Proceso de montaje de circuitos electrónicos

Originalmente, todos los circuitos electrónicos se montaron a mano utilizando solo una plancha de soldadura. A medida que avanza la tecnología, los componentes se hacen más pequeños y difíciles de montar a mano y la cantidad de componentes que pueden caber en una sola placa aumenta. Por lo tanto, se desarrolló la necesidad de montaje PCB automático.

En FADESA INGENIEROS hacemos mucho más que el prototipo electrónico para su dispositivo. Tenemos capacidad para el diseño y montaje de circuitos electrónicos. Contamos con un departamento de ensamblaje SMD que permite el montaje de circuitos impresos a medida del cliente.

El sistema de montaje de circuitos electrónicos automatizado

Antes de entrar en materia, esta es una aproximación para intentar acercar el concepto del montaje de circuitos electrónicos, puede haber variantes y diferentes metodologías, dependiendo de las necesidades de la placa electrónica, del aparato y de la maquinaria disponible para realizar el montaje electrónico.

La línea de fabricación de prototipos de sistemas electrónicos de montaje superficial sobre placas de circuito impreso (PCB), está compuesta por: equipo de impresión serigráfica de adhesivo y pasta de soldadura; equipo de autoabastecimiento, posicionamiento y acoplamiento de componentes y horno de reflujo para proceso de soldadura sin plomo.

Sistema de serigrafía para el montaje de circuitos electrónicos

Este complejo sistema, tal y como indica su nombre, se encarga de serigrafias las PCB.

En este primer proceso de montaje de circuitos electrónicos, nos podemos encontrar características técnicas mínimas que tiene el sistema de serigrafía, que puede variar según diferentes factores. Normalmente, nos encontramos con sistemas que tienen una base magnética ajustable, un posicionamiento de la base en tres ejes en plano horizontal (x,y,θ) y de la base en un eje vertical (z), con altura ajustable para adaptación a diferentes espesores de PCB, un sistema de vacío para sujeción de la PCB durante la separación de la plantilla (Stencil), una espátula de doble cabezal articulado con ajuste de fuerza de impresión independiente, el recorrido del cabezal de la espátula también es ajustable según el tamaño de impresión, tiene doble espátula metálica de 300 mm para impresión de plantillas de paso fino, la velocidad de impresión seleccionable de 10 mm / s a 100 mm / s y la velocidad de separación vertical de la plantilla de la PCB paralela y ajustable: de 0.5 mm/s a 12 mm/s, una sujeción mecánica de PCB, para manejar las PCB define un tamaño mínimo ≤ 50 mm x 60 mm x 0.5 mm y un tamaño máximo: ≥ 410 mm x 395 mm x 5 mm, suelen tener un sistema de visión con doble cámara en color y dos punteros láser para el alineado con la plantilla, el rango de alineamiento en ejes x, y ≥ ± 6 mm y en θ ≥ ± 2.5 º, la precisión de impresión ≤ ± 20 micras en 3 σ. Estas características pueden variar según la máquina a utilizar.

Sistema adhesivo para el montaje de circuitos electrónicos

Es una máquina muy recomendada en el proceso de montaje de circuitos electrónicos. Esta máquina es la encargada de colocar la pasta adhesiva donde se necesite para la posterior colocación de los componentes. Dependiendo de la máquina que se utilice, también tiene unas características y requisitos en el proceso.

Sistema “pick and place” para el montaje de circuitos electrónicos

El sistema Pick&Place, se encarga de recoger (pick) los componentes y situarlos (place) en la posición que se define anteriormente. Tal y como hemos comentado al inicio de este post, con los avances tecnológicos, los componentes son cada vez más pequeños, o que dificulta su montaje a mano. Este servicio automático de montaje de circuitos electrónicos aumenta la precisión del montaje de los componentes en las placas electrónicas y destaca por su rapidez.

Como toda maquinaria, dependiendo de la que se posea, tiene unas características técnicas mínimas para el sistema de “pick and place”. Estas características técnicas van a depender de varios factores:

Según el número de alimentadores (feeders), normalmente disponen de alimentadores inteligentes con reconocimiento automático de posición y estado a la máquina, también se define el rango de tamaños de componentes manejados. Otras también disponen de bandeja para componentes sueltos.

Para que funcione de forma automática, las maquinas tienen un sistema de visión top-down para investigación y reconocimiento automáticos de fiduciales en el proceso de alineamiento además de un sistema de alineamiento láser en el camino del componente desde el alimentador a la PCB y un sistema de visión bottom-up para inspección de los componentes previa al posicionamiento.

La sujeción magnética universal para PCB además permite la programación fuera de línea. Dispone de un software de interfaz para conversión de datos desde programas de CAD (Layout) a archivos de posicionamiento, capacidad para comprobar y corregir el programa sin situar los componentes sobre la PCB (depuración virtual) y por último dispone de un PC integrado en equipo para control y software además del cambio automático de herramienta.

Horno de soldadura en el montaje de circuitos electrónicos

Para no alargar mucho el post, vamos a resumir la función de este proceso. Este horno se utiliza básicamente para cocer la pasta de soldadura y que los componentes queden completamente fijados a la PCB. Realmente las maquinas destinadas a este proceso no tienen mucho misterio.

Soldadura en el montaje de circuitos electrónicos

Cuando nos referimos a soldadura en ingeniería electrónica, nos referimos a, una unión eléctrica que conduce una señal y una potencia a través de dos puntos de contacto. También lo podemos definir como; una soldadura es una unión mecánica duradera entra los puntos de contacto del componente electrónico y los del circuito impreso. Esta soldadura es muy resistente a las condiciones ambientales agresivas que puedan producirse como vibraciones, golpes, cambios de temperatura, etc.

Esta unión mecánica o soldadura en los circuitos electrónicos sólo se logra si se utiliza el material adecuado. En este caso el material Inter metálico que se utilice debe ser suficiente para la unión.

La cantidad de material intermetálico y la resistencia mecánica están relacionadas. Existe un límite mínimo de material intermetálico en el que, por debajo de este, no existe la unión. Además, también existe un límite a partir del cual, la resistencia es máxima y si se va aumentando la cantidad de material, la resistencia va resultando cada vez menor.

Por lo tanto, es muy importante que las máquinas encargadas de realizar la soldadura produzcan la cantidad de material intermetálico correcto para que se la unión sea buena. Estas máquinas deben ser capaces de alcanzar la temperatura necesaria para formar una unión buena.

Diferencias entre la soldadura por ola y la soldadura selectiva

Empezaremos por la soldadura por ola. En una soldadura por ola, cuando sueldas los componentes que atraviesan la PCB como pueden ser los conectores, blindajes, sockets…, a pesar de que estos tienen una mayor velocidad en el proceso que en la soldadura selectiva sucede lo siguiente:

• No se puede elegir la temperatura y todas las uniones se producen a la misma temperatura, independientemente de la masa térmica de la unión.
• La soldadura se produce en contacto con el aire por lo que se produce óxido de soldadura. Esta se puede cubrir con ceras y materiales equivalentes, pero, aun así, se contamina la soldadura. Una forma de hacer que no pase esto es encapsular la cámara con nitrógeno, pero esto requiere un alto consumo en comparación con la soldadura selectiva.
• El coste en energía térmica es muy alto ya que se requiere mucha para mantener fundida la gran cantidad de soldadura que se almacena en la soldadura por ola.
• Para soldar los componentes por una cara, se requiere bañarlos con la soldadura fundida lo que puede deteriorarlos. Para solucionar este problema se puede aplicar máscaras protectoras al circuito, pero esto resultaría mucho más costoso.

Por otro lado, nos encontramos la soldadura selectiva que presenta algunas ventajas frente a la soldadura por ola:

• La boquilla soldadora es programable y se puede ajustar las velocidades según el tamaño y la masa térmica que necesiten los componentes.
• No existe la oxidación de la soldadura ya que no está en contacto con el aire ni necesita de nitrógeno para evitarlo.
• Se requiere menos energía térmica porque hay un menor volumen de soldadura.
• Los componentes que van por la cara opuesta a la que se está soldando no se exponen a un recalentamiento y nos evitamos tener que protegerlos.

Lo anteriormente mencionado se refiere a una soldadura selectiva secuencial y por boquilla individual, pero tenemos la opción de la soldadura selectiva de alta producción en la que trabajan de manera simultánea multi boquillas. Estas boquillas se les asignan un grupo de pines de cada componente y se plantea una plantilla exclusiva para cada PCB.