Optimalizace SMT montáže senzorů IoT pro snížení spotřeby energie.

Senzory jsou jednou z hlavních součástí zařízení internetu věcí (IoT) a jejich výkon přímo ovlivňuje celkovou spotřebu energie a výdrž baterie zařízení. Vzhledem k tomu, že zařízení internetu věcí jsou stále menší, chytřejší a energeticky úspornější, je optimalizace montážního procesu SMT při výrobě PCBA pro internet věcí stále důležitější. Optimalizací montážního procesu SMT, výběru materiálů a konstrukčních strategií je možné účinně snížit spotřebu energie snímačů, prodloužit životnost baterií zařízení a zlepšit celkovou energetickou účinnost. 

Nejprve si probereme výzvy, které představuje snížení spotřeby energie senzorů internetu věcí. Za zmínku stojí tři hlavní výzvy. První výzvou je vysoká integrace a složitost. Senzory internetu věcí obvykle integrují více funkcí, jako je teplota, vlhkost, detekce pohybu atd. a jejich návrh desky PCBA musí zohledňovat zpracování signálu, komunikační moduly a správu napájení. Procesy montáže SMT s vysokou hustotou mohou zvýšit šum obvodů, což může ovlivnit přesnost snímače a spotřebu energie; druhou výzvou je omezení napájení z baterie. Většina zařízení internetu věcí je závislá na napájení z baterií, zejména okrajové výpočetní uzly a bezdrátové senzorové sítě. Optimalizace spotřeby energie přímo ovlivňuje životnost baterie zařízení a náklady na údržbu; Třetí výzvou je požadavek na přizpůsobení prostředí. Senzory internetu věcí jsou často nasazovány ve složitých prostředích, jako jsou průmyslové areály a venkovní prostředí, a musí zůstat stabilní v extrémních teplotních nebo vlhkostních podmínkách, což klade vyšší nároky na konstrukci s nízkou spotřebou energie.

Za druhé, probereme strategie optimalizace spotřeby energie při výrobě SMT. Existuje pět strategií, které stojí za zmínku. První strategií je volba komponent s nízkou spotřebou energie a technologie balení. Důvodem je, že pro čipy integrovaných obvodů a senzory s nízkou spotřebou energie se upřednostňují mikrokontroléry s nízkou spotřebou energie, senzorové čipy, jako jsou senzory MEMS, a komunikační moduly, jako jsou LoRa a Bluetooth low energy. Například MCU řady ARM Cortex-M má statický proud pouhý 1μA, což výrazně snižuje spotřebu energie v pohotovostním režimu. Dalším důvodem je, že pro miniaturizaci obalové technologie, technologie montáže čipů SMT podporuje ultra malé obaly, jako jsou rezistory a kondenzátory 0402 a 0201, což snižuje plochu PCB a délku vedení, snižuje parazitní indukčnost a odpor, a tím snižuje energetické ztráty. Miniaturní balíčky mohou navíc snížit tepelný odpor obalových materiálů a zlepšit účinnost odvodu tepla; druhou strategií je optimalizace uspořádání a směrování desek plošných spojů. Důvodem je to, že pro návrh zón a izolaci napájení se doporučuje fyzicky oddělit moduly s vysokým výkonem, jako jsou moduly pro RF komunikaci, od modulů s nízkým výkonem, jako jsou obvody pro sběr dat ze senzorů, a napájet je prostřednictvím nezávislých napájecích domén, aby se zabránilo vzájemnému rušení. Například v deskách plošných spojů se senzory IoT navrhujte regulátory LDO odděleně pro obvody úpravy signálu senzorů, abyste snížili dynamickou spotřebu energie. Dalším důvodem je, že pro diferenciální signály a impedanční přizpůsobení se u vysokofrekvenčních signálových vedení, jako jsou sběrnice I²C a SPI, obvykle používá diferenciální návrh zapojení, aby se snížilo elektromagnetické rušení a odraz signálu, a tím se snížila další spotřeba energie způsobená opakovaným přenosem.

Optimalizované impedanční přizpůsobení zároveň snižuje energetické ztráty při přenosu signálu; třetí strategií je použití inteligentních řešení pro řízení spotřeby. Důvodem je, že pro dynamické řízení frekvence napětí je logicky optimálnější dynamicky upravovat napětí a frekvenci na základě pracovního zatížení snímače. Například když je snímač nečinný, může MCU automaticky přepnout do režimu nízké spotřeby a ponechat napájení pouze nezbytným periferiím. Dalším důvodem je, že pro konstrukci sběru a ukládání energie se často řadí do kategorie fotovoltaických a piezoelektrických materiálů. Mohou být kombinovány s miniaturními superkondenzátory, které poskytují pomocné napájení pro senzory. Například některá zařízení pro monitorování životního prostředí využívají solární panely k napájení senzorů, čímž se výrazně snižuje spotřeba hlavní baterie; Čtvrtou strategií je přijetí přesného řízení procesu montáže čipů SMT. Důvodem je, že pro tisk pájecí pasty a optimalizaci pájení přetavením můžeme zajistit kvalitu pájecího spoje a snížit dodatečnou spotřebu energie způsobenou špatným kontaktem. Například u desek plošných spojů se senzory internetu věcí může použití pájení přetavením dusíkem zlepšit spolehlivost pájecího spoje a snížit ztrátu odporu během dlouhodobého provozu. Dalším důvodem je, že pro automatizovanou kontrolu a prevenci vad umožňuje použití technologií AOI a SPI v procesu osazování SMT sledovat kvalitu pájecích spojů v reálném čase, a tím předcházet abnormální spotřebě energie způsobené studenými pájecími spoji nebo zkraty. Například inteligentní domácí senzor snížil díky kontrole AOI počet vad pájení na 0,1%, čímž snížil další spotřebu energie způsobenou přepracováním;

Pátou strategií je ekologický design materiálů a obalů. Důvodem je, že substrát s nízkou dielektrickou konstantou pomáhá snížit ztráty média při přenosu vysokofrekvenčního signálu, a tím i spotřebu energie. Dalším důvodem je, že u tepelně vodivých materiálů a konstrukce odvodu tepla můžeme přidat tepelný silikon nebo kovové stínění kolem modulu snímače, abychom účinným odvodem tepla snížili další spotřebu energie způsobenou zvýšením teploty čipu. 

Zatřetí si probereme některé budoucí perspektivy vývoje technologie SMT a zařízení internetu věcí. Za prvé, optimalizace procesu SMT řízená umělou inteligencí může využívat komplexní algoritmy k analýze dat o umístění SMT, jako je kvalita pájecích spojů a teplotní křivky. A poté v reálném čase upravit parametry procesu tak, aby se minimalizovala spotřeba energie. Strojové učení se například používá k předvídání pravděpodobnosti defektů pájecích spojů a k předběžné optimalizaci teplotní křivky pájení přetavením; Za druhé, flexibilní desky plošných spojů, nepravidelně tvarované obaly a zpracování PCBA senzorů IoT mohou potenciálně přijmout flexibilní substráty a nepravidelně tvarované obaly, což dále snižuje plýtvání materiálem a spotřebu energie. Flexibilní desky plošných spojů mohou například zkrátit délku kabeláže a snížit ztráty při přenosu signálu; zatřetí, energeticky soběstačná zařízení IoT v kombinaci s mikro moduly pro sběr energie namontovanými na SMT mohou dosáhnout provozu s "nulovou spotřebou energie", čímž se zcela vyřeší problém výměny baterií. 

Závěrem lze říci, že konstrukce senzorů internetu věcí s nízkou spotřebou energie je do značné míry závislá na propracované optimalizaci montážních procesů SMT. Výběrem komponent s nízkou spotřebou energie, optimalizací uspořádání desek plošných spojů, zavedením inteligentních řešení pro správu napájení a zvýšením kvality montáže SMT je možné výrazně snížit spotřebu energie zařízení, prodloužit životnost baterií a splnit požadavky na spolehlivost ve složitých prostředích. S pokrokem v oblasti materiálových inovací a inteligentních výrobních technologií se bude energetická účinnost snímačů internetu věcí nadále zlepšovat, což poskytne pevný základ pro udržitelný rozvoj v oblastech, jako jsou inteligentní města, průmyslový internet a zdravotnictví.