Elektronik-komponenter blir mindre och mindre. Flera inbördes relaterade faktorer förklarar denna trend. Trycket ligger på slutprodukttillverkarna att göra sina produkter mindre men samtidigt öka deras kapacitet och funktionalitet. För att uppnå det måste komponenttillverkare fortsätta att förnya sin teknik för att få plats i ett mindre utrymme. Teknisk forskning och utveckling gör detta möjligt; ett utmärkt exempel är hur halvledare fortsätter att packas in med miljarder transistorer på ett ständigt minskande fotavtryck. Men halvledare är inte de enda elektroniska komponenter som behöver bli mindre. Idag kan de flesta elektronikbaserade slutprodukter bara innehålla mindre än fem halvledare, även om deras kapacitet har ökat enormt. Men stödjande och lika väsentliga komponenter, såsom passiva (induktorer, kondensatorer och resistorer), krävs i hundratal.
Behovet av komponentminiatyrisering är dock inte begränsat till bara elektroniska komponenter. Fabrikens golvyta är ett fokus inom den industriella domänen, och det tillgängliga utrymmet för varje produktionstillgång, sensor och ställdon är begränsat. Följaktligen måste nästa generation av varje produktionstillgång vara mindre och ge mer funktionalitet.
Den här artikeln fokuserar på hur fortsatt komponentminiatyrisering är av största vikt inom den industriella domänen, oavsett om det är en elektronisk komponent eller en industriell sensor.
Komponentminiatyrisering strävar framåt
Förändringar sker ständigt inom elektronikindustrin. Sedan transistorns födelse i slutet av 1940-talet påbörjade forskare en evolutionär resa som skulle komma att fokusera på miniatyrisering. Ett decennium senare utvecklades den första integrerade kretsen (IC) innehållande fyra transistorer av Robert Noyce på Fairchild Semiconductor. Spola fram till idag och du hittar tiotals miljarder transistorer i de främsta processorerna. Processen att tillverka halvledare på en allt mindre yta har avancerat avsevärt. Men framstegen inom komponentdesign och tillverkning har också gynnat den bredare elektronikindustrin.
Effekten av tekniska framsteg för elektroniska komponenter
Den första transistorprototypen var ett stor pjäs jämfört med dagens enheter. Den var dock betydligt mindre än den äldre tekniken från den eran: elektronrör. Transistorn var inte bara mindre, utan strömförsörjningen var också mindre komplicerad än vad som användes för rör. Dessutom, utan behov av ett uppvärmningselement, blev kretsen kall. I ett tidigt skede kunde ingenjörer se potentialen i vad integrationen av transistorer i en integrerad krets kunde åstadkomma. Resan för att öka kapaciteten hos en IC och samtidigt minska det fysiska fotavtrycket hade börjat. Gordon Moore, en av Intels medgrundare, förutspådde berömt sin “Moores lag”, att “antalet transistorer inbyggda i en IC skulle fördubblas vartannat år”.
Forskningen och utvecklingen av design och utveckling av halvledarkretsar fortsätter att leda elektronikindustrin idag. Att göra elektroniska komponenter mindre utmanar tillverkarna av automationsutrustning att anta mindre storlekar. De fysiska dimensionerna som nu är involverade är häpnadsväckande. Till exempel är en nodstorlek för avancerad halvledarprocess för närvarande 5 nanometer (nm). Denna dimension relaterar inte till den faktiska transistorstorleken utan används av halvledartillverkare för att indikera transistordensiteten. Många smartphones använder integrerade kretsar baserade på 5 nm-processen, och beräkningskraften hos dess 30 miljarder transistorer möjliggör telefonens drift och alla våra populära appar.
Transistorer och halvledarkretsar är kapslade enligt ytmonteringsstandard (SMT) kapselspecifikationer som hanteras av JEDEC Solid State Technology Association. Detsamma gäller för ytmonterade passiva komponenter som kondensatorer, resistorer och induktorer. När halvledare krymper och deras kapacitet ökar, är behovet av att deras stödjande passiva komponenter minskar i storlek av största vikt. Se på alla inbyggda systemdesigner idag, så kommer du bara se ett par komplexa IC-kretsar. Det kommer dock att finnas många hundra passiva komponenter placerade runt IC-kretsarna som är grundläggande för deras funktion.
Ett exempel på transistor kapselformat är SOT23-3 (Small Outline Transistor). Den används vanligtvis för småsignaltransistorer, den har tre ben och mäter 3 mm x 1.75 mm x 1.3 mm. Vissa IC-kretsar använder också SOT-23-kapseln, “-x” anger antalet använda ben. Till exempel betecknar en SOT23-6 en IC med sex ben.
Integrerade kretsar har en mängd olika kapselkonfigurationer, vissa blyhaltiga, andra inte. Oavsett vilket, är alla ytmonterade. Vissa sensorer, såsom mikroelektromekaniska system (MEMS), är konstruerade i populära halvledarkapslar. Exempel som:
- SSOP (Shrink Small Outline Package) – bly – med bendelning på 0.635 mm
- TSSOP (Thin Shrink Small Outline Package) – bly – med bendelning på 0.65 mm
- QFN (Quad Flat Non-leaded)-kapsel – tillgänglig med en mängd olika andal benanslutningar – från 14 till 100 och olika bendelningar – 0.5 mm – 1.65 mm
Majoriteten av ytmonterade “chip” passiva komponenter använder EIA-koderna för att ange komponentstorlek. Populära exempel på storlekar inkluderar:
- 0805, mäter 2.0 mm x 1.30 mm (0.08 tum x 0.05 tum)
- 0603 mäter 1.5 mm x 0.80 mm (0.06 tum x 0.03 tum)
- 0402 mäter 1.0 mm x 0.50 mm (0.04 tum x 0.02 tum)
Miniatyrisering av elektroniska komponenter
Yageo är en ledande leverantör av passiva komponenter. Exempel inkluderar RC_L-serientjockfilms-chipmotstånd och keramiska flerlagerkondensatorer (MLCC). Dessa serier har en mycket pålitlig elektrodkonstruktion i liten form, vilket gör den lämplig för alla allmänna applikationer där storleken ständigt minskar, dvs. smarta telefoner, bärbara datorer, tv-apparater samt mer industriella PLCM-kontroller och automationsutrustning. En guide till Yageo RC_L-serien, komplett med alla elektriska och mekaniska specifikationer, finns här.
Würth Elektronik levererar SMT-induktorer såsom MAPI och MAIA -serierna. MAPI effektinduktorer erbjuder hög strömkapacitet och hanterar höga tillfälliga strömtoppar. De är magnetiskt skärmade och erbjuder lågt akustiskt brus, lågt läckflöde och har hög märkström tack vare sin magnetiska järnlegering.
WE-MAIA är en av de minsta metallegerade effektinduktorerna på marknaden. Dess effektivitet är anmärkningsvärd, och 4020HT-serien kommer nu i nya storlekar och utökade temperaturversioner med AEC-Q200 Grade 0-godkännande för drifttemperatur från -55 till +150 grader Celsius. Upptäck mer i seriens katalog.
För prototypsyften erbjuder Würth Elektronik de metalllegerade MAIA-effektinduktorna i ett praktiskt utvärderings-kit. Den täcker hela sortimentet av induktorer i serien; ett datablad för satsen finns här.
KEMET erbjuder ett omfattande utbud av kondensatorer, inklusive ytmonterade MLCC:er, och större axiella och radiella enheter med högre spänning. EIA klassificerar dessa MLCC som “temperaturstabila” och klass II-material. Klass II-kondensatorer är fasta keramiska dielektriska kondensatorer lämpliga för bypass- och avstörningstillämpningar, samt frekvensokänsliga kretsar där Q-värde och stabilitet inte är avgörande.
En annan serie är C4AU som erbjuder en högspännings-, fordonkvalificerad kondensator som är lämplig för användning i tuff elektrisk miljö, särskilt för DC-link-tillämpningar. C4AU-serien är en metalliserad filmkondensator tillverkad av polypropen som har en hög kapacitansdensitet och hög kontakttillförlitlighet. Serien är ett utmärkt exempel på produktinnovation, där teknikerna för metalliserade filmkondensatorer har möjliggjort produktminiatyrisering. En informativ vitbok om C4AU-utvecklingen finns tillgänglig här.
Elfa Distrelec webbplats visar upp det breda KEMET-sortimentet av kondensatorer som är lämpliga för olika applikationer.
Komponentminiatyrisering i den industriella domänen
Slutprodukttillverkare är angelägna om att dra fördel av den ständiga storleksminskningen av elektroniska komponenter. Speciellt inom industrisektorn har graden av automatisering ökat markant under det senaste decenniet. Industriella initiativ för effektivitetsförbättring, som Industry 4.0 och det industriella internet of things (IIoT), är ansvariga för den ökande distributionen av elektronikbaserade sensorer, kontrollutrustning och AI-maskininlärningssystem. Denna ökning av automationsutrustning ställs i högsta grad mot bakgrund av tillgängligt fabriksutrymme, vilket driver efterfrågan på kompakta, energieffektiva och ledande komponentteknologier.
Drivkraften mot komponentminiatyrisering är inte begränsad till elektroniska komponenter. Tillverkare av automationsutrustning och underenheter har också varit innovativa. Framsteg inom 3D-utskrift, materialteknologisk forskning och en djupare förståelse för begränsad elementanalys inom mekanisk design bidrar till vikt-, storlek- och kostnadsminskningar.
Miniatyrisering av industriella komponenter
Ultraljudssensorer används i olika objektdetekteringsuppgifter som säkerhetsburar och produkter på ett transportband. Ett exempel på en kompakt ultraljudssensor är Baumer U300-serien. Den använder en ultraljudssändare som arbetar vid 310 kHz för att ge ett detekteringsområde upp till 1 m. U300-serien mäter 12.9 mm x 32.2 mm x 23 mm och tar avsevärt mindre plats än den tidigare generationens detekteringssensorer. Ansluts till värdstyrenheten med en 8-pin M12 rund industrikontakt och är IP67-klassad. Baumer erbjuder ett omfattande sortiment av sensorer utformade specifikt för industriella applikationer.
En annan industriell sensortillverkare är Wachendorff. Ett produktexempel är LMSCA32 ultrakompakta längdmätningssystem. Detta system mäter längden på material, trä, metall, tyg etc under en tillverkningsprocess med hjälp av en 200 mm mäthjulsrotation.
Ett ultrakompakt system med ny fjäderbelastad arm bibehåller hjulkontakten med det uppmätta materialet, och den roterande pulsgivaren sänder ut pulser när hjulet roterar. Upplösningsfrekvensen för pulserna är konfigurerbar från 200 pulser per varv (ppr) till 16 000 ppr.
Fördelarna med komponentminiatyrisering
Den pågående trenden med komponentminiatyrisering gör det möjligt för utvecklare och tillverkare att införliva mer avancerade funktioner i sina slutprodukter samtidigt som de minskar deras fotavtryck. Oavsett om du designar en IIoT-sensor eller en industriell programmerbar logisk styrenhet kan du spara utrymme i produktinkapslingen. Miniatyrisering möjliggör utformningen av mer stilfulla och utrymmeseffektiva produkter. Det öppnar också för möjligheten att öka funktionaliteten hos nya produkter utan att öka deras dimensioner.
