CASE-Congreso Argentino de Sistemas Embebidos
8 y 9 de agosto de 2024
ISBN ISBN 978-631-90145-2-5
Disen˜o de placas para entrenamiento y puesta a punto de una l´ınea de ensamble de circuitos
impresos con tecnolog´ıa de montaje superficial
Diego Brengi, Sergio Guberman, Gustavo Rodriguez y Marcelo Acevedo 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—En este trabajo se presenta el disen˜ o de placas electro´nicas para realizar la puesta a punto de una l´ınea de circuitos impresos con tecnolog´ıa de montaje superficial o SMT (Surface-Mount Technology). Estas placas se usara´n, adema´s, para realizar entrenamientos y caracterizaciones sobre dicha l´ınea de ensamble. Los disen˜ os esta´n realizados con el software libre KiCad y tienen formato tipo cupo´n, de taman˜ o reducido y utilizando componentes de bajo costo. Las placas ensambladas resultantes se deben inspeccionar visualmente para detectar errores o realizar ajustes de la l´ınea SMT. Adicionalmente, se realiza una interconexio´n en serie de los componentes electro´nicos de cada cupo´n para poder hacer una verificacio´n ele´ctrica.
Palabras clave—PCB, circuitos impresos, disen˜ o, cupo´n, montaje, ensamble, SMT, montaje superficial, caracterizacio´n, entrenamiento
I. INTRODUCCIO´ N La tecnolog´ıa de Montaje Superficial o SMT (por “Surface Mount Technology” en ingle´s) es un me´todo de ensamblaje de placas electro´nicas que implica la colocacio´n de componentes directamente sobre la superficie de la placa de circuito impreso [1]. Esta tecnolog´ıa, y su proceso asociado, es la ma´s utilizada en la industria electro´nica ya que debido al menor taman˜o de los componentes y la ausencia de orificios en la placa, permite lograr una mayor densidad y mejor eficiencia de produccio´n, en comparacio´n a la tecnolog´ıa predecesora de insercio´n de componentes THT (por “Through-Hole Technology”), en la cual los componentes se fijan utilizando orificios pasantes en la placa. En Argentina son muchas las empresas que cuentan con una l´ınea de montaje superficial para la fabricacio´n de sus productos electro´nicos. El equipamiento m´ınimo involucrado en una l´ınea SMT ba´sica es el siguiente (Ver Fig. 1):
Impresoras de Pasta de Soldadura: Estos equipos utilizan un stencil para aplicar la pasta de soldadura sobre las ubicaciones donde deben apoyarse y soldarse los terminales de los componentes en el PCB (por “Printed Circuit Board” en Ingle´s) . Existen equipos totalmente automatizados y otros que utilizan una impresora manual,
donde un operario, en una sola aplicacio´n, coloca el estan˜o en pasta a un grupo de placas. Ma´quinas de Colocacio´n Automa´tica (Pick and Place): Estas ma´quinas toman los componentes electro´nicos y los colocan automa´ticamente con precisio´n en las ubicaciones designadas en el PCB. Pueden utilizar la informacio´n de posicio´n generada por el programa de disen˜o para determinar la posicio´n exacta de cada componente, o se pueden configurar manualmente. Hornos de Refusio´n: Despue´s de la colocacio´n de los componentes, las placas pasan a trave´s de un horno de refusio´n. Este equipo utiliza un proceso de calentamiento controlado por zonas, aplicando a cada placa el perfil de temperatura programado. Sistemas de inspeccio´n visual: Estos sistemas pueden implementarse mediante me´todos manuales (un operario) o con equipos automa´ticos en la l´ınea de montaje. Los momentos del proceso donde normalmente se realiza una inspeccio´n son: Luego de la aplicacio´n de pasta de estan˜o para verificar que exista la cantidad adecuada de la misma, y al final del proceso para detectar errores en la placa ensamblada. Adicionalmente, puede inspeccionarse la placa luego de la etapa de posicionamiento, para verificar que la ma´quina Pick and Place haya realizado correctamente su trabajo. Para que una l´ınea SMT funcione correctamente los equipos deben estar adecuadamente instalados, configurados y mantenidos. Los insumos deben ser los adecuados y estar en buenas condiciones. Deben definirse, estudiarse y respetarse todos los procesos y protocolos involucrados. La puesta a punto y la prueba global de una l´ınea SMT se realiza generalmente utilizando alguna placa de prueba que puede ser propia, comercial, o provista por alguno de los proveedores del equipamiento involucrado.
II. CUPONES Y PLACAS DE PRUEBA Los cupones son estructuras de prueba y/o control de calidad que se ubican en el mismo panel de ensamble, y generalmente alrededor del circuito impreso que se desea fabricar. Es por
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Es por estos motivos que se decide realizar disen˜os propios para la prueba y la puesta a punto de nuestra l´ınea de ensamble SMT. Estos disen˜os servira´n, adema´s, para realizar entrenamientos, considerando esta actividad de gran importancia para ensen˜ar y perfeccionar los conceptos de Disen˜o para la Manufacturabilidad (DFM o Design for Manufacturability en ingle´s [5] ) teniendo en cuenta que este tipo de equipamiento no es frecuente en instituciones educativas debido a su alto costo, y que la tema´tica no se cubre normalmente en los planes de estudio [6].
Figura 1. Esquema general de una l´ınea de ensamblaje de componentes de montaje superficial.
eso que normalmente tienen un taman˜o reducido de manera tal que no impacten demasiado en el a´rea utilizada. La norma IPC-2221B [2], en sus ape´ndices A y B define varios cupones de prueba orientados a probar caracter´ısticas de fabricacio´n. Por ejemplo el Cupo´n A/B contiene agujeros metalizados, y se usa para evaluar estre´s te´rmico, retrabajo y fisuras en el cilindro metalizado (v´ıa); el Cupo´n C para probar la fuerza necesaria para despegar el cobre; el Cupo´n D para probar la resistencia de interconexio´n y continuidad; y el Cupo´n M para probar soldabilidad de componentes SMD. Adema´s, cuando se trabaja en disen˜os con impedancia controlada [3], es muy comu´n colocar cupones de prueba para realizar mediciones que validen la impedancia calculada (ver Fig. 2 ).
Ninguno de los cupones mencionados en la IPC-2221B tiene como objetivo la prueba y el entrenamiento con el equipamiento que compone una l´ınea de ensamble SMT.
Figura 2. Varios cupones para realizar mediciones de impedancia controlada.
Por otro lado la norma IPC-9850 [4] define me´todos para la caracterizacio´n de equipamiento de posicionamiento de componentes (Pick and Place), sin embargo se trata de procedimientos complejos y costosos, muy orientados a medir la performance de estos equipos para compararlos entre s´ı y definir un conjunto de caracter´ısticas y especificaciones comunes a todos.
Por u´ltimo, si bien existen placas comerciales espec´ıficas para la prueba y caracterizacio´n de l´ıneas de montaje, las mismas se deben importar y generalmente poseen un alto costo (Ver Fig. 3 ).
Figura 3. Placas de prueba para l´ıneas de montaje superficial. A) Provista por Juki Automation Systems. B) Provista por Speedline Technologies. C) Provista por Topline. D) Provista por Practical Components. E) Provista por ERSA. F) Provista por ESSEMTEC AG.
III. REQUERIMIENTOS Para abordar el disen˜o se plantean los siguientes requerimientos: A Placas de disen˜o propio y realizadas con una herramienta
de software libre. B Deben utilizar componentes electro´nicos ba´sicos y de
bajo costo. C Deben ser placas tipo cupo´n, de poca a´rea y que permita
ser incorporada en la periferia de algu´n otro disen˜o. De esta manera se puede aprovechar la fabricacio´n de algu´n producto para encargar las placas de prueba. D Disen˜o accesible a cualquier interesado que desee fabricarlas. E Debe permitir la prueba del proceso de impresio´n de pasta de estan˜o, del posicionamiento de componentes con Pick and Place y de soldadura con horno de refusio´n. F Debe poseer fiduciales. Con estos requerimientos se pasa a la etapa de disen˜o.
IV. DISEN˜ O El disen˜o de los cupones se realizan con el software KiCad [7] (versio´n 7.0) debido que el mismo posee una licencia de software libre que permite su libre uso [8], facilitando as´ı la tarea de cualquier interesado que desee mejorar, modificar o adaptar los cupones. Se define un taman˜o de 10x3 cm,
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pensando en el requisito C. En la figura 4 se plantea a modo de ejemplo, algunos posibles esquemas de panelizacio´n con los cupones de prueba.
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Figura 5. Vista de un cupo´n en el software de disen˜o de circuitos impresos.
Cupo´n SMT-DO-214AC-SO8: Prueba de instalacio´n de diodos con encapsulado DO-214AC e integrados en encapsulado SO8 (Ver Fig. 6 ). Este cupo´n posee diodos en serie y circuitos integrados operacionales en configuracio´n seguidor. Los disen˜os contemplan la interconexio´n serie de los componentes (tipo Daisy chain), de manera de poder verificar ele´ctricamente algunas conexiones (Ver Fig. 7 ), siendo esto un complemento a la inspeccio´n visual.
Figura 4. Posibles esquemas de panelizacio´n: Cupones en la periferia del panel de ensamble (arriba), cupones contiguos al panel de ensamble (centro) y cupones agrupados, fabricados en forma independiente (abajo).
Por simplicidad se decide que todos los cupones sean simple faz y del mismo taman˜o, para poder intercambiarlos y combinarlos fa´cilmente.
En cada cupo´n se delimitan sectores con distintas caracter´ısticas o “features”, donde se aclara la separacio´n, el tipo de componente y posicionamiento (Ver Fig. 5).
En esta primer etapa se disen˜aron los siguiente cupones: Cupo´n SMT-R0603: Prueba de instalacio´n de resistores 0603. Los resistores se conectan en serie y se ubican con distintas orientaciones y separaciones. (Ver Fig. 5) Cupo´n SMT-R0805: Prueba de instalacio´n de resistores 0805 (Ver Fig. 6 ). Este cupo´n es similar al cupo´n SMTR0603, solo cambia el taman˜o de los resistores utilizados.
V. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Se presentan los primeros pasos realizados de este trabajo en curso. Con el objetivo de realizar pruebas, puesta a punto y entrenamientos con nuestra nueva l´ınea de montaje SMT, aparece la necesidad de contar con placas espec´ıficas para tal fin. Con este propo´sito se plantearon los requerimientos de estas placas y se disen˜aron las mismas. Se selecciona un formato y dimensiones que permitan aprovechar la periferia de un panel de ensamble, y se presentan algunas opciones de panelizacio´n y uso. Los tres cupones desarrollados permiten probar el montaje de resistores 0603 y 0805, de diodos DO-214AC y circuitos integrados SO8. Se utiliza un software libre KiCad esperando que esto facilite la reutilizacio´n y aprovechamiento de estos cupones por parte de empresas que los requieran. Estos disen˜os se ofrecen a pedido, a cualquier interesado en utilizarlos, plantea´ndose en un futuro su publicacio´n bajo alguna licencia de hardware abierto.
VI. TRABAJO FUTURO Como pro´ximo paso se abordara´ la fabricacio´n de los cupones para realizar con ellos la prueba y puesta a punto de nuestra l´ınea de montaje. En un segundo paso se utilizara´n los cupones como material dida´ctico para realizar entrenamientos y actividades que involucren el uso de la l´ınea. A ma´s largo plazo se plantea:
El ensamble de estos cupones por parte de distintos actores de la industria electro´nica local, de forma de poder contrastar diferentes l´ıneas y obtener una mayor realimentacio´n para mejorar los disen˜os.
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Figura 6. Vistas 3D. Cupo´n SMT-R0805 (arriba). Cupo´n SMT-DO-214AC-SO8 (abajo).
Figura 7. Diagrama esquema´tico del cupo´n SMT-R0603, donde se observa la interconexio´n realizada para la verificacio´n ele´ctrica.
Incorporar ma´s cupones, por ejemplo para la prueba de componentes como PLCC, QFP, QFN o BGA, que permitan, adema´s, probar los l´ımites tecnolo´gicos de cada equipo. Por u´ltimo, realizar placas de prueba con ejemplos de buenas y malas pra´cticas, de manera de tener una herra-
mienta educativa adicional que refuerce en el disen˜ador de PCBs los conceptos de Disen˜o para la Manufacturabilidad.
REFERENCIAS
[1] Wikipedia, The Free Encyclopedia, “Surface-mount technology”, en.wikipedia.org/wiki/Surface-mount technology (accedido el 6 de mayo, 2024).
[2] IPC, Association Connecting Electronics Industries, “IPC-2221B, Generic Standard on Printed Board Design, APENDIX A”, versio´n 4.0, abril de 2022. Link.
[3] D. Alamon, N. Scotti, D. Caruso, D. Brengi, M. Mayer, “Disen˜o y fabricacio´n nacional de un circuito impreso multicapa con impedancia controlada y cupo´n de prueba asociado”, Workshop Iberchip, Montevideo Uruguay, febrero 2015, DOI: 10.13140/RG.2.1.3792.6569. Link.
[4] IPC, Association Connecting Electronics Industries, “IPC-9850A, Surface Mount Placement Equipment Characterization”. Link.
[5] Happy Holden, Clyde F. Coombs; “Planning for Design, Fabrication and Assembly”, Printed Circuits Handbook, Sixth Edition, McGrawHill, Chapter 19.1.,2008.
[6] M. K. Bhatti et al., “Hands on training on surface mount technology (SMT) assembly line for development of LED based lights”, 2013 IEEE 5th Conference on Engineering Education (ICEED), Kuala Lumpur, Malaysia, 2013, pp. 37-42, doi: 10.1109/ICEED.2013.6908299. Link.
[7] “KiCad EDA - Schematic Capture & PCB Design Software”, www.kicad.org (accedido el 6 de mayo, 2024).
[8] Medrano, A., A´ ngel Serra and Carlos Herna´ndez Soto. “KiCad, Herramienta de Software Libre de Modelado de Circuitos Impresos para el Desarrollo de Hardware”, Revista Ciencia e Ingenier´ıa. Vol. 38, No. 2, pp. 177-186, 2017. ISSN 1316-7081. ISSN Elect. 2244-8780. Universidad de Los Andes (ULA). Link.
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