)中的共模等效電路，先根據(jù)漏電流的安全規(guī)定確定電容C2值，然后根據(jù)截止頻率公式Fr=(1/2π)·(LC)-1/2計(jì)算出共模電感L1的大?。粚τ趫D2(b)中的差模等效電路，同樣先確定電容C1大小，再根據(jù)上述截止頻率公式得到差模電感L2值。所設(shè)計(jì)的EMI濾波器指標(biāo)要求見表1，計(jì)算出的相關(guān)元件值大小見表2。

表1 共模噪聲和差模噪聲的抑制指標(biāo)Table 1 The noise suppression index for common-mode and differential-mode

表2 各元件參數(shù)值Table 2 The values of all components

所設(shè)計(jì)的EMI濾波器的共模電感由NiCoZn鐵氧體根據(jù)計(jì)算參數(shù)繞制；差模電感分別采用兩類材料制作：1) 高溫?zé)Y(jié)NiCoZn鐵氧體(NCZF)；2) 低溫?zé)Y(jié)6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))BIT摻雜的NiCoZn鐵氧體(BIT/NCZF)。圖3是制作的EMI濾波器實(shí)物圖。

1.4 測試

主相結(jié)構(gòu)由X射線衍射分析儀(XRD, D8ADVANCE, Bruker)測得，磁導(dǎo)率及品質(zhì)因數(shù)Q由LCR分析儀(E4991B Agilent)在1 MHz～1 GHz范圍測得，EMI濾波器的S參數(shù)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(E5062A Agilent)測得。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

圖4給出了800 ℃煅燒的NiCoZn鐵氧體預(yù)燒粉和770 ℃煅燒的BIT陶瓷預(yù)燒粉的XRD圖。圖4(a)圖中NiCoZn鐵氧體主要特征峰清晰尖銳，證明尖晶石相已經(jīng)形成。圖4(b)圖中BIT的特征峰清晰完整，證明鈣鈦礦結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成。

圖3 EMI濾波器實(shí)物圖Fig 3 The EMI filter

圖4 鐵氧體和摻雜劑的XRD圖Fig 4 X-ray diffraction of NiCoZn ferrite pre-sintering powder and BIT ceramic pre-sintering powder

圖5 高溫?zé)Y(jié)NiCoZn鐵氧體的磁導(dǎo)率和品質(zhì)因數(shù)Q隨頻率變化圖Fig 5 Variation of the permeability and quality factor with frequency for the high temperature fired NiCoZn ferrite

2.2 磁性能分析

圖5給出了高溫?zé)Y(jié)NiCoZn鐵氧體磁導(dǎo)率及品質(zhì)因數(shù)Q隨頻率變化的曲線圖。由圖5(a)圖可見NiCoZn鐵氧體在50 MHz附近發(fā)生共振型頻散，在1 MHz到36 MHz的頻段范圍內(nèi)磁導(dǎo)率穩(wěn)定在38左右，其截至頻率約為158 MHz。由圖5(b)知，頻率為3.12 MHz時，其品質(zhì)因數(shù)Q達(dá)到最大值162。

圖6 不同BIT摻雜量的低燒NiCoZn鐵氧體的磁導(dǎo)率和品質(zhì)因數(shù)Q隨頻率變化圖Fig 6 Variation of permeability and quality factor with frequency for the low temperature fired NiCoZn ferrite with different BIT content

圖6是低溫?zé)Y(jié)的BIT摻雜NiCoZn鐵氧體磁導(dǎo)率及品質(zhì)因數(shù)Q隨頻率變化的曲線圖。其中，圖6(a)圖給出了不同摻雜量的鐵氧體的磁導(dǎo)率變化頻譜，所有樣品在1 MHz～82 MHz的頻段范圍內(nèi)磁導(dǎo)率值都比較穩(wěn)定，當(dāng)BIT摻雜量從2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))增加到8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，樣品的磁導(dǎo)率從34逐漸減小到24。相應(yīng)地，截至頻率從210 MHz增加到280 MHz，這與Snoek定律的描述一致[19]。圖6(b)圖給出了摻雜樣品的品質(zhì)因數(shù)Q變化頻譜，所有樣品的Q值隨著頻率增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，能達(dá)到的最大Q值約為87(6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))BIT，20 MHz)。此外，對BIT摻雜量較低的兩個樣品(2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))，它們的磁導(dǎo)率都高于摻雜量較高的兩個樣品(6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))，但其Q值都明顯低于高摻雜的樣品。

可見，與高溫?zé)Y(jié)的NiCoZn鐵氧體相比，BIT摻雜將燒結(jié)溫度從1 100 ℃大幅降到了900 ℃，且2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))摻雜的鐵氧體在發(fā)生頻散前的磁導(dǎo)率已經(jīng)很接近高溫?zé)Y(jié)的NiCoZn鐵氧體。盡管摻雜樣品的Q值比高溫?zé)Y(jié)樣品在較低頻段出現(xiàn)了明顯下降，但其綜合性能仍然表現(xiàn)出較好的工程應(yīng)用潛力及與先進(jìn)集成技術(shù)結(jié)合的價值。

2.3 高頻EMI抑制性能分析

圖7是差模電感分別采用NCZF和BIT/NCZF材料制作的兩種EMI濾波器的共模噪聲抑制性能對比圖。首先，兩種濾波器都在1.5 MHz就實(shí)現(xiàn)了插入損耗大于20 db，在1.5 ～40 MHz的寬頻段內(nèi)對共模噪聲信號表現(xiàn)出較好的抑制能力。其次，在300 kHz～7 MHz頻域內(nèi)采用兩類鐵氧體的濾波器抑制能力幾乎相同；當(dāng)頻率高于7 MHz后，采用NCZF的濾波器對噪聲抑制能力開始強(qiáng)于采用摻雜鐵氧體的濾波器，這種抑制能力的差異性隨頻率增加越來越明顯。頻率在300 kHz～7 MHz范圍內(nèi)時，根據(jù)圖2(a)中的共模等效電路，共模電感部分對電感量的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于差模電感部分，因此，共模部分采用相同材料的兩種濾波器在低頻段的噪聲抑制性能差異不大。當(dāng)頻率高于7 MHz后，由于共模電感品質(zhì)因數(shù)Q開始下降，差模電感量的疊加對電路產(chǎn)生影響逐漸增大，所以，差模電感采用Q值更高的NCZF的濾波器在高頻段的共模噪聲抑制性能更好。

圖7 兩種濾波器的共模噪聲抑制性能對比Fig 7 The common-mode noise suppression of two filters

圖8 兩種濾波器的差模噪聲抑制性能對比Fig 8 The differential-mode noise suppression of two filters

圖8是兩種EMI濾波器的差模噪聲抑制性能對比圖。同樣地，它們都在1.8 MHz就實(shí)現(xiàn)了插入損耗大于30 db，在1.8～40 MHz的寬頻段內(nèi)對差模噪聲信號的抑制性能優(yōu)異。

對比兩種濾波器的差模噪聲抑制性能發(fā)現(xiàn)在不同頻段它們各有優(yōu)勢。在10 MHz以下時，用NCZF作差模電感的EMI濾波器的差模噪聲抑制能力整體優(yōu)于使用BIT/NCZF的濾波器；當(dāng)頻率升高到10～15 MHz范圍內(nèi)時，使用BIT/NCZF的濾波器的差模噪聲抑制能力又好于使用NCZF的濾波器；在20 MHz以上的頻段時，兩個濾波器的差模噪聲抑制能力相近。由圖2(b)中的差模等效電路可知，因電路中共模電感的漏感很小，差模電感性能對電路的差模噪聲抑制能力起主導(dǎo)作用。對比圖5和圖6中的NCZF、BIT/NCZF(6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))BIT摻雜)品質(zhì)因數(shù)Q隨頻率變化的趨勢可以發(fā)現(xiàn)：10 MHz以下時，NCZF鐵氧體的Q值要明顯大于6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))BIT摻雜的鐵氧體，使得NCZF作差模電感的濾波器的差模噪聲抑制性能更好；在10～15 MHz范圍內(nèi)時，NCZF鐵氧體的Q值隨頻率增加迅速下降，導(dǎo)致磁損耗快速增加，電路頻率響應(yīng)變慢，能耗增加，使得噪聲抑制能力變差。相比之下，摻雜鐵氧體BIT/NCZF在這個頻域內(nèi)的Q值卻是隨頻率增加快速上升，使得對應(yīng)的濾波器噪聲抑制性能更優(yōu)；頻率超過20 MHz以后，兩種鐵氧體的Q值都是隨頻率升高快速下降，并達(dá)到較低水平，相對應(yīng)的濾波器的噪聲抑制性能也相近。

3 結(jié) 論

低溫?zé)Y(jié)(900 ℃)的BIT摻雜NiCoZn鐵氧體與高溫?zé)Y(jié)(1 100 ℃)的無摻雜NiCoZn鐵氧體相比，在大幅降低燒結(jié)溫度的前提下能得到相近的磁導(dǎo)率，但在低頻段的Q值也有明顯下降。進(jìn)一步，通過研究兩類鐵氧體制作的EMI濾波器的噪聲抑制性能發(fā)現(xiàn)：兩種濾波器都在1.5 MHz對共模噪聲抑制達(dá)到20 db，在1.8 MHz對差模噪聲抑制達(dá)到30 db，并在之后約38 MHz的頻帶內(nèi)噪聲抑制性能優(yōu)異。相比之下，無摻雜鐵氧體作差模電感的濾波器在7MHz以上時的共模噪聲抑制能力和10 MHz以下的差模噪聲抑制能力更強(qiáng)，而BIT摻雜鐵氧體作差模電感的濾波器在10～15 MHz范圍內(nèi)的差模噪聲抑制能力更強(qiáng)。綜上所述，BIT摻雜NiCoZn鐵氧體在與LTCC集成技術(shù)結(jié)合開發(fā)高性能EMI濾波器方面有很好的應(yīng)用前景。