Przewodnik po wyborze brzęczyka SMD: kluczowe czynniki, lutowanie rozpływowe i zastosowanie

1. Wprowadzenie
2. Dwa typy technologii podstawowych
3.Zrównoważony pakiet i rozmiar z miniaturyzacją wyjścia akustycznego
4.Montaż SMT i lutowanie rozpływowe
5. Macierz wyboru oparta na aplikacji
6. Lista kontrolna przed zestawieniem materiałów i kolejne kroki

Wstęp
Rzeczy stają się coraz mniejsze. Ale nie dotyczy to dziś, to rzeczywistość inżynierii elektronicznej. Od tworzenia trackerów fitness, przez inteligentne czujniki domowe, po systemy ostrzegawcze w pojazdach – nie można ignorować tego trendu spadkowego, dążącego do osiągnięcia maksymalnej funkcjonalności przy jak najmniejszym rozmiarze płytki PCB.
Ten Brzęczyk To zdecydowanie ostatni element, o którym myśli się podczas projektowania układu, a to nie jest dobry pomysł. Dostanie niewłaściwego elementu może spowodować, że nie przetrwa on lutowania rozpływowego, będzie wymagał więcej energii niż wynosi zapotrzebowanie na baterię lub nie zmieści się w obudowie, na którą zespół się zgodził.
Na tym blogu zebrano przydatne, praktyczne informacje, które oszczędzają czas na etapie projektowania, w tym informacje na temat dostępnych technologii, kompromisów między obudowami, zagadnień związanych z lutowaniem rozpływowym oraz szybką macierz zastosowań, która pomoże Ci wybrać odpowiedni brzęczyk SMD przed sfinalizowaniem zestawienia materiałów (BOM).

Dwa typy technologii rdzeniowych
Istnieją dwa rodzaje technologii rdzeniowych: brzęczyki magnetyczne SMD i brzęczyki piezoelektryczne SMD.
Najszybszym sposobem na dokonanie wyboru jest poznanie fizyki każdego typu.
Magnetyczne brzęczyki SMD działają na zasadzie elektromagnetycznej. Metalowa membrana jest wprawiana w drgania przez cewkę, generując dźwięk. Zazwyczaj mają one wiele napięć roboczych (w zakresie od 1,5 V do 5 V), co ułatwia ich integrację z większością projektów z mikrokontrolerami. Wadą jest pobór mocy: brzęczyki magnetyczne zużywają więcej energii niż brzęczyki piezoelektryczne, więc jeśli zasilasz je baterią pastylkową lub małym akumulatorem LiPo, moc jest ważnym czynnikiem. Zaletą jest to, że ich niższe częstotliwości rezonansowe pomagają uzyskać pełny i okrągły dźwięk, co może być korzystne dla wielu osób, szczególnie tych z problemami ze słuchem w miejscach o dużym natężeniu ruchu.
Brzęczyki piezoelektryczne SMD wykorzystują piezoelektryczny ceramiczny element dyskowy. Pod wpływem napięcia do dysku wygina się on, ale po przyłożeniu napięcia odwrotnego wygina się w drugą stronę. To mechaniczne wyginanie pomaga w wytwarzaniu dźwięku o wysokiej wydajności. Podczas projektowania ultracienkich urządzeń i urządzeń zasilanych bateryjnie, pobór prądu zazwyczaj mieści się w zakresie mikroamperów, co sprawia, że ​​preferowanym materiałem jest element piezoelektryczny. Dźwięk o wyższej częstotliwości jest ostrzejszy i wyższy, co nadaje się do jednoznacznego alarmu, ale może być bardzo przenikliwy w ciasnych przestrzeniach.
Pasywne kontra aktywne, czego potrzebujesz?
Jeśli brzęczyk jest aktywny, wbudowany jest własny obwód oscylatora. Po przyłożeniu stałego napięcia stałego, brzęczyk emituje sygnał dźwiękowy o stałej częstotliwości. Takie rozwiązanie charakteryzuje się małą liczbą linii BOM, brakiem złożoności oprogramowania układowego i łatwością sterowania.
Aby emitować dźwięk, pasywny brzęczyk wymaga zewnętrznego sygnału PWM. Ułatwia to mikrokontrolerowi wykonywanie większej liczby zadań, ale daje pełną swobodę w zakresie częstotliwości i wzorców tonów, co jest przydatne, gdy mikrokontroler wymaga unikalnych wersji i wariantów alertów (ostrzeżenia, potwierdzenia, usterki itp.) lub gdy lokalne przepisy określają częstotliwości alarmów.
Zależy to od poziomu wytrzymałości, jaki jest pożądany, w stosunku do minimalizacji oprogramowania sprzętowego i obwodów.

Pakiet równoważący i rozmiar z miniaturyzacją wyjścia akustycznego
Małe jest dobre, ale małe ma swoje konsekwencje. Gdy paczka zaczyna się zmniejszać, dzieje się coś takiego.
Typowe rozmiary obudów SMD
W branży jest ich zaledwie kilka. Opakowania o wymiarach 5 x 5 mm, 8,5 x 8,5 mm i 9 x 9 mm będą wielokrotnie wykorzystywane z linii katalogowych.
Fizyka, której nie możesz ignorować
Rozmiar powierzchni promieniującej jest skorelowany z poziomem ciśnienia akustycznego (SPL), który jest liczbą w dB wskazującą głośność brzęczyka. Niższe SPL mają mniejszą membranę i mniejszy przepływ powietrza. Tego nie da się uniknąć. Jeśli użyjesz brzęczyków 5 x 5 mm zamiast 9 x 9 mm, moc wyjściowa nie będzie taka sama przy tym samym napięciu sterującym.
Częstotliwość rezonansowa zmienia się również w zależności od rozmiaru. Mniejsze brzęczyki wibrują z wyższą częstotliwością, co może być zarówno korzystne (głośne, alarmujące, przyciągające uwagę dźwięki), jak i niekorzystne (wysoki, głośny hałas w szpitalach/przychodniach, gdzie pożądane jest cichsze ostrzeżenie).
Kierunek portu dźwiękowego: port boczny vs. port górny
Ten szczegół ma większe znaczenie, niż większość inżynierów dostrzega podczas projektowania obudowy.
Brzęczyk w górnym porcie emituje dźwięk z góry (czyli z przodu płytki PCB). Będzie działać, jeśli kratka lub otwór nad podstawą obudowy znajduje się bezpośrednio nad punktem mocowania brzęczyka.
Brzęczyk z boku obudowy emituje dźwięk. Doskonale nadaje się do projektów, w których płytka PCB jest umieszczona płasko wewnątrz zamkniętej obudowy z otworem wentylacyjnym na bocznej ściance, w której dźwięk musi być skierowany bokiem do otworu wentylacyjnego.

Montaż SMT i lutowanie rozpływowe
Brzęczyki są elementami wrażliwymi na dźwięk. Wszystkie są elementami, na które może negatywnie wpływać ciepło, wilgoć i pozostałości topnika reflow, jeśli reflow nie zostanie przeprowadzony prawidłowo.
Profil temperatury podczas lutowania rozpływowego bezołowiowego
W procesie produkcyjnym stosuje się pastę lutowniczą bezołowiową, a jej temperatura maksymalna wynosi zazwyczaj od 250°C (482°F) do 260°C (500°F) i mieści się w zakresie produkcji zgodnym z dyrektywą RoHS. Przed sfinalizowaniem konkretnego programu pick and place należy zawsze sprawdzić w karcie katalogowej maksymalne temperatury szczytowe.
Jednym z problemów wynikających z używania profilu o parametrach wyższych niż określone w specyfikacji jest to, że profil może zostać trwale uszkodzony, a objaw może nie być widoczny do momentu uruchomienia płytki.
Ochrona przed uszkodzeniami cieplnymi
W przypadku brzęczyków magnetycznych, zbyt wysoka temperatura może zmniejszyć wydajność magnesu wewnętrznego. Wraz ze spadkiem ciśnienia akustycznego (SPL) zmienia się częstotliwość, a element nie brzmi już tak głośno, jak powinien, ale zdecydowanie ciszej. Tego typu pogorszenie jest trudne do wykrycia w ICT i można je wykryć dopiero po przeprowadzeniu ostatecznej kontroli akustycznej.
W przypadku brzęczyków piezoelektrycznych zbyt wysoka lub zbyt wysoka temperatura może doprowadzić do pęknięcia tarczy ceramicznej. Pęknięcie tarczy ceramicznej powoduje utratę sygnału wyjściowego, włączanie i wyłączanie się sygnału lub awarię bez ostrzeżenia. Tego typu awariom można zapobiec, zapewniając kontrolowany profil termiczny i stosując odpowiednie parametry komponentów.
Zabezpieczenie brzęczyka podczas czyszczenia PCB
Wiele elementów SMD nie posiada mechanizmu uszczelniającego, który chroni przed wnikaniem cieczy. W przypadku stosowania wodnych środków czyszczących po procesie lutowania, na przykład w programach motoryzacyjnych lub medycznych, port dźwiękowy tego brzęczyka należy chronić przed środkiem do usuwania topnika, wodą płuczącą i pozostałościami topnika.
Jeśli jednak Twoja linia nie obejmuje czyszczenia płytek, nie ma to znaczenia. Myj tylko wtedy, gdy brzęczyk jest oznaczony etykietą lub planujesz oznaczyć brzęczyk, ponieważ planujesz go myć — nie zakładaj, że brzęczyk będzie myty, chyba że jest to zaznaczone w karcie katalogowej.

Macierz wyboru oparta na aplikacji
Każdy rynek ma swoje własne priorytety dla użytkowników końcowych. Przyjrzyjmy się temu od strony praktycznej.
Urządzenia medyczne i inteligentne urządzenia noszone
Rozmiar i moc to główne ograniczenia. Większość urządzeń noszonych ma wymiary 5 x 5 mm. Pobór prądu musi być ograniczony do możliwości, jakie daje skład chemiczny i pojemność baterii.
Częstotliwość alarmu jest istotna dla kliniki. Normy dotyczące alarmów medycznych, takie jak IEC60601 i powiązane z nią normy, określają zakresy częstotliwości, na przykład od 2 do 4 kHz, ponieważ ludzkie ucho jest najbardziej wrażliwe na wskazane częstotliwości, a hałas tła w środowiskach klinicznych jest zazwyczaj niższy niż 1 kHz. Należy sprawdzić poziom ciśnienia akustycznego (SPL) brzęczyka w wymaganej odległości testowej i upewnić się, że częstotliwość rezonansowa mieści się w wymaganym zakresie.
Elektronika samochodowa (ADAS, kamery samochodowe, telematyka)
Specyfikacja główna dotyczy zakresu temperatur. Części konsumenckie/biurowe zazwyczaj mają temperaturę znamionową 70°C (158°F) lub 85°C (185°F), natomiast części samochodowe zaczynają się od 85°C (185°F) i często mają temperaturę znamionową 105°C (221°F) lub wyższą. W przypadku montażu w pobliżu komory silnika lub narażenia silnika na działanie czynników zewnętrznych na desce rozdzielczej, należy sprawdzić maksymalną dopuszczalną temperaturę, a następnie zmniejszyć moc.
Inteligentny dom i czujniki IoT
Klienci w tym segmencie są bardzo wrażliwi na koszty. Na szczęście akustyka jest zazwyczaj mniej wymagająca; nie potrzeba wystarczającego poziomu ciśnienia akustycznego (SPL), aby być słyszalnym w całej fabryce, wystarczy, aby było słyszalne w całym pomieszczeniu fabrycznym.
Inteligentny dom, który nie jest zbudowany w zamkniętej przestrzeni, bardziej koncentruje się na głośności (SPL) z odległości niż na aplikacji noszonej. W większości domów do zapewnienia odpowiedniej ilości powiadomień wymagany jest brzęczyk piezoelektryczny 9x9 mm o głośności od 85 dB do 90 dB SPL.
Pakowanie w taśmy i rolki stało się powszechną praktyką w automatycznych liniach produkcyjnych SMT. Sprawdź, czy w rolkach znajdują się odpowiednie brzęczyki, zgodnie z długością podajnika linii.

Lista kontrolna przed zestawieniem materiałów i kolejne kroki
Przed zablokowaniem komponentu sprawdź następujące parametry:
Napięcie zasilania: Upewnij się, że znamionowe napięcie robocze brzęczyka jest zgodne z napięciem zasilania i poziomami logicznymi. Upewnij się, że odczytałeś wartości minimalne i maksymalne.
Pobór prądu: Sprawdź maksymalną wartość prądu przy napięciu znamionowym w porównaniu z wydajnością wyjściową regulatora i budżetem rozładowania akumulatora.
Częstotliwość rezonansowa: Dopasuj do częstotliwości alarmowej wymaganej w danym zastosowaniu. Sprawdź częstotliwość przy napięciu znamionowym, aby upewnić się, że mieści się ona w zakresie docelowym, a nie tylko w nominalnym napięciu testowym.
Ocena SPL: Należy upewnić się, że odległość pomiaru SPL jest zgodna z wymaganiami testu akustycznego produktu, biorąc pod uwagę tłumienie obudowy.
Rozmiar i wysokość opakowania: Sprawdź wymiary i odstępy między elementami PCB a obudową. Zwróć uwagę na specyfikację wysokości, ponieważ brzęczyki często stanowią jeden z najwyżej położonych elementów na płytce.
Sprawdź kierunek portu: upewnij się, że jest to port górny czy port boczny, przeprowadzając test w obudowie.
Format opakowania: Upewnij się, że taśma i rolka są dostępne do produkcji. Porównaj liczbę odtworzonych rolek z prognozą.
Ocena temperatury: Upewnij się, że zakres temperatur pracy i przechowywania mieści się w określonych granicach.
Etykieta dotycząca prania: wymagana, jeśli w linii produkcyjnej stosuje się czyszczenie wodne po procesie rozpływowym.

Najlepszy'Zespół inżynierów firmy współpracuje bezpośrednio z zespołami projektowymi od pierwszego schematu do produkcji masowej. Jeśli rozważasz brzęczyki SMD dla nowego programu — lub rozwiązujesz problemy z istniejącym projektem — skontaktuj się z nami, aby zamówić próbki lub skorzystać z konsultacji technicznej. Możemy zarekomendować konkretne numery części w oparciu o Twój obwód sterowania, geometrię obudowy i wymagania akustyczne, a także wspieramy niestandardowe specyfikacje dla programów, które wykraczają poza standardowe opcje katalogowe.