SMT-montage van IoT-sensoren optimaliseren om stroomverbruik te verminderen.

Sensoren zijn een van de kerncomponenten in Internet of Things (IoT)-apparaten, en hun prestaties hebben een directe invloed op het totale energieverbruik en de levensduur van de batterij van het apparaat. Omdat IoT-apparaten kleiner, slimmer en energiezuiniger worden, is het optimaliseren van het SMT-assemblageproces bij de productie van IoT PCBA's steeds belangrijker geworden. Door het SMT assemblageproces, de materiaalkeuze en de ontwerpstrategieën te optimaliseren, is het mogelijk om het energieverbruik van sensoren effectief te verminderen, de levensduur van de batterij te verlengen en de algehele energie-efficiëntie te verbeteren. 

Laten we eerst de uitdagingen bespreken die gepaard gaan met de vermindering van het energieverbruik van IoT-sensoren. Er zijn drie belangrijke uitdagingen die het vermelden waard zijn. De eerste uitdaging is de hoge integratie en complexiteit. IoT-sensoren integreren meestal meerdere functies, zoals temperatuur, vochtigheid, bewegingsdetectie, enz. en bij het ontwerp van hun PCBA moet rekening worden gehouden met signaalverwerking, communicatiemodules en energiebeheer. SMT-montageprocessen met hoge dichtheid kunnen leiden tot meer circuitruis, wat de nauwkeurigheid van de sensor en het stroomverbruik kan beïnvloeden. De meeste IoT-apparaten zijn afhankelijk van de batterij, vooral edge computing nodes en draadloze sensornetwerken. Optimalisatie van het stroomverbruik heeft een directe invloed op de levensduur van de batterij en de onderhoudskosten van het apparaat. IoT-sensoren worden vaak ingezet in complexe omgevingen, zoals industriële sites en buitenomgevingen, en moeten stabiel blijven onder extreme temperatuur- of vochtigheidsomstandigheden, wat hogere eisen stelt aan een energiezuinig ontwerp.

Ten tweede bespreken we de strategieën om het stroomverbruik tijdens de SMT-productie te optimaliseren. Er zijn vijf strategieën die het vermelden waard zijn. De eerste strategie is kiezen voor energiezuinige componenten en verpakkingstechnologie. De reden hiervoor is dat voor IC's en sensorchips met een laag stroomverbruik de voorkeur wordt gegeven aan microcontrollers met een laag stroomverbruik, sensorchips, zoals MEMS-sensoren, en communicatiemodules, zoals LoRa en Bluetooth met lage energie. De ARM Cortex-M serie MCU heeft bijvoorbeeld een statische stroom van slechts 1μA, waardoor het stand-by stroomverbruik aanzienlijk wordt verminderd. Een andere reden is dat voor miniaturisatie verpakkingstechnologie, SMT chipmontagetechnologie ultrakleine pakketten ondersteunt, zoals 0402 en 0201 weerstanden en condensatoren, waardoor PCB-oppervlak en bedradingslengte worden verminderd, parasitaire inductantie en weerstand worden verlaagd, en daardoor energieverlies wordt verminderd. Bovendien kunnen geminiaturiseerde pakketten ook de thermische weerstand van verpakkingsmaterialen verminderen en de efficiëntie van de warmteafvoer verbeteren. De reden hiervoor is dat het voor zoneontwerp en stroomisolatie aanbevolen is om modules met hoog vermogen, zoals RF-communicatiemodules, fysiek te isoleren van modules met laag vermogen, zoals sensoracquisitiecircuits, en ze van stroom te voorzien via onafhankelijke stroomdomeinen om wederzijdse interferentie te voorkomen. Ontwerp in IoT-sensorprintplaten bijvoorbeeld LDO-regelaars afzonderlijk voor sensorsignaalconditioneringsschakelingen om het dynamische stroomverbruik te beperken. Een andere reden is dat voor differentiële signalen en impedantieaanpassing meestal differentieel bedradingsontwerp wordt gebruikt voor hoogfrequente signaallijnen, zoals I²C- en SPI-bussen, om elektromagnetische interferentie en signaalreflectie te verminderen en zo extra stroomverbruik door herhaalde transmissie te beperken.

Tegelijkertijd vermindert geoptimaliseerde impedantieaanpassing het energieverlies tijdens de signaaloverdracht; de derde strategie is het toepassen van intelligente oplossingen voor energiebeheer. De reden hiervoor is dat het voor dynamische spanningsfrequentieregeling logischer is om spanning en frequentie dynamisch aan te passen op basis van de werkbelasting van de sensor. Als de sensor bijvoorbeeld niet actief is, kan de MCU automatisch overschakelen naar een spaarstand, waarbij alleen de noodzakelijke randapparatuur van stroom wordt voorzien. Een andere reden is dat ze voor het ontwerp van energieverzameling en -opslag vaak worden gecategoriseerd als fotovoltaïsche en piëzo-elektrische materialen. Ze kunnen worden gecombineerd met miniatuur supercondensatoren om extra energie te leveren aan sensoren. Bepaalde milieubewakingsapparaten maken bijvoorbeeld gebruik van zonnepanelen om sensoren van stroom te voorzien, waardoor het verbruik van de hoofdbatterij aanzienlijk wordt verminderd. De reden hiervoor is dat we bij het drukken van soldeerpasta en de optimalisatie van reflow solderen kunnen zorgen voor de kwaliteit van de soldeerverbinding en extra stroomverbruik door slecht contact kunnen verminderen. In IoT-sensorprintplaten bijvoorbeeld kan het gebruik van reflow solderen met stikstof de betrouwbaarheid van de soldeerverbinding verbeteren en weerstandsverlies tijdens langdurig gebruik verminderen. Een andere reden is dat voor geautomatiseerde inspectie en defectpreventie het gebruik van AOI- en SPI-technologieën in het SMT-assemblageproces real-time bewaking van de kwaliteit van soldeerverbindingen mogelijk maakt, waardoor abnormaal stroomverbruik door koude soldeerverbindingen of kortsluiting wordt voorkomen. Een slimme thuissensor heeft bijvoorbeeld zijn percentage soldeerdefecten teruggebracht tot 0,1% door AOI-inspectie, waardoor het extra energieverbruik als gevolg van nabewerking is verminderd;

De vijfde strategie is een milieuvriendelijk ontwerp van materialen en verpakking. De reden hiervoor is dat substraten met een lage diëlektrische constante helpen om het gemiddelde verlies bij de transmissie van hoogfrequente signalen te beperken, waardoor ook het stroomverbruik daalt. Een andere reden is dat we bij het ontwerp van warmtegeleidende materialen en warmteafvoer thermische siliconen of metalen afscherming rond de sensormodule kunnen toevoegen om extra stroomverbruik door temperatuurstijgingen van de chip te verminderen door efficiënte warmteafvoer. 

Ten derde bespreken we enkele toekomstperspectieven voor de ontwikkeling van SMT-technologie en IoT-apparaten. Ten eerste kan AI-gestuurde SMT procesoptimalisatie complexe algoritmen gebruiken om SMT plaatsingsgegevens te analyseren, zoals de kwaliteit van soldeerverbindingen en temperatuurcurves. En vervolgens de procesparameters in realtime aanpassen om het stroomverbruik te minimaliseren. Ten tweede kunnen flexibele printplaten, onregelmatig gevormde verpakkingen en PCBA's voor IoT-sensoren mogelijk flexibele substraten en onregelmatig gevormde verpakkingen gebruiken, waardoor materiaalverspilling en stroomverbruik verder worden teruggedrongen. Ten derde kunnen energie-zelfvoorzienende IoT-apparaten, in combinatie met SMT-gemonteerde micro-"energy harvesting"-modules, "nul energieverbruik" bereiken, waardoor het probleem van het vervangen van batterijen volledig wordt opgelost. 

Concluderend kan gesteld worden dat het energiezuinige ontwerp van IoT-sensoren sterk afhankelijk is van de verfijnde optimalisatie van SMT-assemblageprocessen. Door het selecteren van energiezuinige componenten, het optimaliseren van de PCB-lay-out, het implementeren van intelligente oplossingen voor energiebeheer en het verbeteren van de kwaliteit van SMT-assemblage is het mogelijk om het energieverbruik van apparaten aanzienlijk te verminderen, de levensduur van batterijen te verlengen en te voldoen aan de betrouwbaarheidseisen in complexe omgevingen. Met de vooruitgang in materiaalinnovatie en slimme productietechnologieën zal de energie-efficiëntie van IoT-sensoren blijven verbeteren, wat een solide basis vormt voor duurzame ontwikkeling op gebieden zoals slimme steden, industrieel internet en gezondheidszorg.