Az elektronikus alkatrészek mérete folyamatosan csökken. Ezt a tendenciát több, egymással összefüggő tényező magyarázza. A végtermékgyártókra nagy nyomás nehezedik, hogy termékeiket kisebbé tegyék, ugyanakkor növeljék képességeiket és funkcionalitásukat. Ehhez folyamatosan fejleszteniük kell a saját technológiáikat, hogy kisebb helyen is elférjenek. A technológiai kutatás és fejlesztés teszi ezt lehetővé; kiváló példa erre, hogy a félvezetők egyre kisebb alapterületen egyre több milliárd tranzisztort tartalmaznak. De nem a félvezető az egyetlen elektronikai alkatrész, amelynek kisebbnek kell lennie. Manapság a legtöbb elektronikai alapú végtermék kevesebb mint öt félvezetőt tartalmazhat, annak ellenére, hogy képességeik óriási mértékben megnövekedtek. Ugyanakkor több száz támogató és ugyanilyen fontos alkatrészre, például passzív alkatrészre (induktorok, kondenzátorok és ellenállások) van szükség.
Az alkatrészek miniatürizálására vonatkozó követelmények azonban nem csak az elektronikus alkatrészekre korlátozódnak. Az ipari területen a gyárban a hely szűkös, és az egyes termelési eszközök, érzékelők és működtetők számára rendelkezésre álló hely korlátozott. Következésképpen az egyes termelési eszközök következő generációjának kisebbnek kell lennie, és több funkciót kell biztosítania.
Ez a cikk arra összpontosít, hogy az alkatrészek folyamatos miniatürizálása mennyire fontos az ipari területen, legyen szó akár elektronikus alkatrészről, akár ipari érzékelőről.
Az alkatrészek miniatürizálása teret hódít
Az elektronikai iparban a változás állandó. A tranzisztor 1940-es évek végi születése óta a kutatók a miniatürizálásra összpontosító evolúciós útra léptek. Egy évtizeddel később Robert Noyce a Fairchild Semiconductor cégnél kifejlesztette az első négy tranzisztort tartalmazó integrált áramkört (IC). Ha pedig a jelenlegi technológiát nézzük, már több tízmilliárd tranzisztort találunk a legmodernebb processzorokban. A félvezetők egyre kisebb területen történő elhelyezésének folyamata jelentősen előrehaladt. Az alkatrésztervezés és -gyártás terén elért fejlődés azonban a szélesebb értelemben vett elektronikai iparnak is hasznára vált.
A technológiai fejlődés hatása az elektronikus alkatrészekre
Az első tranzisztor prototípusa a mai eszközökhöz képest nagy darab volt. Ez azonban lényegesen kisebb volt, mint az akkori korszak örökölt technológiája: a Braun-csövek. A tranzisztor nem csak kisebb volt, de a tápfeszültség elrendezése is kevésbé volt bonyolult, mint a Braun-csövek esetében. Emellett fűtőelem nélkül az áramkör nem melegedett. A mérnökök már a korai szakaszban látták, hogy a tranzisztorok IC-be történő integrálása milyen lehetőségeket rejt magában. Elkezdődött az az út, amelynek célja az IC képességeinek növelése a fizikai helyigény csökkentése mellett. Gordon Moore, az Intel társalapítója híres előrejelzése, a „Moore-törvény” szerint „az IC-kbe épített tranzisztorok száma kétévente megduplázódik”.
A félvezető IC-k tervezése és fejlesztése terén végzett kutatás és fejlesztés ma is vezető szerepet tölt be az elektronikai iparban. Az elektronikai alkatrészek méretének csökkentése kihívás elé állítja az automatizált gyártóberendezések gyártóit, hogy kisebb méreteket alkalmazzanak. A jelenlegi fizikai méretek elképesztőek. Például a fejlett félvezető-feldolgozási csomópont mérete jelenleg 5 nanométer (nm). Ez a méret nem a tényleges tranzisztor méretére vonatkozik, hanem a félvezetőgyártók használják a tranzisztorsűrűség jelzésére. Számos okostelefon az 5 nm-es eljáráson alapuló IC-ket használ, és a 30 milliárd tranzisztor számítási teljesítménye az, ami lehetővé teszi a telefon és az összes népszerű alkalmazás működését.
A tranzisztorok és a félvezető IC-k csomagolása a JEDEC Solid State Technology Association által kezelt szabványos felületre szerelhető (SMT) csomagolási előírások szerint történik. Ugyanez igaz a felületre szerelt passzív alkatrészekre, például a kondenzátorokra, ellenállásokra és induktorokra is. A félvezetők zsugorodásával és képességeik növekedésével párhuzamosan az őket támogató passzív alkatrészek méretének csökkentésére van szükség. Ha megnézünk egy beágyazott rendszertervet manapság, csak néhány összetett IC-t láthatunk. Az IC-k körül azonban sok száz passzív alkatrész van elhelyezve, amelyek alapvető fontosságúak a működésükhöz.
Egy példa a tranzisztorok csomagolási formátumára: SOT23-3 (Small Outline Transistor). Általában kis jelű általános célú tranzisztorokhoz használják, három csatlakozóval rendelkezik, mérete pedig 3 mm x 1.75 mm x 1.3 mm. Egyes IC-k a SOT-23-as csomagot is használják, az „-x” jelzi a felhasznált érintkezők számát. A SOT23-6 például egy hatérintkezős IC-t jelöl.
Az integrált áramköröknek sokféle csomagolási konfigurációja van, némelyik ólmozott, mások nem. Akárhogy is, mindegyik felületre szerelt. Egyes érzékelők, mint például a mikro-elektromechanikus rendszerek (MEMS), népszerű félvezető csomagokban készülnek. Példák:
- SSOP (Shrink Small Outline Package) – ólmozott – 0.635 mm-es érintkezőközzel
- TSSOP (Thin Shrink Small Outline Package) – vezetékes – 0.65 mm-es érintkezőközzel
- QFN (Quad Flat Non-leaded) csomag – különböző elektróda (tű) csatlakozásokkal (14 és 100 között), valamint különböző osztásszélességekkel (0.5 mm és 1.65 mm között) áll rendelkezésre
A felületre szerelt „chip” passzív alkatrészek többsége esetén az EIA-kódokat használják az alkatrészméret jelölésére. Példák a népszerű méretekre:
- 0805, mérete: 2.0 mm x 1.30 mm (0.08 hüvelyk x 0.05 hüvelyk)
- 0603, mérete: 1.5 mm x 0.80 mm (0.06 hüvelyk x 0.03 hüvelyk)
- 0402, mérete: 1.0 mm x 0.50 mm (0.04 hüvelyk x 0.02 hüvelyk)
Elektronikus alkatrészek miniatürizálásának bemutatója
A Yageo a passzív alkatrészek vezető szállítója. Ilyenek például az RC_L sorozatú vastagrétegű „chip” ellenállások vagy az SMT többrétegű kerámia kondenzátorok (MLCC). Ezek a sorozatok rendkívül megbízható elektróda konstrukcióval rendelkeznek, kis méretben, így alkalmasak minden olyan általános célú alkalmazáshoz, ahol a méret folyamatosan csökken, azaz okostelefonok, laptopok, televíziók, valamint ipari környezetben PLCM vezérlők és automatizálási berendezések. A Yageo RC_L sorozat összes elektromos és mechanikai specifikációját tartalmazó útmutatójáért kattintson ide.
A Würth Elektronik olyan SMT-induktorokat szállít, mint az MAPI vagy az MAIA sorozat. Az MAPI teljesítményinduktorok nagy áramerősséget biztosítanak és nagy tranziens áramcsúcsokat kezelnek. Mágnesesen árnyékoltak, alacsony akusztikai zajt, alacsony szivárgási fluxuszajt és a mágneses vasötvözetnek köszönhetően nagy névleges áramot biztosítanak.
A WE-MAIA az egyik legkisebb fémötvözetből készült teljesítményinduktor a piacon. Hatékonysága figyelemre méltó, és a 4020HT sorozat mostantól új méretekben és kibővített hőmérsékletű változatokban is elérhető. Az eszközök a –55 és +150 Celsius-fok közötti működési hőmérsékletre AEC-Q200 Grade 0 jóváhagyással rendelkeznek. Fedezzen fel többet a sorozatról szóló katalógusban.
A Würth Elektronik MAIA fémötvözetből készült teljesítményinduktor tervezőkészlete áramköri prototípusok készítéséhez kényelmes értékelési forrást kínál. A készlet a sorozatban szereplő induktorok teljes skáláját lefedi; a készlet adatlapja ide kattintva érhető el.
A KEMET a kondenzátorok átfogó választékát kínálja, beleértve a felületre szerelt MLCC-ket, valamint a nagyobb méretű, nagyobb feszültségű, axiális és radiális ólommal ellátott eszközöket. Az EIA ezeket az MLCC-ket „hőmérséklet-stabil” és II. osztályú anyagoknak minősíti. A II. osztályú kondenzátorok fix kerámia dielektromos kondenzátorok, amelyek alkalmasak áthidaló és leválasztó alkalmazásokhoz, valamint frekvenciamegkülönböztető áramkörökhöz, ahol a Q kapacitás és a stabilitás nem kulcsfontosságú.
Másik sorozat a C4AU, amely nagyfeszültségű, autóipari minősítésű kondenzátort kínál, amely alkalmas a zord elektromos környezetekben való használatra, különösen egyenáramú kapcsolási alkalmazásokban. A C4AU sorozat egy polipropilénből készült fémezett filmkondenzátor, amely nagy kapacitási sűrűséggel és nagy érintkezési megbízhatósággal rendelkezik. A sorozat kiváló példája a termékinnovációnak, ahol a fémezett filmkondenzátorok technikái lehetővé tették a termék miniatürizálását. A C4AU fejlesztéséről szóló tájékoztató tanulmány itt érhető el.
A Distrelec weboldalán a KEMET különböző alkalmazásokhoz alkalmas kondenzátorok széles választékát mutatja be.
Alkatrészek miniatürizálása az iparban
A végtermékgyártók előszeretettel használják ki az elektronikai alkatrészek folyamatos méretcsökkentését. Különösen az ipari ágazatban nőtt jelentősen az automatizálás mértéke az elmúlt évtizedben. Az ipari hatékonyságnövelő kezdeményezések, mint például az Ipar 4.0 vagy az Ipari dolgok internete (IIoT), felelősek az elektronikai alapú érzékelők, vezérlőberendezések és MI gépi tanulási rendszerek egyre szélesebb körű elterjedéséért. Az automatizálási berendezések számának növekedése a rendelkezésre álló gyári hely szűkössége mellett zajlik, ami a kompakt, energiahatékony és élvonalbeli alkatrésztechnológiák iránti keresletet növeli.
Az alkatrészek miniatürizálására való törekvés nem korlátozódik az elektronikus alkatrészekre. Az automatizálási berendezések és részegységek gyártói is újítottak. A 3D nyomtatás, az anyagtechnológiai kutatás és a mechanikai tervezésben a végeselem-elemzés mélyebb megértése hozzájárul a súly, a méret és a költségek csökkentéséhez.
Ipari alkatrészek miniatürizálásának bemutatója
Az ultrahangos érzékelőket különböző objektumérési feladatokban alkalmazzák, például biztonsági ketrecekben vagy a szállítószalagon lévő termékeknél. A kompakt ultrahangos érzékelőre példa a Baumer U300 sorozata. Az eszköz egy 310 kHz-es frekvencián működő ultrahangos sugárzót használ, amely akár 1 m-es érzékelési tartományt is biztosít. Az U300 sorozat 12.9 mm x 32.2 mm x 23 mm méretű, és lényegesen kevesebb helyet foglal el, mint az érzékelők előző generációja. A gazdavezérlőhöz való csatlakoztatás 8 pólusú M12-es kerek ipari csatlakozóval történik, és IP67-es védettségű. A Baumer kifejezetten ipari alkalmazásokhoz tervezett érzékelők átfogó termékcsaládját kínálja.
Egy másik ipari érzékelőgyártó a Wachendorff. Egy termékpélda erre az LMSCA32 ultrakompakt hosszmérő rendszer. A rendszer egy 200 mm-es mérőkerék forgásával méri az anyagok, fa, fém, szövetek stb. hosszát a gyártási folyamat során.
Az új, rugós karral ellátott ultrakompakt rendszer fenntartja a kerék érintkezését a mért anyaggal, és a forgókódoló a kerék forgásakor impulzusokat küld. Az impulzusok felbontási frekvenciája 200 impulzus/fordulat (ppr) és 16 000 ppr között konfigurálható.
Az alkatrészek miniatürizálásának előnyei
Az alkatrészek miniatürizálásának folyamatos trendje lehetővé teszi a tervezők és gyártók számára, hogy fejlettebb funkciókat építsenek be végtermékeikbe, miközben csökkentik azok helyigényét. Akár IIoT-érzékelőt, akár ipari programozható logikai vezérlőt tervez, a termékházon belül helytakarékosságot érhet el. A miniatürizálás lehetővé teszi a stílusosabb és helytakarékosabb termékek tervezését. Lehetőség nyílik továbbá az új termékek jellemzőinek és funkcionalitásának növelésére anélkül, hogy azok méretei növekednének.
