تحسين تركيب SMT لمستشعرات إنترنت الأشياء لتقليل استهلاك الطاقة.

تُعد المستشعرات أحد المكونات الأساسية في أجهزة إنترنت الأشياء (IoT)، ويؤثر أداؤها بشكل مباشر على استهلاك الطاقة الكلي وعمر بطارية الجهاز. ونظرًا لأن أجهزة إنترنت الأشياء أصبحت أصغر حجمًا وأكثر ذكاءً وكفاءة في استهلاك الطاقة، فقد أصبح تحسين عملية تجميع SMT في تصنيع IoT PCBA ذا أهمية متزايدة. من خلال تحسين عملية تجميع SMT واختيار المواد واستراتيجيات التصميم، من الممكن تقليل استهلاك طاقة المستشعر بشكل فعال، وإطالة عمر بطارية الجهاز، وتحسين كفاءة الطاقة بشكل عام. 

أولاً، دعونا نناقش التحديات التي تواجه الحد من استهلاك الطاقة في مستشعرات إنترنت الأشياء. هناك ثلاثة تحديات رئيسية جديرة بالذكر. التحدي الأول هو التكامل والتعقيد العالي. عادةً ما تدمج مستشعرات إنترنت الأشياء وظائف متعددة، مثل درجة الحرارة والرطوبة واكتشاف الحركة وما إلى ذلك، ويجب أن يأخذ تصميم PCBA الخاص بها في الاعتبار معالجة الإشارات ووحدات الاتصالات وإدارة الطاقة. يمكن لعمليات تركيب SMT عالية الكثافة أن تزيد من ضوضاء الدائرة، مما قد يؤثر على دقة المستشعر واستهلاك الطاقة؛ التحدي الثاني هو القيود المفروضة على مصدر طاقة البطارية. تعتمد معظم أجهزة إنترنت الأشياء على طاقة البطارية، خاصةً عقد الحوسبة المتطورة وشبكات الاستشعار اللاسلكية. يؤثر تحسين استهلاك الطاقة تأثيراً مباشراً على عمر بطارية الجهاز وتكاليف الصيانة؛ التحدي الثالث هو متطلبات التكيف البيئي. غالبًا ما يتم نشر أجهزة استشعار إنترنت الأشياء في بيئات معقدة، مثل المواقع الصناعية والأماكن الخارجية، ويجب أن تظل مستقرة في ظل ظروف درجات الحرارة أو الرطوبة الشديدة، مما يضع متطلبات أعلى على تصميم الطاقة المنخفضة.

ثانيًا، دعونا نناقش استراتيجيات تحسين استهلاك الطاقة أثناء تصنيع SMT. هناك خمس استراتيجيات جديرة بالذكر. الاستراتيجية الأولى هي اختيار المكونات منخفضة الطاقة وتكنولوجيا التغليف كخيار. ويرجع السبب في ذلك إلى أنه بالنسبة للرقائق المتكاملة ورقاقات الاستشعار ذات الاستهلاك المنخفض للطاقة، يُفضل استخدام المتحكمات الدقيقة منخفضة الطاقة ورقاقات الاستشعار، مثل مستشعرات MEMS، ووحدات الاتصالات، مثل LoRa وBluetooth منخفضة الطاقة. على سبيل المثال، تتمتع سلسلة ARM Cortex-M MCU من سلسلة ARM Cortex-M بتيار ثابت منخفض يصل إلى 1μA، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة في وضع الاستعداد. والسبب الآخر هو أنه بالنسبة لتقنية التغليف المصغر، تدعم تقنية تركيب رقاقة SMT الحزم الصغيرة جدًا، مثل المقاومات والمكثفات 0402 و0201، مما يقلل من مساحة ثنائي الفينيل متعدد الكلور وطول الأسلاك، ويقلل من الحث الطفيلية والمقاومة، وبالتالي يقلل من فقدان الطاقة. علاوةً على ذلك، يمكن للحزم المصغرة أيضًا تقليل المقاومة الحرارية لمواد التغليف وتحسين كفاءة تبديد الحرارة؛ الاستراتيجية الثانية هي تحسين تخطيط وتوجيه ثنائي الفينيل متعدد الكلور. ويرجع السبب في ذلك إلى أنه بالنسبة لتصميم المنطقة وعزل الطاقة، يوصى بعزل الوحدات عالية الطاقة فعلياً، مثل وحدات اتصالات الترددات اللاسلكية عن الوحدات منخفضة الطاقة، مثل دوائر الاستشعار، وتزويدها بالطاقة من خلال مجالات طاقة مستقلة لتجنب التداخل المتبادل. على سبيل المثال، في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الخاصة بمستشعرات إنترنت الأشياء، صمم منظمات LDO بشكل منفصل لدوائر تكييف إشارات المستشعر لتقليل استهلاك الطاقة الديناميكي. والسبب الآخر هو أنه بالنسبة للإشارات التفاضلية ومطابقة المعاوقة، عادةً ما يتم استخدام تصميم الأسلاك التفاضلية لخطوط الإشارات عالية التردد، مثل ناقلات I²C و SPI، لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي وانعكاس الإشارة، وبالتالي تقليل استهلاك الطاقة الإضافية الناجم عن الإرسال المتكرر.

في الوقت نفسه، تقلل مطابقة المعاوقة المحسّنة من فقدان الطاقة أثناء نقل الإشارة؛ الاستراتيجية الثالثة هي اعتماد حلول ذكية لإدارة الطاقة. ويرجع السبب في ذلك إلى أنه بالنسبة للتحكم الديناميكي في تردد الجهد الديناميكي، من الأفضل منطقيًا ضبط الجهد والتردد ديناميكيًا بناءً على عبء عمل المستشعر. على سبيل المثال، عندما يكون المستشعر في وضع الخمول، يمكن لوحدة MCU التبديل تلقائيًا إلى وضع الطاقة المنخفضة، والاحتفاظ بالطاقة للأجهزة الطرفية الضرورية فقط. والسبب الآخر هو أنه بالنسبة لتصميم تجميع الطاقة وتخزينها، غالبًا ما يتم تصنيفها على أنها مواد كهروضوئية وكهروضوئية. ويمكن دمجها مع المكثفات الفائقة المصغرة لتوفير طاقة إضافية لأجهزة الاستشعار. على سبيل المثال، تستخدم بعض أجهزة المراقبة البيئية الألواح الشمسية لتشغيل أجهزة الاستشعار، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك البطارية الرئيسية؛ الاستراتيجية الرابعة هي اعتماد التحكم الدقيق في عملية تركيب رقاقة SMT. ويرجع السبب في ذلك إلى أنه بالنسبة لطباعة معجون اللحام وتحسين عملية إعادة اللحام بإعادة التدفق، يمكننا ضمان جودة وصلة اللحام وتقليل استهلاك الطاقة الإضافية الناتجة عن سوء الاتصال. على سبيل المثال، في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور لمستشعر إنترنت الأشياء، يمكن أن يؤدي استخدام لحام إعادة التدفق بالنيتروجين إلى تحسين موثوقية وصلة اللحام وتقليل فقدان المقاومة أثناء التشغيل على المدى الطويل. سبب آخر هو أنه بالنسبة للفحص الآلي والوقاية من العيوب، فإن استخدام تقنيات AOI وSPI في عملية تجميع SMT يتيح مراقبة جودة وصلة اللحام في الوقت الحقيقي، وبالتالي منع استهلاك الطاقة غير الطبيعي الناجم عن وصلات اللحام الباردة أو الدوائر القصيرة. على سبيل المثال، قام جهاز استشعار منزلي ذكي بتخفيض معدل عيوب اللحام إلى 0.11 تيرابايت 3 تيرابايت من خلال فحص AOI، وبالتالي تقليل استهلاك الطاقة الإضافية الناجم عن إعادة العمل;

الاستراتيجية الخامسة هي التصميم الصديق للبيئة للمواد والتغليف. ويرجع السبب في ذلك إلى أنه بالنسبة للركيزة الثابتة العازلة المنخفضة، فإنها تساعد على تقليل الفقد المتوسط في نقل الإشارات عالية التردد، وبالتالي تقليل استهلاك الطاقة أيضًا. والسبب الآخر هو أنه بالنسبة للمواد الموصلة للحرارة وتصميم تبديد الحرارة، يمكننا إضافة السيليكون الحراري أو التدريع المعدني حول وحدة المستشعر لتقليل استهلاك الطاقة الإضافي الناجم عن زيادة درجة حرارة الرقاقة من خلال تبديد الحرارة بكفاءة. 

ثالثاً، دعنا نناقش بعض الآفاق المستقبلية نحو تطوير تقنية SMT وأجهزة إنترنت الأشياء. أولاً، يمكن أن يستخدم تحسين عملية SMT المدفوعة بالذكاء الاصطناعي خوارزميات معقدة لتحليل بيانات وضع SMT مثل جودة وصلة اللحام ومنحنيات درجة الحرارة. ومن ثم ضبط معلمات العملية في الوقت الفعلي لتقليل استهلاك الطاقة. على سبيل المثال، يتم استخدام التعلم الآلي للتنبؤ باحتمالية وجود عيوب في مفاصل اللحام وتحسين منحنى درجة حرارة إعادة اللحام مسبقاً؛ ثانياً، يمكن أن تعتمد مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرنة والتغليف غير المنتظم الشكل ومعالجة مستشعر إنترنت الأشياء PCBA على ركائز مرنة وتغليف غير منتظم الشكل، مما يقلل من هدر المواد واستهلاك الطاقة. على سبيل المثال، يمكن أن تقلل مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرنة من طول الأسلاك وتقلل من فقدان نقل الإشارة؛ ثالثًا، يمكن لأجهزة إنترنت الأشياء المكتفية ذاتيًا من الطاقة، جنبًا إلى جنب مع وحدات حصاد الطاقة الدقيقة المثبتة على SMT، أن تحقق عملية "استهلاك الطاقة صفر"، مما يحل تمامًا مشكلة استبدال البطارية. 

وختامًا، يعتمد التصميم منخفض الطاقة لمستشعرات إنترنت الأشياء اعتمادًا كبيرًا على التحسين الدقيق لعمليات تجميع SMT. فمن خلال اختيار مكونات منخفضة الطاقة، وتحسين تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور، وتنفيذ حلول ذكية لإدارة الطاقة، وتحسين جودة تجميع SMT، من الممكن تقليل استهلاك طاقة الجهاز بشكل كبير، وإطالة عمر البطارية، وتلبية متطلبات الموثوقية في البيئات المعقدة. مع التقدم في ابتكار المواد وتقنيات التصنيع الذكية، ستستمر كفاءة الطاقة في مستشعرات إنترنت الأشياء في التحسن، مما يوفر أساسًا متينًا للتنمية المستدامة في مجالات مثل المدن الذكية والإنترنت الصناعي والرعاية الصحية.