CASE-Congreso Argentino de Sistemas Embebidos
8 y 9 de agosto de 2024
ISBN ISBN 978-631-90145-2-5
Nueva planta piloto para prototipado e investigacio´n de circuitos impresos
Diego Brengi, Sergio Guberman, Gustavo Rodriguez, Marcelo Acevedo y Alex Lozano Departamento de Integracio´n de Sistemas Micro y Nanoelectro´nicos Direccio´n Te´cnica de Micro y Nanotecnolog´ıas Instituto Nacional de Tecnolog´ıa Industrial Buenos Aires, Argentina Email: brengi@inti.gob.ar
Resumen—El desarrollo de sistemas embebidos comerciales involucra la fabricacio´n, el ensamble y la puesta en marcha de circuitos electro´nicos. Este proceso demanda del disen˜ ador un conocimiento de los procesos involucrados. Para el caso de los primeros prototipos, se trata muchas veces de pruebas de concepto, que luego de revisadas sera´n modificadas y perfeccionadas hasta llegar al producto final para su fabricacio´n en mayor volumen. Para fomentar, facilitar y fortalecer este proceso de innovacio´n tecnolo´gica en las pequen˜ as y medianas empresas, se ha creado en el INTI una planta piloto para el prototipado de circuitos impresos. Esta planta posee equipamiento para el armado, inspeccio´n y retrabajo de circuitos impresos en baja escala, enfocada espec´ıficamente en la produccio´n de los primeros prototipos.
Palabras clave—PCB, circuitos impresos, prototipado, montaje, BGA, retrabajo, servicios, inspeccio´n, soldadura, ensamble
I. INTRODUCCIO´ N El desarrollo y prototipado de un sistema embebido electro´nico involucra varias etapas: 1. Disen˜o del circuito esquema´tico. 2. Disen˜o del circuito impreso, PCB (Printed Circuit
Board) o placa electro´nica. 3. Fabricacio´n del PCB. 4. Ensamble del PCB1. 5. Inspeccio´n. 6. Puesta en marcha y verificacio´n. Desde hace ya varios an˜os en el INTI, dentro del A´ rea de Micro y Nanotecnolog´ıas, se realizan actividades de disen˜o de circuitos impresos para sistemas embebidos, tanto para desarrollos en proyectos propios o como servicio a empresas que lo solicitan, abordando todas las etapas mencionadas anteriormente [1]. Recientemente se ha sumado la “Planta Piloto de Prototipado de Circuitos Impresos”, compuesta por equipamiento para el ensamble e inspeccio´n de placas de circuitos electro´nicos. En este trabajo se presentan los objetivos de la planta, las actividades realizadas para su implementacio´n, los resultados y el trabajo futuro.
1Ensamble o montaje de circuitos electro´nicos: La accio´n de ubicar los componentes electro´nicos sobre la placa y luego soldarlos para obtener un circuito electro´nico completo.
II. OBJETIVOS DE LA PLANTA PILOTO La incorporacio´n de estas nuevas capacidades persigue los siguientes objetivos:
Ofrecer entrenamiento y capacitacio´n sobre el proceso de ensamble e inspeccio´n de circuitos impresos, orientado a las pequen˜as empresas del rubro. Esto busca fomentar y apoyar la generacio´n de productos innovadores, con mayor tecnolog´ıa y valor agregado. Ofrecer a los disen˜adores de sistemas embebidos una visio´n cercana del proceso de ensamble e inspeccio´n, para mejorar sus habilidades en cuanto al Disen˜o para la Manufacturabilidad (DFM o Design for Manufacturability en ingle´s). En el proceso de disen˜o de PCBs, los conceptos de DFM aportan un conjunto de pautas de disen˜o que intentan garantizar la capacidad de fabricacio´n, reducir tiempos y costos de proceso, prevenir posibles problemas de produccio´n y mejorar la confiabilidad de las placas electro´nicas [2]. Investigar y experimentar nuevas te´cnicas, procesos y materiales, especialmente realizando la combinacio´n de los procedimientos y equipos cla´sicos de ensamble, con nuevas a´reas de aplicacio´n y tecnolog´ıas, como por ejemplo, electro´nica impresa, e-textiles, wearables, circuitos flexibles, etc. [3] [4] Poseer capacidades in-house de ensamblaje e inspeccio´n para el prototipado de proyectos especiales o de intere´s estrate´gico. La planta piloto no tiene como objetivo competir con los armadores nacionales de PCBs, sino ser un complemento y una alternativa en las primeras etapas del desarrollo.
III. ACTIVIDADES REALIZADAS E IMPLEMENTACIO´ N La planificacio´n, implementacio´n y puesta en marcha de la Planta Piloto requirio´ la preparacio´n del espacio y la adquisicio´n e instalacio´n gradual del equipamiento necesario, habie´ndose terminado de implementar a principios de 2024. A continuacio´n se detallan las actividades realizadas para su puesta en marcha:
Conformacio´n de un grupo de trabajo motivado y calificado.
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Instalacio´n de los sistemas de aire comprimido, ventilacio´n, distribucio´n ele´ctrica (monofa´sica), iluminacio´n y mobiliario. Diagramacio´n del espacio para aprovechar al ma´ximo el a´rea asignada a la planta. Adquisicio´n de equipamiento para soldadura manual y retrabajo, de ensamble y de inspeccio´n. Instalacio´n, puesta en marcha y prueba de los equipos. Definicio´n de procedimientos de seguridad, cuidados y operacio´n de los equipos. Realizacio´n de seminarios y charlas internas de capacitacio´n y divulgacio´n. Para la seleccio´n del equipamiento se tomaron en cuenta criterios te´cnicos y funcionales de cada equipo, como por ejemplo que sean aptos para bajos volu´menes de producciones, que trabajen las tecnolog´ıas de encapsudalados ma´s comunes y que ocupen un espacio reducido en la planta. Tambie´n se priorizaron los proveedores y representantes locales debido a las complejidades de los procesos de compra y las ventajas de contar en el pa´ıs con personal ya capacitado en el uso de estos equipos.
Figura 1. Dispensador para pasta de estan˜o y pegamento Fisnar JB1113N (izq.) e Impresora serigra´fica para stencil modelo NeoDen FP2636 (der.).
III-A. Equipamiento para montaje manual y automa´tico
Para el montaje manual de componentes electro´nicos se dispone de estaciones de aire caliente (Hony 908) y una estacio´n de soldadura y retrabajo (Pace MBT250) con puntas especiales como ultrafina, chisel y mini ola.
En relacio´n a la aplicacio´n de pasta de estan˜o para placas de montaje superficial se han incorporado los siguientes equipos:
Dispensador controlado (equipo neuma´tico) de l´ıquidos para la aplicacio´n de pasta de estan˜o o pegamento (Ver Fig. 1). Impresora de pasta de soldadura para stencil para el proceso de aplicacio´n de pasta de estan˜o (Ver Fig. 1). A este equipo se le realizo´ un marco adaptador para los casos donde el stencil se pide sin marco (bajo costo). Se dispone en la institucio´n de un equipo de grabado la´ser con el que se ha realizado la fabricacio´n de stencils (Ver Fig. 2). Como alternativa, el stencil se puede encargar con la fabricacio´n del PCB. Para el montaje y la soldadura por horno se dispone de los siguientes equipos: Posicionamiento: Equipo automa´tico (Pick&Place) que posee dos ca´maras integradas, una fija para analizar los componentes tomados por sus boquillas verificando su integridad y centrado, y otra incorporada en el cabezal mo´vil que permite analizar marcas fiduciarias en la placa, y ver la carga desde el feeder [5] ( Ver Fig. 3). Soldadura: Para la soldadura se dispone de un horno de refusio´n de tres etapas de taman˜o compacto y 5,5 kW de potencia, con cinta transportadora, tres etapas calefactoras de hasta 350 °C, y una etapa de enfriamiento [6] (Ver Fig. 4).
Figura 2. Equipo de grabado la´ser utilizado para la fabricacio´n de stencils. Figura 3. Equipo Pick&Place para montaje automa´tico modelo LE40V de la firma DDM Novastar.
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Figura 4. Horno de refusio´n modelo GF-12HC-HT de la firma DDM Novastar.
III-B. Equipamiento especial para soldadura y retrabajo
En algunos casos es necesario realizar la soldadura o desoldadura individual de componentes complejos, como por ejemplo chips BGA, LGA o QFN [7], o trabajar en un sector del PCB sin afectar al resto. Para estos casos, adema´s de las cla´sicas estaciones de aire caliente y de retrabajo mencionadas anteriormente, se cuenta con equipos especiales para tal fin:
Estacio´n de soldadura y desoldadura por infrarrojos JOVY RE-7500. Este equipo posee un calentador inferior y uno superior que permite trabajar solo un sector de la placa. Equipo de soldadura y retrabajo para chips BGA [8]. Este equipo tambie´n posee calefactor superior e inferior por infrarrojos, permitiendo soldar o desoldar chips BGA (Ver Fig. 5). El usuario puede definir el perfil de temperatura acorde al producto que desea retrabajar. Debido a que posee un sistema visual de prisma con ca´maras y una meca´nica muy precisa, se pueden soldar con este equipo encapsulados tan pequen˜os como un BGA de 1 x 1 mm y componentes simples (dos terminales) de hasta 0,4 x 0,2 mm (resistores SMD taman˜o 01005).
Figura 5. Equipo especializado para soldadura y retrabajo de chips BGA, modelo IR3000 de la firma PACE. Figura 6. Equipo para inspeccio´n lateral de chips BGA, modelo Ersascope-2.
III-C. Equipamiento para Inspeccio´n Para la inspeccio´n tradicional de placas electro´nicas se
dispone de lupas con iluminacio´n (3x y 12x) y un microscopio digital con aumento entre 18.7x y 120x. Para la revisio´n de soldaduras de chips BGA (Ball Grid Array), se cuenta con un equipo de inspeccio´n o´ptica lateral [9], con fibra o´ptica y aumento de hasta 180x (Ver Fig. 6). Este equipo permite obtener ima´genes claras y enfocadas de las soldaduras externas de un BGA (bolitas de los dos niveles ma´s externos del chip) y verificar que no existen obstrucciones entre las filas y columnas (posibles cortocircuitos). Adicionalmente, se cuenta con capacidades para la inspeccio´n por rayos X convencionales (2D), o mediante un tomo´grafo industrial con microenfoque (3D) (Ver Fig. 7). Estas u´ltimas capacidades se encuentran en otros sectores del instituto, con los cuales se trabaja en forma conjunta.
Figura 7. Tomo´grafo General Electric modelo “Phoenix v|tome|x s” utilizado para la inspeccio´n por rayos X de plaquetas electro´nicas.
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III-D. Disposicio´n f´ısica La planta piloto posee actualmente 36 m2 (6m x 6m).
La disposicio´n de los equipos y a´reas de trabajo se pueden observar en la Figura 8. Esta disposicio´n podra´ mejorarse y adaptarse a medida que avance la ampliacio´n planificada (Ver Trabajos Futuros).
Figura 8. Disposicio´n de la planta piloto. A) inspeccio´n lateral. B) Soldadura y retrabajo de BGA. C) Impresora de stencil y dosificador. D) Pick&Place. E) Horno de refusio´n. F) Almace´n de componentes. G) Campana de extraccio´n con pileta. H) Mesas de retrabajo e inspeccio´n.
IV. RESULTADOS Se completo´ la seleccio´n y adquisicio´n del equipamiento, la formacio´n de RRHH y la puesta en marcha, prueba y verificacio´n de los equipos y procesos de la planta piloto de prototipado de circuitos impresos, la cual se encuentra operativa y comenzando a ofrecer servicios. Se dispone de equipos esta´ndar de la industria para el ensamble automatizado de circuitos impresos con tecnolog´ıa de montaje superficial en baja escala, y se complementan con equipamiento especializado como la IR3000 para soldadura y retrabajo de chips BGA y equipos de inspeccio´n. Adema´s de las capacidades propias de la planta, se ha trabajado en conjunto con otros sectores de la institucio´n, como es el caso de la inspeccio´n por rayos X, la utilizacio´n de un tomo´grafo computarizado industrial y la mecanizacio´n de stencils. A diferencia de una planta de montaje tradicional, enfocada en resolver producciones esta´ndar y trabajos de clientes frecuentes, la planta piloto se orienta a actividades de capacitacio´n, investigacio´n, experimentacio´n, y prototipado de nuevos productos (normalmente muy bajas cantidades y con alto grado de incertidumbre en el funcionamiento), con el objetivo de fomentar la generacio´n de nuevos productos y emprendimientos electro´nicos en pequen˜as empresas.
V. TRABAJOS FUTUROS Como parte de las actividades de la Planta Piloto, se trabaja en la realizacio´n de actividades de difusio´n y capacitacio´n orientada a emprendedores y pequen˜as empresas del rubro tecnolo´gico. Esta capacitacio´n se plantea bajo el formato de “escuela”, incluyendo la presentacio´n de contenidos teo´ricos y su aplicacio´n en actividades pra´cticas mediante la utilizacio´n del equipamiento disponible. Por otro lado, se esta´ trabajando en la ampliacio´n de las capacidades de la planta, acondicionando un segundo espacio de 25 m2. Este sector estara´ enfocado a procesos qu´ımicos, limpieza de stencil y mecanizado.
AGRADECIMIENTOS Queremos agradecer a Alejandro y Marcos Mayer, de la empresa Mayer S.A., por su colaboracio´n y aporte de materiales y servicios. A Marcelo Frontalini, por su invalorable ayuda en la puesta en marcha de la Pick&Place. A los compan˜eros de la Subgerencia Operativa de Meca´nica y Log´ıstica, Juan Ignacio Szombach y su equipo del Departamento de Servicios de Ingenier´ıa. A Pablo Gonzales Taboas del Departamento de Ensayos no Destructivos, por las actividades realizadas en inspeccio´n de rayos X. Adema´s agradecemos a Mat´ıas E. Peralta del Departamento de Validacio´n de Equipos y Componentes del Centro Litoral de INTI, por el uso del tomo´grafo industrial, y finalmente a nuestro compan˜ero de seccio´n, Herna´n Ledesma, por las pruebas de inspeccio´n realizadas.
REFERENCIAS
[1] Brengi D., Tropea S., Parra V. y Huy C. , “Soldadura, inspeccio´n y verificacio´n, en laboratorio, de un prototipo con chip BGA”, II Congreso de Microelectro´nica Aplicada (uEA 2011), ISBN: 978-950-34-0749-3, pp. 95–100, 2011. Link
[2] Happy Holden, Clyde F. Coombs; “Planning for Design, Fabrication and Assembly”, Printed Circuits Handbook, Sixth Edition, McGrawHill, Chapter 19.1.,2008
[3] IPC, “IPC Releases E-textiles Standard, IPC-8921”, Standards News Etextiles IPC-8921, 2019, Link.
[4] Wikipedia, “Wearable technology”, https://en.wikipedia.org/wiki/ Wearable technology (accedido el 24 de junio de 2024).
[5] DDM Novastar, “LE-40V Pick and Place Equipment”, www.ddmnovastar.com (accedido el 24 de junio de 2024).
[6] DDM Novastar, “GF-12HT Benchtop Reflow Oven”, https://www. ddmnovastar.com/product/gf-12ht-benchtop-reflow-oven (accedido el 24 de junio de 2024).
[7] A. Geczy and Z. Illyefalvi-Vitez, “Board design optimization for fine pitch BGA components”, 3rd Electronics System Integration Technology Conference ESTC, Berlin, Germany, 2010, pp. 1-6, doi: 10.1109/ESTC.2010.5642918. Link
[8] Pace Worldwide, “IR 3000 BGA Rework Station”, https: //paceworldwide.com/sites/default/files/2019-07/IR3000 Manual.pdf (accedido el 24 de junio de 2024).
[9] Y. C. Chan, C. W. Tang and P. L. Tu, “Endoscopic inspection of solder joint integrity in chip scale packages”, 2000 Proceedings. 50th Electronic Components and Technology Conference (Cat. No.00CH37070), Las Vegas, NV, USA, 2000, pp. 569-575, doi: 10.1109/ECTC.2000.853215.
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