ISBN 978-631-90145-3-2 - Congreso Argentino de Sistemas Embebidos CASE 2025 - 31 de julio al 1 de agosto
Utilizacio´n de cupones para la puesta en marcha, capacitacio´n y entrenamiento en l´ıneas de ensamblaje SMD
Sergio Guberman, Diego Brengi, Gustavo Rodr´ıguez, Marcelo Acevedo y Salvador Tropea 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: {sguberman, brengi, grodriguez}@inti.gob.ar
Resumen—En este trabajo se presenta la utilizacio´n de “cupones” de prueba para realizar la puesta en marcha, calibracio´n y ajuste de l´ıneas de ensamblaje de tecnolog´ıa de montaje superficial (SMT). La experiencia se realizo´ en dos l´ıneas diferentes: La Planta Piloto de armado en el INTI, y la l´ınea SMT de la empresa Pixart S.A.
Los cupones han demostrado su utilidad para medir y comparar aspectos clave como la repetibilidad en la aplicacio´n de pasta de estan˜ o, la precisio´n en el posicionamiento automa´tico de componentes y la calidad de la soldadura en cada l´ınea. Tambie´n han sido de gran importancia para brindar capacitacio´n a los te´cnicos y operarios, por ejemplo en la configuracio´n del equipamiento, conceptos de inspeccio´n, y para refinar los procedimientos en general, fomentando la adopcio´n de buenas pra´cticas de manufactura tanto en entornos industriales como en a´mbitos de investigacio´n y formacio´n.
Palabras clave—PCB, circuitos impresos, disen˜ o, cupo´n, montaje, ensamblaje, SMT, montaje superficial, caracterizacio´n, entrenamiento
I. INTRODUCCIO´ N Los cupones de prueba pueden ser herramientas valiosas para la calibracio´n de los equipos que conforman las l´ıneas de ensamblaje de tecnolog´ıa de montaje superficial (SMT) [1] [2]. A trave´s del uso de estos cupones, se puede verificar y comparar para´metros como la precisio´n en el posicionamiento o la calidad de la soldadura, evaluando ma´quinas y procesos, as´ı como tambie´n permiten entrenar a operadores en la deteccio´n temprana de defectos de soldadura, y reforzar la adopcio´n de buenas pra´cticas de manufactura por parte de los disen˜adores.
II. DISEN˜ O DE CUPONES Los circuitos electro´nicos suelen tener una gran variedad de componentes electro´nicos. Es por este motivo que, para esta primera experiencia, se decidio´ armar una placa de prueba con varios encapsulados diferentes. Basa´ndonos en los disen˜os de cupones ya presentados anteriormente [2], se disen˜aron dos cupones adicionales (MIX01 y MIX-02) con el objetivo de agregar distintos tipos de encapsulados. En la placa de pruebas fabricada finalmente se combinaron tres cupones:
Cupo´n MIX-01: Contiene encapsulados del tipo 0402, SOD80C/MiniMELF, SOT23, SOIC-14, BGA-48 (Ball Grid Array), BGA 256 y BGA-324. Cupo´n MIX-02: Contiene encapsulados del tipo 0805, 0603, 0402 y 0201. Cupo´n DO-214AC-SO8: Contiene encapsulados DO214AC y encapsulado SO8. Cada uno de estos cupones tiene un taman˜o de 10x3 cm, esta disen˜ado con KiCad [3] [4] y pensado para fabricarse en una sola capa (simple faz). La documentacio´n y los archivos de fabricacio´n de cada cupo´n fue generada automa´ticamente con la herramienta KiBot, implementando metodolog´ıas CI/CD en el entorno que provee GitHub [5] [6] [7] [8]. Esta herramienta permite controlar el flujo de trabajo, automatizando tareas como la verificacio´n ERC y DRC, generacio´n de archivos gerber, listado de materiales y vistas 3D.
III. PANEL DE PRUEBA
El taman˜o y la forma de los cupones disen˜ados tienen como objetivo que los mismos resulten fa´ciles de ubicar en los bordes de un panelizado, o que puedan combinarse fa´cilmente entre s´ı para obtener un panel de prueba.
Para este caso de aplicacio´n se utilizo´ una combinacio´n de los tres cupones mencionados anteriormente, para lograr la mezcla adecuada de encapsulados y el grado de dificultad requerida en un u´nico panel de pruebas.
En la Figura 1 se muestran las dimensiones del panel resultante. Este panel fue confexionado y fabricado por una empresa argentina [9] en material FR4, espesor de 1,6 mm y utilizando una terminacio´n HASL (Hot Air Solder Leveling). Cada panel tuvo un costo aproximado de 4,5 do´lares en un lote de 70 unidades. En la Figura 2 se observa el panel fabricado.
IV. DOS CASOS DE APLICACIO´ N Y ESTUDIO
Utilizando el mismo panel, se realizaron pruebas en dos l´ıneas de ensamblaje SMT. Mencionamos a continuacio´n estos casos de aplicacio´n.
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Figura 3. L´ınea SMT de prototipado en INTI. De izquierda a derecha: Pick and Place y horno de refusio´n.
Figura 1. Dimensiones del panel de prueba, realizado con la combinacio´n de tres cupones.
IV-B. L´ınea de armado en Pixart S.R.L. La empresa Pixart [11], en su planta ubicada en la Plaza
Industrial de Escobar, provincia de Buenos Aires, posee dos l´ıneas de montaje superficial, una de alto volumen y otra de volumen medio. Para este estudio se utilizo´ esta u´ltima l´ınea, la cual esta conformada por el siguiente equipamiento (Ver Figura 4):
Impresora para stencil modelo G5 de la firma GKG (automa´tica). Pick and Place modelo HW-T6-64F de la firma Beijing Huawei SMT Electronic Technology. Horno de refusio´n modelo 1000M de 10 zonas de la firma Shenzhen Shengdian Electronic Equipment.
Figura 2. Foto del panel conformado por tres cupones. La placa contiene componentes 0201, 0402, 0603, SOIC-14, SOT-23 y BGA entre otros.
IV-A. Planta Piloto de armado en INTI
En el a´rea de Micro y Nanotecnolog´ıas del INTI funciona una planta piloto para el prototipado de circuitos impresos [10] que posee equipamiento para el armado, inspeccio´n y retrabajo en baja escala, enfocada en la produccio´n de los primeros prototipos de un producto o sistema electro´nico, y tambie´n en actividades de capacitacio´n. Los equipos involucrados en esta l´ınea son (Ver Figura 3):
Impresora para stencil modelo NeoDen FP2636 (manual). Pick and Place modelo LE40V de la firma DDM Novastar. Horno de refusio´n modelo GF-12HC-HT de 3 zonas, de la firma DDM Novastar.
Figura 4. L´ınea SMT en Pixart S.R.L. De izquierda a derecha: Impresora de stencil, Pick and Place y horno de refusio´n.
V. RESULTADOS La puesta en marcha de una l´ınea de ensamblaje involucra un gran despliegue te´cnico y varias horas de trabajo. Podemos mencionar algunas de las actividades que son necesarias realizar:
Manejo de placas y componentes. Limpieza e instalacio´n del stencil. Seleccio´n y manejo de la pasta de estan˜o. Gestio´n de stock de componentes electro´nicos y carga de los mismos (rollos y bandejas) en la Pick and Place.
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Carga de la informacio´n y secuencia de posicionamiento para la Pick and Place, incluyendo el manejo de fiduciales. Seleccio´n y configuracio´n del perfil de temperatura, con sus pruebas asociadas. Controles de proceso e inspeccio´n en cada etapa y en el resultado final, como por ejemplo el uso de microscopios o sistemas AOI (Automated Optical Inspection). Mantenimiento de los equipos. Protocolos de seguridad, gestio´n de la calidad y sistemas de trazabilidad. Conocimiento y consulta de normas, como por ejemplo la IPC-A-610 [12] entre otras. Se fabricaron varios paneles en ambas l´ıneas de armado, con el personal te´cnico propio de cada una de ellas. En la Figura 5 se muestra un panel armado. En las Figuras 6, 7, 8 y 9 se pueden observar sectores de los cupones correctamente soldados.
Figura 6. Componentes SOT-23 soldados en el cupo´n.
Figura 7. Componentes MiniMELF soldados en el cupo´n.
Figura 5. Foto de un panel armado.
Se realizaron varios simulacros, obteniendo en cada uno de ellos aspectos a mejorar, ajustar y calibrar. A modo de ejemplo se puede mencionar que, en una de estas pra´cticas, se cargo´ erro´neamente un componente en la Pick and Place debido a un error de interpretacio´n del te´cnico. En la Figura 10 se observa esta situacio´n, donde se ve un diodo MiniMELF en el lugar de un led taman˜o 0805.
VI. CONCLUSIONES Continuando el trabajo iniciado en el an˜o 2024, se utilizaron con e´xito los cupones disen˜ados, combinando tres de ellos para obtener un panel para la puesta en marcha, prueba, evaluacio´n y caracterizacio´n de dos l´ıneas distintas de armado de montaje superficial. La utilizacio´n de un panel de pruebas cumple, entre otros, con los siguientes objetivos:
Tener una placa diversa en componentes para poner en marcha una l´ınea. Entrenar a los te´cnicos y operarios en distintas situaciones que se pueden presentar en un caso real. Probar el desempen˜o del equipamiento de la l´ınea. Repasar protocolos de trabajo, abordando una produccio´n de prueba. Verificar los resultados de todo el proceso, inspeccio-
Figura 8. Diodos con encapsulados DO-214AC soldados en el cupo´n.
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Figura 9. Circuitos integrados con encapsulado SOIC-14 soldados en el cupo´ n.
Figura 10. Configuracio´n erro´nea del componente D22 en la Pick and Place.
nando las placas resultantes, por ejemplo observando la calidad de las soldaduras y detectando errores de posicionamiento. Comparar resultados entre distintas l´ıneas de produccio´n, analizando tiempos de proceso y eficiencia. El ana´lisis de los componentes BGA, presentes en el panel de pruebas, sera´ presentado en otro trabajo, ya que merece un tratamiento particular y detallado.
VII. TRABAJO FUTURO Como pro´ximo paso se planea incorporar ma´s cupones, por ejemplo para la prueba de componentes como PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier), QFP (Quad Flat Package) y QFN (Quad Flat No-Leads). Adema´s se propone realizar placas de prueba con ejemplos de buenas y malas pra´cticas, con fallas y errores intencionales, de manera de tener una herramienta educativa adicional que refuerce en el disen˜ador de PCBs los conceptos de Disen˜o para la Manufacturabilidad (DFM) [13] y Disen˜o para el armado (DFA).
VIII. AGRADECIMIENTOS Agradecemos el apoyo y la confianza depositada en nosotros por parte de la empresa Pixart S.R.L., en especial a Gabriel Ortiz y Juan Pablo Menditto. Tambie´n debemos mencionar la buena predisposicio´n y colaboracio´n de Alejandro y Marcos Mayer, de la empresa Mayer S.A. Por u´ltimo, agradecemos a Mike y Mar´ıa de PACE worldwide por donar los kits con los componentes BGA que fueron utilizados en nuestras pruebas.
REFERENCIAS
[1] Wikipedia, The Free Encyclopedia, “Surface-mount technology”, en.wikipedia.org/wiki/Surface-mount technology (accedido el 9 de abril, 2025).
[2] Brengi, D., S. Guberman, G. Rodr´ıguez, and M. Acevedo, “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”, Congreso Argentino de Sistemas Embebidos 2024, ISBN: 978-631-90145-2-5, pp. 102–105, 2024. Link
[3] “KiCad EDA - Schematic Capture & PCB Design Software”, www.kicad.org (accedido el 6 de mayo, 2024).
[4] 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.
[5] S. Tropea, “Generacio´n automa´tica de archivos de fabricacio´n en KiCad”, Congreso Argentino de Sistemas Embebidos 2020, ISBN: 978987-46297-7-7 , pp. 104–106, 2020. Link
[6] “KiBot, a robot to easier our KiCad journey”, Link (accedido el 9 de abril, 2025).
[7] A. Shmakov, “PCBOps: Applying CI/CD to PCB design projects”, KiCon 2019, 2019. Link (accedido el 9 de abril, 2025).
[8] A. Mahpour, “Continuous integration and deployment in ECAD”, 2020. Link (accedido el 9 de abril, 2025).
[9] Ernesto Mayer S.A, “Mayer Circuitos Impresos”. Link. [10] Brengi, D., S. Guberman, G. Rodr´ıguez, M. Acevedo, and A. Lozano,
“Nueva planta piloto para prototipado e investigacio´n de circuitos impresos”, Congreso Argentino de Sistemas Embebidos 2024, ISBN: 978-631-90145-2-5, pp. 63–66, 2024. Link [11] Pixart S.R.L, “Pixart Argentina”. Link. [12] IPC, Association Connecting Electronics Industries, “IPC-A-610, Acceptability of Electronic Assemblies”, versio´n J, marzo de 2024. Link. [13] Happy Holden, Clyde F. Coombs; “Planning for Design, Fabrication and Assembly”, Printed Circuits Handbook, Sixth Edition, McGrawHill, Chapter 19.1.,2008.
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