Miniatyrisering av elektroniske komponenter og industrielle sensorer

Elektroniske komponenter blir mindre og mindre. Flere relaterte faktorer er med på å forklare denne trenden. Produsenter av ende-produkt er presset når det gjelder å utvikle mindre produkter med flere egenskaper og større funksjonalitet. For å gjøre det må produsentene fortsette arbeidet med å utvikle innovative, plassbesparende teknologier. Forskning og utvikling gjør dette mulig, og et godt eksempel er hvordan halvledere bare blir mindre og mindre men pakker fortsatt inn milliarder av transistorer. Men halvledere er ikke den eneste elektroniske komponenten som blir mindre. I dag inneholder de fleste endeprodukter kanskje mindre enn fem halvledere, selv om de har enda flere funksjoner. Når det gjelder tilhørende støttende komponenter, som passive (spole, kondensator og motstander), trenger man ofte hundrevis.

Men miniatyrisering er ikke kun begrenset til elektroniske komponenter. På fabrikkgulvet er det knapp plass, og plassen som er tilgjengelig for maskineri, sensorer og aktuatorer er begrenset. Derfor må neste generasjons produksjonseiendeler være mindre og mer funksjonell.

I denne artikkelen tar vi en nærmere titt på hvorfor miniatyrisering av komponenter er så viktig i produksjon, enten det gjelder elektronikk eller industrielle sensorer.

Miniatyrisering av komponenter – en realitet siden 40-tallet

I elektronikk er endringer en del av livet. Siden transistorene ble oppfunnet på 40-tallet har utviklere fokusert på evolusjonen for å utvikle så små komponenter som mulig. Et tiår senere utviklet Robert Noyce integrerte kretser (IC) med fire transistorer. I verdensledende prosesser finner du i dag titalls milliarder transistorer i. Prosessen for å gjøre halvledere mindre har også økt. Men, utviklingene i design og produksjon har hatt hjelp fra elektronikkbransjen.

Hvor viktig har teknologiske utviklinger vært for elektroniske komponenter?

Den første transistortypen var mye større enn dagens enheter. De var likevel mye mindre enn den eldre teknologien på den tiden, såkalte termioniske ventiler. Ikke bare var transistorene mindre, men forsyningsspenningen var mindre kompleks enn den som fantes på ventilene. Det var ikke behov for et varmeelement, noe som førte til kjølige kretser. Ved et tidligere tidspunkt kunne teknikere se potensialet i hva integrasjonen av transistorene i en integrert krets ville bety. Nå ble det viktig å kunne utvikle integerte kretser som hadde enda flere funksjoner, samtidig som størrelsen på enhetene fortsatte å minke. Gordon Moore, medgrunnlegger i Intel, spådde som kjent ‘Moores lov’, en lov som sier at ‘antall transistorer integrert i en integrert krets vil dobles annenhvert år’.

Videre forskning og utvikling av halvledere i integrerte kretser fortsetter å lede an innen elektronikk i dag. Miniatyriseringen av disse komponentene utfordrer automatisert produksjonsutstyr som produsenter bruker for å kunne romme alle størrelser. De fysiske målene som brukes i dag er utrolige. For eksempel, størrelsen til en avansert halvledernode er for tiden 5 nanometer (nm). Dette målet er ikke knyttet til den faktiske transistorstørrelsen men indikerer tetthet. Mange smarttelefoner bruker integrerte prosesser basert på en på 5 nm-prosess, og strømmen av 30 milliarder transistorer gjør at telefonen kan brukes.

Transistorer og halvleder-integrerte kretser er pakket i henhold til standardspesifikasjoner for overflatemontering, administrert av JEDEC Solid State Technology Association. Det samme gjelder for overflatemonterte, passive komponenter som kondensatorer, motstander og spoler. Som halvledere krymper og funksjonene øker er det viktig at de andre komponentene som trengs også krymper. Hvis du tar en titt på innebygde systemdesign i dag vil du også få øye på et par avanserte integrerte kretser. Men det er flere hundre passive komponenter som plasseres rundt den integrerte kretsen som er grunnleggende for operasjonen.

Et eksempel på et transistorpakkeformat er SOT23-3 (Small Outline Transistor). De brukes vanligvis for signaltransistorer for generell bruk, den har tre terminaler og har målene 3 mm x 1.75 mm x 1.3 mm. Noen integrerte kretser bruker også SOT-23-pakning, hvor X-en indikerer antall pinner som brukes. For eksempel, en SOT23-6 har 6 pinner.

Integrerte kretser har mange ulike pakningskonfigurasjoner. De er alle likevel overflatemonterte. Noen sensorersom mikro-elektromekaniske systemer (MEMS) er laget i populære halvlederpakninger. For eksempel:

  • SSOP (Shrink Small Outline Package) – med bly – med en pinneavstand på 0.635 mm.
  • TSSOP (Thin Shrink Small Outline Package) – med bly – med en pinneavstand på 0.65 mm.
  • QFN (Quad Flat Non-leaded Package) – denne er tilgjengelig i flere ulike elektrodetilkoblinger (pinner) – fra 14 til 100 og ulike pinnebredder – 0.5 mm – 1.65 mm.

De fleste overflatemonterte chip- passive komponenter bruker EIA-koder som viser til komponentens størrelse. Den har populære størrelser som:

  • 0805, måler 2.0 mm x 1.30 mm.
  • 0603 måler 1.5 mm x 0.80 mm.
  • 0402 måler 1.0 mm x 0.50 mm.

Elektronsik komponentminiatyrisering

Yageo er en ledende leverandør av passive komponenter. De har produkter som RC_L, en serie av tykke film ‘chip’-mostander og SMT keramiske kondensatorer med flere lag (MLCC). Denne serien har svært pålitelig elektrodekonstruksjon i en liten størrelse, noe som gjør at den er egnet for generell bruk, som f.eks. smarttelefoner, bærbare PCer, TVer i tillegg til flere industrielle instillinger, PLCM-styringer og automasjonsutstyr. En guide til Yageos RC_L-serie, med detaljerte elektriske og mekaniske spesifikasjoner, kan du finne her.

Figur 1 – SMD-motstander fra Yageo (kilde: Yageo)

Würth Elektronik leverer SMT-spoler i serier som MAPI og MAIA. Strømspoler i MAPI-serien har høy strømkapasitet og tåler høye, forbigående strømtopper. De er magnetisk skjermet, har lav akustisk støy, lav lekkasjeflussstøy, og høy strømklassifisering takket være en magnetisk jernlegering.

Figur 2 – WE-MAPI SMT strømspole (kilde: Würth Elektronik)

WE-MAIA er den minste strømspolen med metalllegering på markedet. Den er svært effektiv, og 4020HT-serien kommer nå i flere størrelser med utvidede temperaturversjoner og AEC-Q200 nivå 0-godkjenning for drift hvor temperaturene måler mellom -55 til +150 grader. Se mer i seriekatalogen.

Trenger man kretser for prototyper, har MAIA strømspoler med metalllegeringet sett som med en praktisk evalueringsressurs. Den dekker alle typer spoler i serien; et dataark for settet kan du finne her.

Figur 3 – Strømspoler med metalllegering fra Würth Elektronik (kilde: Würth Elektronik)

KEMET har et stort utvalg av kondensatorer, inkludert overflatemonterte MLCCer, og enheter med større spenningsaksial og radiale ledningsenheter. EIA klassifiserer disse som “temperaturstabile” og den har materialer i klasse II. Kondensatorer i klasse II er festede, keramiske, dielektriske kondensatorer, de er godt egnet for omkobling og avkobling i tillegg til bruk med frekvensdiskriminatorkretser hvor kapasistanse Q og stabilitet ikke er viktig.

Figur 4 – Radial kondensator fra KEMET (kilde: KEMET)

En annen serie er C4AU og den har høy spenning, er egnet for bil og kan brukes i tøffe elektriske miljø, spesielt i DC-linkapplikasjoner. C4AU-serien har en metallfilm-kondensator som er laget av prolypropyl. Denne har en høy kapasistansetetthet og høy kontaktpålitelighet. Serien er et godt eksempel på produkt-innovasjon, hvor det er mulig å lage et produkt som er så lite takket vært metallfilm-kondensatoren. En informativ rapport om C4AU-utviklingen kan finnes her.

Elfa Distrelec har et stort utvalg av kondensatorer fra KEMET, og disse kan brukes i mange ulike bruksområder.

Industriell komponentminiatyrisering

Det er også nyttig for produsenter av endeprodukter at elektroniske komponenter utvikles til å bli enda mindre. I den industrielle sektoren har man i de siste ti årene sett at automasjon brukes mer og mer. Industrielle initiativer, som Industry 4.0 og IIoT er ansvarlig for økningen av elektronikkbaserte sensorer, kontrollutstyr og AI maskinlæringssystemer. Samtidig som dette utvikles blir det også mindre og mindre plass på fabrikkgulvet, noe som driver etterspørselen etter kompakte energibesparende og høyteknologiske utviklinger.

Denne etterspørselen er ikke kun begrenset til elektroniske komponenter. Produsenter i automasjonutstyr og underenheter har også utviklet seg. Forbedringer når det gjelder 3D-printing, forskning på materialer og en større kunnskap om endelig elementanalyse i mekaniske design har alle bidratt til vekt-, størrelse- og kostnadsreduseringer.

Industrielle produkter innen elektronsik komponentminiatyrisering

Ultrasoniske sensorer brukes i objektdeteksjon i bruk med sikkerhetsbur og av produkter på en produksjonslinje. Et eksempel på en kompakt ultrasonisk sensor er U300 fra Baumer. Den bruker en ultrasonisk sender som opererer ved 310 kHz som gir et område på opptil 1 m. U300-serien måler 12.9 mm x 32.2 mm x 23 mm og er betraktelig mindre enn tidligere deteksjonssensorer. Vertskontrolleren har en tilkobling som nås ved å bruke en 8-pinne M12 rund industriell kontakt. Denne er også IP67-klassifisert. Baumer har et omfattende utvalg av sensorer som er designet spesielt for industrielle bruksområder.

Andre industrielle sensorprodusenter er Wachendorff. De har utivklet LMSCA32 ultakompakt lengdemålesystem. Dette systemet måler lengden av materialer, tre, metall, stoff osv., under en produksjonsprosess som bruker en målingshjulrotasjon på 200 mm.

Figur 5 – Lengdemålesystem fra Wachendorff (kilde: Wachendorff)

Et svært kompakt system med fjærladde armer holder hjulet i kontakt med det målte materialet, og en dreiekoder sender ut pulser som hjulet dreies. Oppløsningsfrekvensen på pulsene kan konfigureres fra 200 pulser per dreining (ppd) til 16 000 ppd.

Fordelene av komponentminiatyrisering

Komponentminiatyrisering er en økende trend som lar designere og produsenter bruke flere avanserte funksjoner i endeproduktene samtidig som komponentene blir mindre og mindre. Enten det er snakk om en IIoT-sensor eller en industriell programmerbar logikkstyring så kan man spare mye plass ved å ta i bruk innovative løsninger. Miniatyrisering gjør at man kan designe mer elegante og plassbesparende produkter. Det åpner også muligheten for å øke funksjonene til nye produkter uten å gjøre de større.

Total
0
Shares
Forrige innlegg

Phoenix Contact – trygge styringsskap

Neste innlegg

Hvilken rolle spiller brytere i Industry 4.0?

Relaterte innlegg