Микроэлементы. Общая информация

Химические элементы в свободном состоянии и в виде множества химических соединений входят в состав всех клеток и тканей человеческого организма. Они являются строительным материалом, важнейшими катализаторами различных биохимических реакций, непременными и незаменимыми участниками процессов роста и развития организма, обмена веществ, адаптации к меняющимся условиям окружающей среды.

Физиологическое действие различных элементов зависит от их дозы. Поэтому токсичные элементы (мышьяк, ртуть, сурьма, кадмий и др.) при низких концентрациях могут действовать на организм как лекарство (оказывая тем самым саногенетическое воздействие), тогда как натрий, калий, кальций, железо, магний и ряд других элементов в высоких концентрациях могут обладать выраженным токсическим эффектом.

Для осуществления жизненно важных функций у каждого элемента существует оптимальный диапазон концентраций. При дефиците или избыточном накоплении элементов в организме могут происходить серьезные изменения, обуславливающие нарушение активности прямо или косвенно зависящих от них ферментов.

В организме химические элементы находятся преимущественно в виде соединений, избыточное образование или распад которых может приводить к нарушению так называемого металло-лигандного гомеостаза, а в дальнейшем и к развитию патологических изменений. Элементы – металлы и лиганды (например, глутаминовая, аспарагиновая, липоевая, аскорбиновая кислоты) могут выступать в качестве активаторов или ингибиторов различных ферментов, что обусловливает их существенную роль в развитии и терапии различных заболеваний.

Для систематизации сведений о содержании и физиологической роли химических элементов в организме в последние десятилетия был предложен ряд классификаций. Не рассматривая их подробно, остановимся лишь на некоторых принципиальных моментах.

Один из принципов классификации – разделение химических элементов на группы, в зависимости от уровня их содержания в организме человека.

Первую группу такой классификации составляют «макроэлементы», концентрация которых в организме превышает 0,01%. К ним относятся O, C, H, N, Ca, P, K, Na, S, Cl, Mg. В абсолютных значениях (из расчета на среднюю массу тела человека в 70 кг), величины содержания этих элементов колеблются в пределах от сорока с лиш ним кг (кислород) до нескольких г (магний). Некоторые элементы этой группы называют «органогенами» (O, H, С, N, P, S) в связи с их ведущей ролью в формировании структуры тканей и органов.

Вторую группу составляют «микроэлементы» (концентрация от 0,00001% до 0,01%). В эту группу входят: Fe, Zn, F, Sr, Mo, Cu, Br, Si, Cs, I, Mn, Al, Pb, Cd, B, Rb. Эти элементы содержатся в организме в концентрациях от сотен мг до нескольких г. Однако, несмотря на малое содержание, микроэлементы не случайные ингредиенты биосубстратов живого организма, а компоненты сложной физиологической системы, участвующей в регулировании жизненных функций организма на всех этапах его развития.

В третью группу включены «ультрамикроэлементы», концентрация которых ниже 0,000001%. Это Se, Co, V, Cr, As, Ni, Li, Ba, Ti, Ag, Sn, Be, Ga, Ge, Hg, Sc, Zr, Bi, Sb, U, Th, Rh. Содержание этих элементов в теле человека измеряется в мг и мкг. На данный момент установлено важнейшее значение для организма многих элементов из этой группы, таких как, селен, кобальт, хром и др.

В основе другой классификации лежат представления о физиологической роли химических элементов в организме. Согласно такой классификации макроэлементы, составляющие основную массу клеток и тканей, являются “структурными” элементами. К «эссенциальным» (жизненно-необходимым) микроэлементам относят Fe, I, Cu, Zn, Co, Cr, Mo, Se, Mn, к “условно-эссенциальным” – As, B, Br, F, Li, Ni, Si, V. Жизненная необходимость или эссенциальность (от англ. essential – “необходимый”), является важнейшим для жизнедеятельности живых организмов свойством химических элементов. Химический элемент считается эссенциальным, если при его отсутствии или недостаточном поступлении в организм нарушается нормальная жизнедеятельность, прекращается развитие, становится невозможной репродукция. Восполнение недостающего количества такого элемента устраняет клинические проявления его дефицита и возвращает организму жизнеспособность.

К “токсичным” элементам отнесены Al, Cd, Pb, Hg, Be, Ba, Bi, Tl, к “потенциально-токсичным” – Ag, Au, In, Ge, Rb, Ti, Te, U, W, Sn, Zr и др. Результатом воздействия этих элементов на организм является развитие синдромов интоксикаций (токсикопатий).

Оценка элементного статуса человека является основным вопросом определения влияния на здоровье человека дефицита, избытка или нарушения тканевого перераспределения макро- и микроэлементов. Определение элементного состава биосред используется:

• при мониторинге состояния здоровья, оценке уровня работоспособности и эффективности лечения;
• при формировании групп риска по гипо- и гиперэлементозам;
• при подборе рациональной диеты как здоровому, так и больному человеку;
• в скрининг-диагностических исследованиях больших групп населения;
• при картировании территорий по нозологическим и системным формам патологии у детей и других возрастных групп населения;
• при оценке взаимозависимости многосторонних связей цепи “человек–среда обитания”;
• при составлении карт экологического природного и техногенного неблагополучия регионов;
• при изучении воздействия на организм вредных привычек;
• экспертно-криминалистических исследованиях (идентификация личности в судебной медицине, метод выбора в подтверждение исследований по молекуле ДНК и генному коду).

Методы определения микроэлементов в биосубстратах Масс-спектрометрия с индуктивно связанной аргоновой плазмой (ИСП-МС), атомно-абсорбционная спектрофотометрия с электротермической атомизацией (ААС-ЭТА).

Условия взятия и хранения материала для исследования

Взятие и подготовка крови для получения плазмы и сыворотки проводится по общепринятым методикам. Если при заборе проб используют перчатки, то они должны быть не опудренные и не содержать латекса (напр., нитриловые). Кровь может быть получена из локтевой вены или из пальцев рук (капиллярная). Объем отобранной крови должен составлять не менее 1 мл. Образцы сыворотки или плазмы крови хранятся в обычном холодильнике до 3–5 сут (от 0 до 4 °С) либо замораживаются (до -18 °С), либо лиофилизуются, или высушиваются в сушильном шкафу (для длительного хранения). Для длительного хранения образцы помещаются в одноразовые полипропиленовые пробирки с герметичными крышками.

Взятие биологических образцов крови и мочи проводят в соответствии с МУК 4.1.1482-08, МУК 4.1.1483-08.

Монтаж плат SMD

Впервые монтаж электронных компонентов стал проводиться сквозным способом. Такой метод рассчитан на ручную работу и подходит для относительно несложных приборов. Однако постепенно ручной труд стал отходить на второй план и заменяться автоматическим в целях экономии времени и улучшения качества. Тогда и появился термин монтаж плат smd, который предполагает работу со специальными станками и распределение компонентов на плате в автоматическом режиме.  

Метод сквозных отверстий и автоматическая сборка не могут использоваться в одном процессе, так как являются несовместимыми. Процесс направления элементов и ориентация их в отверстия делает механизацию слишком сложной и дорогостоящей. Чтобы упростить монтаж компонентов на пластину из диэлектрика и был разработан поверхностный способ, или монтаж плат smd. Данная технология предусматривает наличие специальных площадок, к которым происходит припаивание электронных деталей.

Технология монтаж плат smd появилась в 1960-х годах прошлого века и получила наибольшее распространение в 80-х годах. На сегодня данная технология является признанным лидером по надежности, скорости и простоте выполнения. Большинство современных устройств реализуются именно с помощью поверхностного метода.

Основные термины:

• SMT, или СМТ – технология монтажа на поверхности.
• SMD – это электронный элемент или устройство, который монтируется на печатную плату. Поэтому под термином SMD обозначают электрокомпоненты, а не сам технологический метод. Однако аббревиатура SMD часто используется как синоним термина поверхностного монтажа.

Монтаж плат smd проводится с использованием маленьких компонентов – микросхемы, чип-резисторы, конденсаторы. Обычно такие элементы имеют более маленькие размеры и вес, поэтому стоят дешевле. Также они повышают плотность монтажа на одной площади, что уменьшает размер готового изделия и экономит материал. Другие важные преимущества – smd компоненты могут размещаться с двух сторон поверхности платы и не требуют создания отверстий под выводы контактов.

 

Поверхностный монтаж печатных плат позволяет максимально повысить автоматизированность производства. Но для мелкосерийной продукции и частных электронщиков больше подходит монтаж плат в сквозные отверстия.

Этапы автоматической пайки плат

• С помощью трафарета намечаются места, где в дальнейшем будут размещаться компоненты. Затем в эти места наносится паяльная паста – это химическая смесь из припоя и флюса для скрепления.
• Монтаж плат smd включает расстановку компонентов с помощью автоматизированного оборудования – в те места, где находится липкая паяльная паста.
• Затем электронный модуль помещают в конвекционную печь, где устанавливается оптимальный температурный режим и с помощью нагрева происходит расплавление припоя в пасте, что обеспечивает припаивание компонентов.
• После чего поверхностный монтаж плат smd предполагает отмывку пасты от остатков флюса – здесь технология схожа с методом сквозных отверстий. Только в данном случае применяют растворители для удаления.
• Заключительный этап – сушка печатной платы.

Конечно, в промышленном процессе используется множество других станков и приборов. Это может быть система контроля рентгеном, климатические камеры для испытаний, автоматические оптические инспекции и многое другое. Точный процесс поверхностного монтажа зависит от индивидуальных требований к продукту и масштабам продукции.

Как выявляются дефекты

Технология монтажа плат smd кажется вполне стандартным процессом, но на практике часто возникают ошибки и недочеты. Они требуют немедленного обнаружения инженерами и устраняются хитрыми профессиональными приемами. Рассмотрим основные дефекты при монтаже печатных плат smd:

• Появление шариков припоя на плате – они могут возникать по причине неправильного расположения трафарета или избытка паяльной пасты. Также могут появляться пустоты внутри соединения и заполняться остатками флюса. Интересный факт, но наличие пустот положительно сказывается на качестве платы, так как пустоты сдерживают появление трещин.
• Если паста неравномерным слоем ложится в отпечаток трафарета, то могут возникать перемычки между припоями. Такой эффект носит название «Собачьи уши».
• Иногда компонент будто приподнимается и занимает положение прямого угла по отношению к плате, причем спаивание происходит только одним выводом с одним контактом. Недочет называют в профессиональной среде «Надгробный камень».
• «Холодная пайка» – паяные компоненты отличаются сероватым оттенком, а также бугристой и неровной поверхностью. Такое происходит из-за понижения температурного режима, что сильно ухудшает качество соединений.

Монтаж плат smd – это сложный и высокотехнологичный процесс, который требует качественного оборудования и мастерства специалистов. Доверяя его компании «Электро-Петербург» можно быть уверенным, что монтаж пройдет на высшем уровне, а все возможные недочеты устранятся в короткие сроки.

Электронные компоненты для поверхностного монтажа (SMD): полное руководство

Технология поверхностного монтажа (SMT) в значительной степени определяется доступностью и развитием отдельных используемых компонентов или SMD. Эти компоненты размещены на печатной плате (PCB). Причина, по которой SMT так широко распространена, заключается в том, что отдельные компоненты обеспечивают отличные электрические характеристики. Поскольку они такие маленькие, на любой отдельной печатной плате можно разместить большое количество компонентов.

Надлежащие SMD должны выдерживать температуры пайки, а также быть в состоянии быть аккуратно размещены с минимальной погрешностью с использованием высокоскоростной машины для захвата и размещения. Неудивительно, что огромный выбор различных SMD-модулей просто ошеломляет. Существуют компоненты, подходящие практически для любой цели, которую пожелает фирма-производитель электроники.

>> Откройте для себя машины Neoden серии Smart Pick & Place Machines

Давайте рассмотрим некоторые из наиболее известных компонентов поверхностного монтажа. После прочтения обо всех этих компонентах должно быть достаточно просто понять, почему SMT получил такое широкое распространение:

 

Пассивные компоненты

Пассивные компоненты SMD — это компоненты, которые выполняют свою работу пассивно, без явного «приказания» быть во включенном или выключенном состоянии. Подобно тому, как пандус или плотина изменяют поток воды в системе просто существующими, пассивные компоненты SMD выполняют аналогичную задачу, за исключением потока электричества, а не воды. Наиболее легко идентифицируемыми пассивными компонентами являются конденсаторы и резисторы.

 

Дискретный резистор для поверхностного монтажа

Что касается резисторов в области поверхностного монтажа, то это либо толстопленочные, либо тонкопленочные резисторы. Толстопленочные резисторы изготавливаются путем помещения резистивной пленки (обычно пасты на основе диоксида рутения) на плоскую подложку из высокочистого оксида алюминия. Однако тонкопленочные резисторы представляют собой резистивный элемент на керамической подложке с оловянно-свинцовыми выводами сбоку. Что будет выбрано, зависит от общей настройки печатной платы по отношению к другим используемым компонентам. Эти резисторы могут иметь различную мощность и сопротивление от 1 Ом до 100 Ом.

 

Сети резисторов для поверхностного монтажа

Вместо серии отдельных (1) резисторов можно использовать компонент резисторной сети (1+). Это просто небольшие эффективные резисторы, размещенные в одном компоненте, которые используются для экономии места на печатной плате и снижения вероятности ошибки, связанной с необходимостью размещения нескольких деталей. Мало того, время размещения значительно сокращается за счет того, что вместо нескольких дискретных резисторов приходится размещать только одну цепь резисторов.

 

Керамические конденсаторы

В высокочастотных цепях часто используются керамические конденсаторы для уменьшения частоты, проходящей через цепь. Их надежность и функциональность привели к тому, что они получили широкое распространение в автомобильной, аэрокосмической и военной областях.

 

Трубчатые пассивные компоненты для поверхностного монтажа

Эти цилиндрические компоненты для поверхностного монтажа представляют собой другую форму среднего пассивного компонента с одним существенным отличием. Поскольку они цилиндрические, нет необходимости размещать резистивные элементы вдали от поверхностей платы.

 

Активные компоненты SMD

На другой стороне медали находятся активные компоненты SMD, которые непосредственно отвечают за выполнение задачи, на которой должна сосредоточиться готовая печатная плата. Керамические контейнеры для чипов используются в военных целях, в то время как пластиковые упаковки распространены гораздо шире.

 

Малый контурный транзистор

Возможно, ни одно другое активное устройство не сыграло столь важную роль в развитии SMT, как малогабаритный транзистор (SOT). Устройства с тремя или четырьмя выводами, как правило, представляют собой диоды или транзисторы, предназначенные для работы в качестве усилителей или переключателей электрического тока.

 

Интегральная схема малого размера

Эти компоненты используют выводы типа «крыло чайки» и занимают значительно меньше места, чем их двухрядные эквиваленты. Эти SOIC в основном используются в качестве усилителей, генераторов, таймеров, микропроцессоров или даже в качестве формы компьютерной памяти.

 

Пластиковый держатель для стружки с выводами

PLCC — это хрупкое оборудование, требующее аккуратного обращения до и во время установки. Эти носители являются неотъемлемой частью того, как машина передает информацию внутри себя для достижения поставленной цели.

 

Small Outline J

Используя философию SOIC, позволяющую экономить место, но функциональность интегральной схемы, корпус SOJ представляет собой отличный способ использовать технологию интегральных схем, не вызывая переполнения платы.

 

SMD с малым шагом

Преимущество использования SMD с малым шагом заключается в том, что вы можете соединить интегральную схему с большим количеством различных элементов, чтобы увеличить диапазон связи, которую одна ИС может обеспечить на печатной плате в целом. . Они чрезвычайно тонкие, имеют очень тонкие выводы и не занимают много места, несмотря на огромное количество выводов.

 

Шариковый массив SMD

Шариковый массив SMD отличаются от штыревых массивов тем, что у них нет выводов, о которых можно было бы говорить. Как правило, эти SMD отлично подходят для стационарного монтажа микропроцессоров или аналогичных интегральных схем. В качестве средства соединения используются контактные площадки с шариками припоя, а не выводы.

 

Заключение

 

Это лишь наиболее часто встречающиеся и используемые компоненты SMD. Отсюда они могут стать гораздо более специализированными. Полное объяснение всех возможных SMD-компонентов в одной статье непрактично и не совсем возможно из-за некоторых чрезвычайно узкоспециализированных статей, которые не получили широкого признания. Все эти компоненты различаются по размеру и характеристикам, причем некоторые детали подходят для более интенсивных работ, чем другие. SMD никуда не денутся в ближайшее время, потому что они занимают гораздо меньше места, чем компоненты со сквозными отверстиями, а также простота их массовой пайки.

Прежде чем приступить к процессу оплавления, необходимо нанести паяльную пасту с помощью трафаретного принтера. Процесс пайки обычно происходит после размещения с помощью печи оплавления, которая равномерно припаивает все компоненты на место. Домашние сборки часто паяются вручную, но любое профессионально изготовленное оборудование для сборки SMT будет паять с использованием печи оплавления. Надеемся, что эта статья может послужить отличным способом расширить базовые знания обо всем диапазоне доступных компонентов SMD и о том, что они могут делать.

Поначалу это может показаться пугающим из-за огромного количества компонентов. Но затем, шаг за шагом, вы можете ожидать, что начнете создавать всестороннее представление о том, что возможно с технологией поверхностного монтажа.

Ваша конструкция Нужен радиатор для SMD-компонентов? | Блог Advanced PCB Design

Key Takeaways

• Почему тепло оказывает такое вредное воздействие на доску.

• Как проектировщики могут проектировать тепловые схемы для анализа.

• Роль радиаторов наряду с другими основными функциями управления температурным режимом.

Радиатор для SMD-компонентов может быть разных форм и размеров, но все они выполняют одну и ту же важную задачу по отводу тепла от платы.

Если унция профилактики стоит фунта лечения, радиатор для SMD-компонентов окупается в несколько раз по сравнению с использованием платы в полевых условиях. Действуя аналогично тепловому шунту, радиаторы, возможно, являются наиболее эффективными пассивными рассеивателями тепла, оцениваемыми на единицу площади (площадь, вес и т. д.), хотя они должны работать в тандеме с тепловыми отверстиями и медными заливками, чтобы максимизировать тепловой поток. Не каждая конструкция требует использования отдельного радиатора (для некоторых компонентов радиаторы могут быть частью корпуса), а узкие конструкции могут препятствовать их размещению и производительности. Тем не менее, почти все конструкции могут выиграть от улучшения теплопроводности.

Радиатор для SMD-компонентов продлевает срок службы

Несмотря на то, что возможны небольшие отклонения из-за функций и условий окружающей среды, тепло почти повсеместно считается основной причиной отказа или причиной сокращения срока службы платы. Механически тепло изнашивает материалы в течение длительного периода времени либо из-за регулярных циклов нагрева/охлаждения, либо из-за продолжительной работы при повышенных температурах, либо из-за теплового удара, возникающего при входе в диапазон температур, превышающий номинальные характеристики компонента. Комбинация этих различных термомеханических механизмов разрушения в конечном итоге приводит к охрупчиванию материала, растрескиванию и распространению трещин в долгосрочной перспективе, в то время как температуры выше максимальных значений могут вызвать гораздо более немедленный выход компонента из строя. В любом случае деградация материала из-за джоулевого нагрева является необратимым процессом, что делает его смягчение ключевым фактором для предотвращения преждевременного обслуживания или замены платы.

Несмотря на то, что размеры плат уменьшаются, требования к функциям и производительности постоянно растут. Сборки высокой плотности препятствуют воздушному потоку, а решения для активного охлаждения часто занимают исключительно много места внутри корпусов, которое может быть недоступно из-за ранее установленных ограничений. Чем меньше площадь рассеивания тепла, тем более выражены относительные эффекты. Для плат и корпусов, которые позволяют это, радиаторы являются отличным вариантом. Обеспечивая проводящий тепловой путь от компонентов, выделяющих тепло, к большой площади поверхности для улучшенного конвективного и радиационного охлаждения, радиаторы усиливают пассивное охлаждение любых связанных компонентов.

Термические решения выходят за рамки радиаторов

Однако технология терморазгрузки включает в себя больше, чем просто радиаторы. В зависимости от конструкции корпуса и технологий существует два распространенных решения SMD для избыточного тепловыделения:

• Радиаторы, как уже упоминалось, , образуют токопроводящий путь с компонентами и обеспечивают улучшенное излучение и конвекционное охлаждение за счет увеличения эффективной воздушной поверхности SMD. область.
• Выводные рамы с термическим усилением (TEL) также отводят тепло от корпуса с помощью металлических перемычек, которые соединяют выводы с выводной рамкой, но направляют его во внутреннюю плоскость платы без каких-либо дополнительных устройств.

Последний из двух методов, хотя технически и выходит за рамки этой статьи, является полезным инструментом производителя для тепловой разводки и эффективно действует как радиатор через открытый контакт на нижней стороне упаковки. Разница между аналогичными пакетами с TEL и без него может быть в диапазоне 20 ℃+ в верхней части рабочих температур.

Теория тепловых цепей содержит рекомендации по реализации радиаторов

В радиаторах используются принципы проектирования теплоотвода для переноса тепла от его источника в область или элемент, где оно легче рассеивается и с меньшей вероятностью вызывает проблемы, связанные с тепловым старением. Так же, как электрическая разводка, тепловая разводка зависит от проводящих материалов и достаточной ширины дорожек, областей заливки и переходных отверстий, чтобы адекватно обрабатывать тепловой поток, вытекающий из точек его генерации. Отслеживание этого теплопереноса становится немного более сложным для радиаторов компонентов SMD, чем для тех, которые работают на уровне платы: учтите, что тепло должно проходить от чипа на носитель чипа, через штырь, через припой, в след и затем через материалы подложки либо с помощью переходного отверстия, либо без него.

Проблема линейности в моделировании

Чтобы лучше смоделировать тепловое сопротивление в цепи, аналогичную зависимость с законом Ома можно построить, используя тепловые свойства. Замена рассеиваемой мощности, теплового сопротивления и температуры на ток, омическое сопротивление и напряжение соответственно позволяет инженерам разработать линейную зависимость между теплом и мощностью. Нанеся эту информацию на график, разработчики могут определить максимальное рассеивание для любой температуры, попадающей в рабочий диапазон.

Как и в случае с электронными схемами, линейность не является гарантией; в нелинейных случаях тепловой эквивалент закона Ома больше не применим. Вместо этого можно измерить общее количество поглощенного (или излучаемого) тепла, используя тепловую теплоемкость рассматриваемого материала. Это эмпирический подход (его можно расширить с помощью анализа конечных элементов и других сложных методов моделирования) из-за различных внутренних и внешних свойств материалов, из которых состоит устройство. Грубо говоря, массу можно рассчитать, используя разные размеры упаковки и плотность материала; произведение массы отдельного элемента (корпуса, штифта, матрицы и т. д.) на его удельную теплоемкость указывает на теплоемкость, суммарную величину которой можно сложить из дискретных элементов устройства.

Производитель, скорее всего, включит любую соответствующую информацию о температуре, обычно включая графики теплового импеданса для режимов непрерывной и импульсной мощности. Однако эти методы обеспечивают приблизительную оценку для определения необходимости радиатора или других функций управления температурным режимом.

Проектирование тепловых соображений с учетом моделирования

Радиатор для SMD-компонентов может принимать различные формы, но будь то термопрокладка, вкладка или отдельное устройство, цель одна и та же: рисовать тепла вдали от источника его выработки, чтобы предотвратить преждевременное старение материалов и связанную с этим деградацию. В сочетании с другими пассивными тепловыми элементами дизайна, такими как тепловые переходы и увеличенные медные поверхности для улучшения характеристик теплового потока, они представляют собой наиболее компактный и энергоэффективный выбор для управления температурой в конструкциях плат. В тяжелых случаях для поддержания оптимальных условий работы плат, выделяющих значительное количество тепла, могут использоваться решения для активного охлаждения, такие как вентиляторы, теплообменники и т. д.

Моделирование влияния тепловых источников и стоков на конструкции — это несложная задача с мощной библиотекой программного обеспечения Cadence для проектирования и анализа печатных плат. Проектировщики могут интегрировать результаты этих моделей в OrCAD PCB Designer для ускоренного процесса компоновки с упором на тепловое проектирование для производства.

Ведущие поставщики электроники полагаются на продукты Cadence для оптимизации потребностей в мощности, пространстве и энергии для широкого спектра рыночных приложений. Чтобы узнать больше о наших инновационных решениях, поговорите с нашей командой экспертов или подпишитесь на наш канал YouTube.

Запрос оценки

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.