Miniaturyzacja komponentów elektronicznych i czujników przemysłowych

Komponenty elektroniczne stają się coraz mniejsze. Jest to spowodowane kilkoma wzajemnie powiązanymi czynnikami. Producenci wyrobów końcowych usiłują zmniejszyć rozmiary swoich produktów, zwiększając jednocześnie ich możliwości i funkcjonalność. Aby tego dokonać, muszą stale wprowadzać innowacje technologiczne, które pozwolą im zmieścić te komponenty w coraz mniejszej przestrzeni. Jest to możliwe dzięki badaniom i rozwojowi technologii. Najlepszym przykładem są coraz mniejsze półprzewodniki, w których mieszczą się miliardy tranzystorów. Półprzewodniki nie są jednak jedynym elementem elektronicznym, który ulega miniaturyzacji. Większość współczesnych produktów elektronicznych może zawierać mniej niż pięć półprzewodników, mimo że ich możliwości znacznie się zwiększyły. Natomiast równie istotne elementy pomocnicze, takie jak elementy pasywne (cewki, kondensatory, rezystory) są liczone w setkach.

Wymagania dotyczące miniaturyzacji komponentów nie ograniczają się jednak tylko do elementów elektronicznych. Powierzchnia hali fabrycznej, na której muszą zmieścić się wszystkie urządzenia produkcyjne, czujniki i siłowniki, jest bardzo ograniczona. W związku z tym każda kolejna generacja urządzeń produkcyjnych musi być mniejsza i zapewniać większą funkcjonalność.

W niniejszym artykule skupiamy się na tym, w jaki sposób ciągła miniaturyzacja komponentów, zarówno elektronicznych, jak i czujników przemysłowych, staje się coraz ważniejsza w branży przemysłowej.

Miniaturyzacja komponentów idzie naprzód

Przemysł elektroniczny ciągle się zmienia. Od momentu stworzenia tranzystora pod koniec lat 40. ubiegłego wieku naukowcy rozpoczęli ewolucyjną podróż w stronę miniaturyzacji. Dekadę później Robert Noyce z Fairchild Semiconductor opracował pierwszy układ scalony wyposażony w cztery tranzystory. Dzisiejsze układy scalone, które można znaleźć w najnowocześniejszych procesorach, zawierają dziesiątki miliardów tranzystorów. Produkcja półprzewodników na coraz mniejszej powierzchni znacznie się rozwinęła. Jednocześnie postępy w projektowaniu i produkcji podzespołów przyniosły korzyści całej branży elektronicznej.

Wpływ postępu technologicznego na komponenty elektroniczne

Pierwszy prototyp tranzystora był sporych rozmiarów w porównaniu z dzisiejszymi urządzeniami. Jednocześnie był znacznie mniejszy od starszych urządzeń z tamtej epoki, takich jak lampa elektronowa z termokatodą. Tranzystor był nie tylko mniejszy, ale jego układ napięcia zasilania był mniej skomplikowany niż w lampach. Co więcej, bez elementu grzejnego układ funkcjonował w chłodnych warunkach. We wczesnym stadium prac inżynierowie dostrzegli potencjał drzemiący w integracji tranzystorów w układzie scalonym. Tak rozpoczęła się historia zwiększania możliwości układów scalonych przy jednoczesnym zmniejszaniu ich fizycznej powierzchni. Gordon Moore, współzałożyciel firmy Intel, przewidział słynne „prawo Moore’a”, zgodnie z którym „liczba tranzystorów wbudowanych w układ scalony będzie się podwajać co dwa lata”.

Badania i rozwój w dziedzinie projektowania i opracowywania półprzewodnikowych układów scalonych nadal zajmują czołowe miejsce w dzisiejszym przemyśle elektronicznym. Redukcja rozmiarów elementów elektronicznych stanowi wyzwanie dla producentów zautomatyzowanego sprzętu produkcyjnego, którzy muszą dostosować się do mniejszych rozmiarów. A są one coraz bardziej zdumiewające. Na przykład, rozmiar węzła zaawansowanego procesu półprzewodnikowego wynosi obecnie 5 nanometrów (nm). Wymiary te nie odnoszą się do rzeczywistej wielkości tranzystora, ale są używane przez producentów półprzewodników do oznaczania gęstości tranzystorów. Wiele smartfonów wykorzystuje układy scalone bazujące na procesie technologicznym 5 nm, a moc obliczeniowa 30 miliardów tranzystorów umożliwia działanie telefonu i wszystkich popularnych aplikacji.

Tranzystory i półprzewodnikowe układy scalone są obudowane zgodnie ze standardowymi specyfikacjami dotyczącymi obudów do montażu powierzchniowego (SMT), zarządzanymi przez stowarzyszenie JEDEC Solid State Technology Association. Dotyczy to także montowanych powierzchniowo elementów pasywnych, takich jak kondensatory, rezystory i cewki. Ze względu na to, że półprzewodniki stają się coraz mniejsze, przy jednoczesnym wzroście ich możliwości, potrzeba zmniejszenia rozmiarów elementów pasywnych, które je obsługują, jest niezwykle istotna. Wystarczy spojrzeć na dowolny projekt systemu wbudowanego, aby przekonać się, że składa się on zaledwie z kilku złożonych układów scalonych. Tymczasem dookoła układów scalonych umieszczonych jest wiele setek elementów pasywnych, które mają zasadnicze znaczenie dla ich działania.

Przekładowym formatem obudowy tranzystora jest SOT23-3 (ang. Small Outline Transistor). Zazwyczaj stosuje się ją w przypadku małosygnałowych tranzystorów ogólnego przeznaczenia. Jest wyposażona w trzy styki, a jej wymiary to 3 × 1,75 × 1,3 mm. Niektóre układy scalone również korzystają z obudowy SOT-23, liczbę użytych styków określa dodana do symbolu liczba. Na przykład SOT23-6 oznacza układ scalony z sześcioma stykami.

Obudowy układów scalonych są dostępne w wielu różnych konfiguracjach, niektóre z wyprowadzeniami, inne bez. Bez względu na sposób wykonania, wszystkie są montowane powierzchniowo. Niektóre czujniki, takie jak systemy mikroelektromechaniczne (MEMS), są konstruowane w popularnych obudowach półprzewodnikowych. Są to na przykład:

  • SSOP (ang. shrink small outline package) – obudowa z wyprowadzeniami o rozstawie 0,635 mm.
  • TSSOP (ang. thin shrink small outline package) – obudowa z wyprowadzeniami o rozstawie 0,65 mm.
  • QFN (quad flat non-leaded) – obudowa dostępna z różnymi połączeniami elektrod (pinów) – od 14 do 100, oraz o różnych szerokościach skoku – od 0,5 mm do 1,65 mm.

Większość montowanych powierzchniowo elementów pasywnych typu „chip” używa kodów EIA do oznaczania rozmiarów elementów. Do najpopularniejszych przykładowych rozmiarów należą:

  • – 0805, o wymiarach 2,0 mm × 1,30 mm (0,08 cala × 0,05 cala).
  • – 0603 o wymiarach 1,5 mm × 0,80 mm (0,06 cala × 0,03 cala).
  • – 0402 o wymiarach 1,0 mm × 0,50 mm (0,04 cala × 0,02 cala).

Przegląd możliwości miniaturyzacji elementów elektronicznych

Yageo to czołowy dostawca elementów pasywnych. Wśród produktów Yageo znajdują się na przykład seria RC_L, w której skład wchodzą grubowarstwowe rezystory „chipowe” oraz wielowarstwowe kondensatory ceramiczne SMT (MLCC). Seria ta charakteryzuje się wysoce niezawodną konstrukcją elektrodową w małej obudowie, dzięki czemu nadaje się do wszystkich zastosowań ogólnych, wymagających coraz mniejszych rozmiarów, takich jak smartfony, laptopy, telewizory, jak również do zastosowań przemysłowych – sterowników PLCM i urządzeń automatyki. Kompletny przewodnik po serii Yageo RC_L, zawierający wszystkie dane elektryczne i mechaniczne, jest dostępny tutaj.

Rysunek 1 – Przykład rezystora SMD marki Yageo (źródło: Yageo)

Würth Elektronik jest dostawcą cewek SMT, takich jak cewki serii MAPI oraz MAIA. Cewki indukcyjne MAPI oferują wysoką wytrzymałość prądową oraz są odporne na przejściowe impulsy prądowe. Cewki są ekranowane magnetycznie i charakteryzują się niskim poziomem szumów akustycznych, niskim poziomem szumów strumienia upływu i wysokim prądem znamionowym dzięki zastosowaniu magnetycznego stopu żelaza.

Rysunek 2 – Przykład cewki mocy SMT WE-MAPI (źródło: Würth Elektronik)

WE-MAIA to jedna z najmniejszych na rynku cewek indukcyjnych wykonanych ze stopów metali. Wyróżnia się imponującą wydajnością, a seria 4020HT jest teraz dostępna w nowych rozmiarach i rozszerzonych wersjach temperaturowych z atestem AEC-Q200 Stopnia 0 do pracy w zakresie temperatur od -55 do +150 stopni Celsjusza. Więcej informacji znajduje się w katalogu tej serii.

Zestaw do projektowania cewek indukcyjnych mocy ze stopu metalu MAIA firmy Würth Elektronik jest wygodnym narzędziem do tworzenia prototypów obwodów. W zestawie znajduje się pełna gama cewek indukcyjnych z tej serii, a karta katalogowa zestawu jest dostępna tutaj.

Rysunek 3 – Przykład cewek indukcyjnych wykonanych ze stopów metali (źródło: Würth Elektronik)

KEMET oferuje szeroką gamę kondensatorów, w tym kondensatory MLCC do montażu powierzchniowego oraz większe, wysokonapięciowe urządzenia z wyprowadzeniami osiowymi i promieniowymi. EIA określa te MLCC jako „stabilne temperaturowo” i zalicza je do materiałów klasy II. Kondensatory klasy II to stałe ceramiczne kondensatory dielektryczne, które nadają się do zastosowań bocznikowych i odsprzęgających, a także do obwodów rozróżniania częstotliwości, w których pojemność ładunku elektrycznego i stabilność nie mają decydującego znaczenia.

Rysunek 4 – Przykład kondensatora radialnego firmy KEMET (źródło: KEMET)

Kolejną serią jest C4AU – wysokonapięciowy kondensator do zastosowań motoryzacyjnych, przystosowany do pracy w trudnych warunkach elektrycznych, szczególnie w obwodach pośrednich. Seria C4AU to metalizowane kondensatory foliowe wykonane z polipropylenu, które charakteryzują się dużą gęstością pojemności i niezawodnością styków. Seria ta jest doskonałym przykładem innowacji produktowej, która dzięki zastosowaniu technik metalizowanych kondensatorów foliowych umożliwiła miniaturyzację produktu. Raport dotyczący opracowania C4AU jest dostępny tutaj.

W sklepie Elfa Distrelec dostępna jest szeroka oferta kondensatorów KEMET odpowiednich do wielu zastosowań.

Miniaturyzacja komponentów w branży przemysłowej

Producenci wyrobów końcowych nieustannie dążą do zmniejszenia rozmiarów komponentów elektronicznych. Na przestrzeni ostatniej dekady w szczególności, w sektorze przemysłowym, odnotowano znaczny wzrost stopnia automatyzacji. Inicjatywy związane z poprawą wydajności przemysłowej, takie jak Przemysł 4.0 oraz Przemysłowy Internet rzeczy (IIoT), przyczyniają się do coraz powszechniejszego stosowania czujników elektronicznych, urządzeń sterujących i systemów uczenia maszynowego. Rosnąca liczba urządzeń automatyki w warunkach ograniczonej przestrzeni fabrycznej powoduje wzrost popytu na kompaktowe, energooszczędne i nowatorskie technologie komponentów.

Trend miniaturyzacji komponentów nie ogranicza się do elementów elektronicznych. Innowacje wprowadzają także producenci sprzętu automatyki i podzespołów. Postępy w druku 3D, prace badawcze nad technologią materiałową oraz głębsze zrozumienie analizy metodą elementów skończonych w projektowaniu mechanicznym przyczyniają się do zmniejszenia ciężaru, rozmiarów i kosztów.

Przegląd możliwości miniaturyzacji elementów przemysłowych

Czujniki ultradźwiękowe wykorzystywane są w różnych systemach wykrywania obiektów stosowanych w takich rozwiązaniach jak klatki bezpieczeństwa czy przenośnikach taśmowych. Przykładem kompaktowego czujnika ultradźwiękowego jest seria Baumer U300. Zastosowano w niej emiter ultradźwiękowy pracujący z częstotliwością 310 kHz, który zapewnia zasięg detekcji do 1 m. Wymiary czujników serii U300 wynoszą 12,9 mm × 32,2 mm × 23 mm, dzięki czemu zajmują znacznie mniej miejsca niż czujniki poprzedniej generacji. Połączenie z kontrolerem hosta odbywa się za pomocą 8-pinowego okrągłego złącza przemysłowego M12 o stopniu ochrony IP67. Baumer oferuje szeroką gamę czujników zaprojektowanych z myślą o zastosowaniach przemysłowych.

Firma Wachendorff jest kolejnym producentem czujników przemysłowych. Jednym z produktów tej firmy jest ultrakompaktowy system pomiaru długości LMSCA32. System ten mierzy długość materiałów, takich jak drewno, metal, tkaniny itp., podczas procesu produkcyjnego, wykorzystując koło pomiarowe o średnicy 200 mm.

Rysunek 5 – Przykład systemu pomiarowego firmy Wachendorf (źródło: Wachendorf)

Ultrakompaktowy system z nowatorskim ramieniem sprężynowym zapewnia kontakt koła z mierzonym materiałem, a enkoder obrotowy wysyła impulsy podczas obrotu koła. Częstotliwość rozdzielczości impulsów jest konfigurowalna w zakresie od 200 do 16 000 impulsów na obrót.

Zalety miniaturyzacji komponentów

Utrzymujący się trend miniaturyzacji komponentów umożliwia projektantom i producentom wprowadzanie bardziej zaawansowanych funkcji do produktów końcowych przy jednoczesnym zmniejszeniu ich rozmiarów. Zarówno przy projektowaniu czujnika IIoT, jak i przemysłowego sterownika programowalnego, można zaoszczędzić przestrzeń zajmowaną przez obudowę produktu. Miniaturyzacja pozwala na projektowanie bardziej stylowych i kompaktowych rozwiązań. Stwarza także możliwość zwiększenia funkcjonalności nowych produktów bez zwiększania ich wymiarów.

Total
0
Shares
Poprzedni post

Phoenix Contact – Rozwiązania do szaf sterowniczych

Następny post

Rola przełączników w Przemyśle 4.0

Powiązane posty