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Sensoren sind eine der wichtigsten Komponenten in Internet-of-Things-Geräten (IoT), und ihre Leistung wirkt sich direkt auf den Gesamtstromverbrauch und die Batterielebensdauer des Geräts aus. Da IoT-Geräte immer kleiner, intelligenter und energieeffizienter werden, wird die Optimierung des SMT-Bestückungsprozesses in der IoT-PCBA-Fertigung immer wichtiger. Durch die Optimierung des SMT-Bestückungsprozesses, der Materialauswahl und der Designstrategien ist es möglich, den Stromverbrauch der Sensoren effektiv zu reduzieren, die Batterielebensdauer der Geräte zu verlängern und die Gesamtenergieeffizienz zu verbessern.
Lassen Sie uns zunächst die Herausforderungen erörtern, die sich bei der Reduzierung des Stromverbrauchs von IoT-Sensoren stellen. Es gibt drei wesentliche Herausforderungen, die erwähnenswert sind. Die erste Herausforderung ist die hohe Integration und Komplexität. IoT-Sensoren integrieren in der Regel mehrere Funktionen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Bewegungserkennung usw., und ihr PCBA-Design muss die Signalverarbeitung, die Kommunikationsmodule und die Energieverwaltung berücksichtigen. SMT-Montageverfahren mit hoher Dichte können das Rauschen der Schaltkreise erhöhen, was sich auf die Genauigkeit und den Stromverbrauch der Sensoren auswirken kann; die zweite Herausforderung ist die Beschränkung der Batteriestromversorgung. Die meisten IoT-Geräte sind auf Batteriestrom angewiesen, insbesondere Edge-Computing-Knoten und drahtlose Sensornetzwerke. Die Optimierung des Stromverbrauchs wirkt sich direkt auf die Lebensdauer der Gerätebatterie und die Wartungskosten aus; die dritte Herausforderung ist die erforderliche Anpassung an die Umgebung. IoT-Sensoren werden oft in komplexen Umgebungen wie Industrieanlagen und im Freien eingesetzt und müssen auch unter extremen Temperatur- oder Feuchtigkeitsbedingungen stabil bleiben, was höhere Anforderungen an ein stromsparendes Design stellt.
Zweitens wollen wir die Strategien zur Optimierung des Stromverbrauchs während der SMT-Fertigung erörtern. Es gibt fünf Strategien, die erwähnenswert sind. Die erste Strategie ist die Wahl von Komponenten mit geringem Stromverbrauch und die Wahl der Verpackungstechnologie. Der Grund dafür ist, dass für IC- und Sensorchips mit geringem Stromverbrauch Mikrocontroller mit geringem Stromverbrauch, Sensorchips, wie MEMS-Sensoren, und Kommunikationsmodule, wie LoRa und Bluetooth Low Energy, bevorzugt werden. Die MCU der ARM Cortex-M-Serie hat beispielsweise einen statischen Strom von nur 1 μA, was den Stromverbrauch im Standby-Modus erheblich reduziert. Ein weiterer Grund für die Miniaturisierung der Gehäusetechnologie ist die SMT-Chipmontagetechnologie, die ultrakleine Gehäuse wie 0402- und 0201-Widerstände und -Kondensatoren unterstützt, wodurch die Leiterplattenfläche und die Verdrahtungslänge reduziert, die parasitäre Induktivität und der Widerstand verringert und damit der Energieverlust verringert werden. Darüber hinaus können miniaturisierte Gehäuse auch den Wärmewiderstand von Gehäusematerialien verringern und die Effizienz der Wärmeableitung verbessern; die zweite Strategie ist die Optimierung von PCB-Layout und Routing. Der Grund dafür ist, dass es für das Zonendesign und die Leistungsisolierung empfohlen wird, Module mit hoher Leistung, wie z. B. RF-Kommunikationsmodule, von Modulen mit niedriger Leistung, wie z. B. Sensorerfassungsschaltungen, physisch zu isolieren und sie über unabhängige Leistungsbereiche mit Strom zu versorgen, um gegenseitige Störungen zu vermeiden. Bei IoT-Sensor-Leiterplatten sollten beispielsweise LDO-Regler für die Schaltungen zur Aufbereitung von Sensorsignalen separat entworfen werden, um den dynamischen Stromverbrauch zu reduzieren. Ein weiterer Grund ist, dass für Differenzsignale und Impedanzanpassung bei Hochfrequenzsignalleitungen, wie z. B. I²C- und SPI-Bussen, in der Regel eine Differenzverdrahtung verwendet wird, um elektromagnetische Störungen und Signalreflexionen zu verringern und so den zusätzlichen Stromverbrauch durch wiederholte Übertragung zu reduzieren.
Gleichzeitig verringert eine optimierte Impedanzanpassung den Energieverlust bei der Signalübertragung. Die dritte Strategie ist die Einführung intelligenter Energieverwaltungslösungen. Der Grund dafür ist, dass es bei der dynamischen Spannungs-Frequenz-Steuerung logisch optimaler ist, Spannung und Frequenz dynamisch an die Sensorauslastung anzupassen. Wenn sich der Sensor beispielsweise im Leerlauf befindet, kann die MCU automatisch in einen Stromsparmodus wechseln und nur die notwendigen Peripheriegeräte mit Strom versorgen. Ein weiterer Grund ist die Tatsache, dass sie für die Energiegewinnung und -speicherung oft als Photovoltaik und piezoelektrische Materialien eingestuft werden. Sie können mit Miniatur-Superkondensatoren kombiniert werden, um Hilfsstrom für Sensoren bereitzustellen. Bestimmte Umweltüberwachungsgeräte verwenden beispielsweise Solarpaneele zur Stromversorgung von Sensoren, wodurch der Verbrauch der Hauptbatterie erheblich reduziert wird. Der Grund dafür ist, dass wir durch den Druck von Lötpaste und die Optimierung des Reflow-Lötens die Qualität der Lötstellen sicherstellen und den durch schlechten Kontakt verursachten zusätzlichen Stromverbrauch reduzieren können. Bei IoT-Sensor-Leiterplatten zum Beispiel kann der Einsatz von Stickstoff-Reflow-Löten die Zuverlässigkeit der Lötstellen verbessern und den Widerstandsverlust während des Langzeitbetriebs verringern. Ein weiterer Grund ist, dass der Einsatz von AOI- und SPI-Technologien im SMT-Bestückungsprozess für die automatische Inspektion und Fehlervermeidung eine Echtzeitüberwachung der Lötstellenqualität ermöglicht und dadurch einen abnormalen Stromverbrauch durch kalte Lötstellen oder Kurzschlüsse verhindert. Ein Smart-Home-Sensor hat beispielsweise seine Lötfehlerrate durch AOI-Inspektion auf 0,1% reduziert und damit den durch Nacharbeit verursachten zusätzlichen Energieverbrauch verringert;
Die fünfte Strategie ist ein umweltfreundliches Design von Materialien und Verpackungen. Der Grund dafür ist, dass ein Substrat mit niedriger Dielektrizitätskonstante dazu beiträgt, den mittleren Verlust bei der Übertragung von Hochfrequenzsignalen zu verringern und somit auch den Stromverbrauch zu senken. Ein weiterer Grund ist, dass wir bei wärmeleitenden Materialien und Wärmeableitungsdesigns thermisches Silikon oder eine Metallabschirmung um das Sensormodul herum anbringen können, um den zusätzlichen Stromverbrauch zu reduzieren, der durch den Anstieg der Chiptemperatur durch effiziente Wärmeableitung verursacht wird.
Drittens, lassen Sie uns einige Zukunftsaussichten für die Entwicklung von SMT-Technologie und IoT-Geräten diskutieren. Erstens kann die KI-gesteuerte SMT-Prozessoptimierung komplexe Algorithmen zur Analyse von SMT-Bestückungsdaten wie Lötstellenqualität und Temperaturkurven verwenden. Anschließend werden die Prozessparameter in Echtzeit angepasst, um den Stromverbrauch zu minimieren. Zweitens können flexible Leiterplatten, unregelmäßig geformte Verpackungen und die Verarbeitung von IoT-Sensor-PCBAs potenziell flexible Substrate und unregelmäßig geformte Verpackungen verwenden, was den Materialabfall und den Stromverbrauch weiter reduziert. Drittens können energieautarke IoT-Geräte in Kombination mit SMT-montierten Mikro-Energiegewinnungsmodulen einen "Null-Stromverbrauch"-Betrieb erreichen, wodurch das Problem des Batteriewechsels vollständig gelöst wird.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das stromsparende Design von IoT-Sensoren in hohem Maße von der raffinierten Optimierung der SMT-Montageprozesse abhängt. Durch die Auswahl von Komponenten mit geringem Stromverbrauch, die Optimierung des PCB-Layouts, die Implementierung intelligenter Power-Management-Lösungen und die Verbesserung der SMT-Bestückungsqualität ist es möglich, den Stromverbrauch der Geräte deutlich zu senken, die Batterielebensdauer zu verlängern und die Zuverlässigkeitsanforderungen in komplexen Umgebungen zu erfüllen. Mit Fortschritten bei Materialinnovationen und intelligenten Fertigungstechnologien wird sich die Energieeffizienz von IoT-Sensoren weiter verbessern und eine solide Grundlage für eine nachhaltige Entwicklung in Bereichen wie Smart Cities, industrielles Internet und Gesundheitswesen bilden.