噪音抑制/磁性片

噪音抑制片"Flexield"IFL系列

什么是噪音抑制片"Flexield"?

随着智能手机、平板电脑等电子设备的小型、薄型、多功能化的发展,电路基板中也将封装为数众多的电子元件,使其不断高密度化,因此抑制从IC或电缆中辐射出的噪音变得愈发重要。这类辐射噪音很难在设计阶段进行预测,因此很多情况下在制造阶段采取对策。
TDK的噪音抑制片"Flexield"(以下称为Flexield)是将软磁性金属材料的细微粉末(扁平状粉末)与树脂进行混合,并加工成为柔性片材的电磁屏蔽材料。将其贴在辐射噪音发生源,或容易受到辐射噪音影响的部位后,可发挥极为有效的噪音抑制效果。其便于冲压、剪切,可加工成各类形状,同时也可用于柔性曲面及柔性电缆(FPC/FFC)等场合中(图1)。

图1 Flexield的冲压加工示例与使用示例图1 Flexield的冲压加工示例与使用示例

Flexield的结构

如图2所示,TDK的Flexield由表面薄膜、软磁性金属粉末与树脂混合的磁性片材、双面胶以及防粘衬里构成。产品形态分为卷状与片状,提供有厚度在0.025mm~0.2mm的各类IFL系列产品。还可根据用途选择是否需要双面胶。同时,还提供带金属层新产品混合类型(后述),大幅提高了噪音抑制效果。

图2 Flexield的结构以及产品形态图2 Flexield的结构以及产品形态

Flexield的主要特点与用途

Flexield的主要特点与用途如下所述。

    《主要特点》
  • ●通过采用高导磁率软磁性金属材料,发挥优异的辐射噪音抑制效果。
  • ●产品纤薄,即使是狭小的缝隙部位也能安装。
  • ●材质为柔性片材,因此受到冲击也不会开裂。
  • ●形状加工性优异,可应对多种尺寸及形状。
  • ●可提供卷状产品,以帮助进行量产及削减成本。
    《主要用途》
  • ●通过贴于IC元件上后可抑制IC产生的辐射噪音。
  • ●通过电缆连接基板与基板,或连接基板与元件时,只需贴于电缆表面即可抑制辐射噪音。
  • ●通过配置在基板间,可降低一块基板产生的辐射噪音给另外一块基板所造成的影响。
  • ●通过贴在机壳上后,可防止筐体内的内部干扰,并抑制从机壳向外发出的辐射噪音。

Flexield的原理

Flexield通过吸收辐射噪音能量,将其转化为热能来抑制辐射噪音所产生的影响。以下就其原理进行简单说明。
与树脂进行混合的软磁性金属材料的导磁率(μ)与Flexield的噪音抑制特性息息相关。导磁率是指,向磁性体施加磁场(H)时磁通密度(B)的增加率。也就是说,导磁率是磁性体磁通通过容易性(磁化容易性)的指标,可通过以下公式表示。

     
  • μ=B/H

导磁率高,矫磁力较小的磁性体称为软磁性体。通过施加交流磁场后便可轻易反转磁化方向,因此多用于变压器磁芯等产品中。然而,交流磁场频率越高,磁通密度(B)的变化将无法赶上磁场(H)的变化,从而会发生相位延迟。若相位延迟表示为δ,则交流中磁性体的导磁率可通过以下复数记法的公式表示。

  • μ=μ'-jμ''=|μ|cosδ-j|μ|sinδ

μ'称为复数导磁率的实部,μ''称为虚部。δ=0时表示直流的导磁率,但在交流的情况下,频率越高,δ也会越大,因此导磁率会下降。复数导磁率的实部μ'、虚部μ''及相位延迟δ之间存在以下关系。

  • μ''/μ'=tanδ

其中的tanδ称为损耗系数。在变压器磁芯等产品中,tanδ的数值越小,损耗越少,是一款十分优异的磁芯材料,而Flexield则积极使用该损耗达到抑制噪音的效果。图3所示为在施加交流磁场时,导磁率、频率特性的一般倾向示意图表。在频率较低的领域中,复数导磁率的实部μ'占绝对优势。但随着频率升高,磁通密度的变化无法赶上磁场的变化,最终引起磁共振(磁壁共振或旋转磁化共振等),使复数导磁率实部μ'发生骤减,而虚部μ''开始升高。

图3 施加交流磁场时的导磁率变化示意图图3 施加交流磁场时的导磁率变化示意图

IFL系列的导磁率-频率特性

复数导磁率的实部μ'是表示磁通聚集容易度的数值,贴在天线上后有延长通信距离等的效果。另一方面,虚部μ''为磁损耗项,即表示噪音吸收效果大小的数值,包含在Flexield中的软磁性金属材料通过虚部导磁率吸收噪音成分后转换为热能,从而起到抑制效果。为此,Flexield作为噪音抑制片,在低频率至高频率的大频率范围内需要确保较大的复数导磁率的虚部μ''。RFID用磁性片材(用于改善RFID系统的读写器接收灵敏度)是TDK的另外一种Flexield产品,与用于抑制噪音的产品不同,其在13.56MHz的使用频率下,需要较大的实部μ'以及较小的虚部μ''。为此,根据用途的不同,所要求的特性也各有差异。图5所示为噪音抑制用Flexield IFL系列的导磁率-频率特性。

图4 噪音抑制用Flexield IFL系列的导磁率-频率特性图4 噪音抑制用Flexield IFL系列的导磁率-频率特性

IFL系列的各类产品以及磁性片材厚度

噪音抑制片的性能取决于复数导磁率的虚部μ'与厚度之积。一般来说,材料导磁率越高,复数导磁率的虚部μ''则会越大。因此,为了应对噪音抑制片的薄型化趋势,需要更高导磁率的材料。
TDK的Flexield拥有薄型及高导磁率特点,而在2015年实现量产的IFL16产品则实现了行业最高水平的高导磁率(μ=220、at 1MHz)。同时,与传统产品IFL12比较,在性能相同的情况下,其厚度也实现了约20%薄型化。IFL系列中,磁性片材厚度为0.025mm(25μm)~0.2mm(200μm),产品品种丰富(图5)。

图5 Flexield IFL系列的各类产品以及磁性片材厚度图5 Flexield IFL系列的各类产品以及磁性片材厚度

Flexield的制造方法

噪音抑制片的制造方法分为,使用压延辊进行冲压,将软磁性金属粉末(扁平状粉末)与树脂混合的原料加工成为片状的干法,以及将软磁性金属粉末与树脂、溶剂的混合液涂抹(镀膜)在薄膜上的湿法两类。TDK的Flexield IFL系列产品采用了源自磁带、光碟及电子元件等涂抹技术的湿法工艺。
涂抹湿法工艺可满足磁性片的薄型化需求,但要使软磁性金属材料的细微粉末均匀地分散在树脂中,使其统一朝向片材面方向则需要极为先进的技术要求。图6所示为磁性片材的截面结构示意图。软磁性金属粉末分别被树脂包裹,保持绝缘状态,同时根据磁场取向按片材面方向以层状排列。
软磁性金属的粉末厚度也会影响磁性片材特性。在流过交流电流的导体中,频率越高,电流则越会集中于导体表面。这称为集肤效应,而电流流过的深度则称为集肤深度。如前所述,复数导磁率虚部μ''表示的是磁性片材的噪音吸收效果。磁性片材中所使用的软磁性金属层片厚度若低于集肤深度,那么虚部μ''的数值则会变大。因此,通过控制软磁性金属层片的厚度及取向等,便可得到符合目的的导磁率-频率特性的磁性片材。TDK的Flexield IFL系列是一款对复数导磁率实部μ'与虚部μ''达到最佳控制的独特软磁性金属材料,同时,通过绝佳的分散状态与取向状态,实现薄型且高导磁率的噪音抑制片。

图6 磁性片材的截面结构(示意图)图6 磁性片材的截面结构(示意图)

新产品"带金属层IFL系列 混合类型"

以下就TDK于2016年实现量产的带金属层新产品"混合类型(磁性层+导电层)"进行介绍。
混合类型是将传统产品的表面薄膜部位替换为金属层的新型噪音抑制片。
在传统类型噪音抑制片中,辐射噪音通过磁性片材时,磁性片材会吸收噪音,但未能完全吸收的噪音将会通过磁性片材泄漏到外部。
而全新开发的IFL系列混合类型能够很好地解决这一问题。如图7所示,磁性片材未完全吸收的噪音会被金属层屏蔽,同时被金属层反射的噪音会再次被磁性片材所吸收。也就是说,入射的噪音会在磁性片材厚度方向往返时被吸收,因此可大幅降低噪音的能量。由于在高度集成有众多电子元件的智能手机中也可起到降低机壳内辐射噪音的效果,因此也是"自体中毒"问题的有效解决方案。

图7 IFL系列混合类型的金属层功能图7 IFL系列混合类型的金属层功能

图8所示为将DDR存储器作为被测设备(EUT)的近磁场分析示例,以确认IFL系列混合类型的效果。
红色表示噪音等级较高的区域,蓝色则表示较低的区域。在传统产品中会有噪音泄漏,但在IFM系列产品中则几乎得到了完全抑制。能够明确确认金属层的噪音屏蔽效果。

图8 IFL系列混合类型的噪音抑制效果图8 IFL系列混合类型的噪音抑制效果