低温烧结BIT掺杂NiCoZn铁氧体及高频EMI抑制性能研究*

雷 鹏，凌味未，，张婉婷，李元勋，苏 桦，张怀武

(1. 成都信息工程大学 通信工程学院， 成都 610225；2. 电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室， 成都 610054)

0 引 言

随着无线通信技术的飞速发展及各类电子设备在人们生活中的大量频繁使用，由此引发的电子环境污染—电磁干扰(EMI)问题备受瞩目[1-9]。近年来，电子系统与组件应用的高频化使EMI信号频段从kHz拓展到MHz[10-12]。高频高Q值铁氧体是构成抑制高频EMI信号滤波器的关键材料，因此对此类材料的研究具有较好的应用前景[13-15]。NiZn铁氧体是一类高频性能优异的材料，被广泛应用于高频电子电路，特别是在Co取代后，其品质因数Q显著提升，更利于其在高频下的工程应用[16-18]。另一方面，电子产品集成度的提高需要先进的无源集成技术，LTCC(low temperature Co-fired ceramic)是目前主流三维集成与互联网技术之一，该工艺要求温度低于Ag的熔点(961 ℃)。为适应该技术，降低铁氧体烧结温度常用的方法之一是掺杂低熔点助剂，比如V2O5，Bi2O3，Bi4Ti3O12(BIT)陶瓷等[19-21]。在前期BIT掺杂NiCuZn铁氧体[22]的基础上，本文开发了一系列BIT掺杂NiCoZn铁氧体，研究了关键性能参数变化规律，进一步通过制作EMI滤波器对比验证了高温烧结NiCoZn铁氧体与低温烧结掺杂铁氧体在高频EMI抑制性能差异，为相关产品开发提供了有价值的参考。

1 实验与测试

1.1 高温烧结NiCoZn铁氧体制备

按照分子式Ni0.74Co0.02Zn0.24Fe2O4(NCZF)称取分析纯的氧化亚镍、氧化锌、氧化钴、氧化铁混合，球磨12 h，烘干过筛后在800 ℃空气中预烧3h，得到的预烧粉二次球磨12 h，烘干过筛，加5%(质量分数)聚乙烯醇造粒，5 MPa压力下制成8 mm×18mm的环状生坯，最后在1 100 ℃空气中烧结3h得到成品。

1.2 低温烧结BIT掺杂NiCoZn铁氧体制备

按2Bi2O3+3TiO2→Bi4Ti3O12称取适量分析纯的氧化铋和氧化钛均匀混合，湿磨15 h，取出烘干，在770 ℃烧结2 h得到BIT粉末，按照质量分数x=BIT/NiCoZn(2%、4%、6%、8%)混合BIT粉末和NiCoZn预烧粉，再球磨12h，烘干过筛，加5%(质量分数)的聚乙烯醇糙粒，在5 MPa压力下制成8 mm×18 mm的环状生坯，最后在900 ℃空气中烧结3 h得到成品。

1.3 EMI滤波器设计与制作

EMI按照信号传播方式可以分为传导干扰以及辐射干扰，本研究基于传导干扰展开。图1是本文采用的抗EMI信号的差模干扰和共模干扰滤波电路，其中共模电感L1与安规电容C2主要构成其抗共模干扰滤波电路。其等效电路为图2(a)，构成了典型的2阶低通滤波器；其中差模电感L2与安规电容C1主要构成其抗差模干扰滤波电路，图2(b)是其等效电路，构成了3阶π型电路。

图1 EMI差模和共模滤波电路Fig 1 The EMI filter circuit for common-mode and differential-mode

图2 (a)共模等效电路和(b)差模等效电路Fig 2 The equal circuit for common-mode and differential-mode

EMI滤波器主要关键指标为额定电流、插入损耗、漏电流、阻抗匹配。而其中插入损耗最能反应滤波器性能的好坏，被定义为：IL=10 log(P1/P2)，其中P1是未插入滤波器时噪声源传输到负载的功率，P2是插入滤波器时噪声源传输到负载的功率。

EMI滤波器参数通过建立共模以及差模等效电路来确定。对图2(a)中的共模等效电路，先根据漏电流的安全规定确定电容C2值，然后根据截止频率公式Fr=(1/2π)·(LC)-1/2计算出共模电感L1的大小；对于图2(b)中的差模等效电路，同样先确定电容C1大小，再根据上述截止频率公式得到差模电感L2值。所设计的EMI滤波器指标要求见表1，计算出的相关元件值大小见表2。

表1 共模噪声和差模噪声的抑制指标Table 1 The noise suppression index for common-mode and differential-mode

表2 各元件参数值Table 2 The values of all components

所设计的EMI滤波器的共模电感由NiCoZn铁氧体根据计算参数绕制；差模电感分别采用两类材料制作：1) 高温烧结NiCoZn铁氧体(NCZF)；2) 低温烧结6%(质量分数)BIT掺杂的NiCoZn铁氧体(BIT/NCZF)。图3是制作的EMI滤波器实物图。

1.4 测试

主相结构由X射线衍射分析仪(XRD, D8ADVANCE, Bruker)测得，磁导率及品质因数Q由LCR分析仪(E4991B Agilent)在1 MHz～1 GHz范围测得，EMI滤波器的S参数由矢量网络分析仪(E5062A Agilent)测得。

2 结果与讨论

2.1 结构表征

图4给出了800 ℃煅烧的NiCoZn铁氧体预烧粉和770 ℃煅烧的BIT陶瓷预烧粉的XRD图。图4(a)图中NiCoZn铁氧体主要特征峰清晰尖锐，证明尖晶石相已经形成。图4(b)图中BIT的特征峰清晰完整，证明钙钛矿结构已经形成。

图3 EMI滤波器实物图Fig 3 The EMI filter

图4 铁氧体和掺杂剂的XRD图Fig 4 X-ray diffraction of NiCoZn ferrite pre-sintering powder and BIT ceramic pre-sintering powder

图5 高温烧结NiCoZn铁氧体的磁导率和品质因数Q随频率变化图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

图5给出了高温烧结NiCoZn铁氧体磁导率及品质因数Q随频率变化的曲线图。由图5(a)图可见NiCoZn铁氧体在50 MHz附近发生共振型频散，在1 MHz到36 MHz的频段范围内磁导率稳定在38左右，其截至频率约为158 MHz。由图5(b)知，频率为3.12 MHz时，其品质因数Q达到最大值162。

图6 不同BIT掺杂量的低烧NiCoZn铁氧体的磁导率和品质因数Q随频率变化图Fig 6 Variation of permeability and quality factor with frequency for the low temperature fired NiCoZn ferrite with different BIT content

图6是低温烧结的BIT掺杂NiCoZn铁氧体磁导率及品质因数Q随频率变化的曲线图。其中，图6(a)图给出了不同掺杂量的铁氧体的磁导率变化频谱，所有样品在1 MHz～82 MHz的频段范围内磁导率值都比较稳定，当BIT掺杂量从2%(质量分数)增加到8%(质量分数)时，样品的磁导率从34逐渐减小到24。相应地，截至频率从210 MHz增加到280 MHz，这与Snoek定律的描述一致[19]。图6(b)图给出了掺杂样品的品质因数Q变化频谱，所有样品的Q值随着频率增加呈现出先增大后减小的趋势，能达到的最大Q值约为87(6%(质量分数)BIT，20 MHz)。此外，对BIT掺杂量较低的两个样品(2%(质量分数)和4%(质量分数))，它们的磁导率都高于掺杂量较高的两个样品(6%(质量分数)和8%(质量分数))，但其Q值都明显低于高掺杂的样品。

可见，与高温烧结的NiCoZn铁氧体相比，BIT掺杂将烧结温度从1 100 ℃大幅降到了900 ℃，且2%(质量分数)掺杂的铁氧体在发生频散前的磁导率已经很接近高温烧结的NiCoZn铁氧体。尽管掺杂样品的Q值比高温烧结样品在较低频段出现了明显下降，但其综合性能仍然表现出较好的工程应用潜力及与先进集成技术结合的价值。

2.3 高频EMI抑制性能分析

图7是差模电感分别采用NCZF和BIT/NCZF材料制作的两种EMI滤波器的共模噪声抑制性能对比图。首先，两种滤波器都在1.5 MHz就实现了插入损耗大于20 db，在1.5 ～40 MHz的宽频段内对共模噪声信号表现出较好的抑制能力。其次，在300 kHz～7 MHz频域内采用两类铁氧体的滤波器抑制能力几乎相同；当频率高于7 MHz后，采用NCZF的滤波器对噪声抑制能力开始强于采用掺杂铁氧体的滤波器，这种抑制能力的差异性随频率增加越来越明显。频率在300 kHz～7 MHz范围内时，根据图2(a)中的共模等效电路，共模电感部分对电感量的贡献远大于差模电感部分，因此，共模部分采用相同材料的两种滤波器在低频段的噪声抑制性能差异不大。当频率高于7 MHz后，由于共模电感品质因数Q开始下降，差模电感量的叠加对电路产生影响逐渐增大，所以，差模电感采用Q值更高的NCZF的滤波器在高频段的共模噪声抑制性能更好。

图7 两种滤波器的共模噪声抑制性能对比Fig 7 The common-mode noise suppression of two filters

图8 两种滤波器的差模噪声抑制性能对比Fig 8 The differential-mode noise suppression of two filters

图8是两种EMI滤波器的差模噪声抑制性能对比图。同样地，它们都在1.8 MHz就实现了插入损耗大于30 db，在1.8～40 MHz的宽频段内对差模噪声信号的抑制性能优异。

对比两种滤波器的差模噪声抑制性能发现在不同频段它们各有优势。在10 MHz以下时，用NCZF作差模电感的EMI滤波器的差模噪声抑制能力整体优于使用BIT/NCZF的滤波器；当频率升高到10～15 MHz范围内时，使用BIT/NCZF的滤波器的差模噪声抑制能力又好于使用NCZF的滤波器；在20 MHz以上的频段时，两个滤波器的差模噪声抑制能力相近。由图2(b)中的差模等效电路可知，因电路中共模电感的漏感很小，差模电感性能对电路的差模噪声抑制能力起主导作用。对比图5和图6中的NCZF、BIT/NCZF(6%(质量分数)BIT掺杂)品质因数Q随频率变化的趋势可以发现：10 MHz以下时，NCZF铁氧体的Q值要明显大于6%(质量分数)BIT掺杂的铁氧体，使得NCZF作差模电感的滤波器的差模噪声抑制性能更好；在10～15 MHz范围内时，NCZF铁氧体的Q值随频率增加迅速下降，导致磁损耗快速增加，电路频率响应变慢，能耗增加，使得噪声抑制能力变差。相比之下，掺杂铁氧体BIT/NCZF在这个频域内的Q值却是随频率增加快速上升，使得对应的滤波器噪声抑制性能更优；频率超过20 MHz以后，两种铁氧体的Q值都是随频率升高快速下降，并达到较低水平，相对应的滤波器的噪声抑制性能也相近。

3 结 论

低温烧结(900 ℃)的BIT掺杂NiCoZn铁氧体与高温烧结(1 100 ℃)的无掺杂NiCoZn铁氧体相比，在大幅降低烧结温度的前提下能得到相近的磁导率，但在低频段的Q值也有明显下降。进一步，通过研究两类铁氧体制作的EMI滤波器的噪声抑制性能发现：两种滤波器都在1.5 MHz对共模噪声抑制达到20 db，在1.8 MHz对差模噪声抑制达到30 db，并在之后约38 MHz的频带内噪声抑制性能优异。相比之下，无掺杂铁氧体作差模电感的滤波器在7MHz以上时的共模噪声抑制能力和10 MHz以下的差模噪声抑制能力更强，而BIT掺杂铁氧体作差模电感的滤波器在10～15 MHz范围内的差模噪声抑制能力更强。综上所述，BIT掺杂NiCoZn铁氧体在与LTCC集成技术结合开发高性能EMI滤波器方面有很好的应用前景。