Ensamblado de PCBs

4º Ensamblado

Proceso:

  1. Colocación de componentes: automática // manual.
  2. Soldadura en masa.
  3. Colocación y soldadura de componentes especiales.
  4. Pruebas.

Componentes de inserción:

  • DIP: mesa soporte PCB (referencia mecánica, Desplazamiento xy, giro 360º), Alimentadores desplazables, Cabezal fijo (mordazas), Tras inserción doblado de terminales, Velocidad (5000c/h).
  • AXIALES: mesa (x y theta), Alimentador único (componentes secuenciados), Cabezal (corta y conforma terminales), Inserción (corte y doblado de terminales), Velocidad (32000c/h).
  • Secuenciadora: Secuencia específica para cada código, ALimentadores fijos, cadena recogerdora, ¿Comprueba valor?, encintado final, velocidad (10000c/h) Secuenciadora/Insertadora.
  • RADIALES: Mesa(xy), alimentadores fijos, secuenciadora, cabezal: giro, Inserción, corte y doblado de terminales, Velocidad(10000c/h).
  • OTROS: Inserción manual (lenta, errores, ayudas al operario). Robots (caro, sin errores, lento (funcionamiento, ajustes)).

Soldadura por Ola

Superficie de Sn limpia, Ola contacta sólo la cara de Cu del PCB, Sn desplaza el flux y moja el Cu (o el Sn) pero no el solder resist. Sn sube por los agujeros (efecto capilar).

Proceso:

  1. Aplicación flux.
  2. Precalentamiento (el flux desoxida el Cu).
  3. Soldadura (Sn moja Cu).
  4. Enfriamiento (solidifica el Sn).
  5. Limpieza eliminación del flux.

Parámetros de control: Altura de la ola, velocidad del PCB, Composición aleación de soldadura, Masa térmica PCB, perfil de precalentamiento, Tipo y cantidad de flux, Velocidad de enfriamiento.

  • SMD en cara de componentes (+inserción): Aplicación de pasta de soldar, Colocación SMD => Soldadura por refusión, Componentes TH => Ola de estaño.
  • SMD en cara de cobre (+inserción): Colocación componentes TH, Giro. Aplicación adhesivo, Colocación SMD, curado adhesivo. Giro Ola de estaño.
  • Aplicación pasta de soldar (Serigrafía): Alineamiento pantalla PCB, impresión a través de pantalla de serigrafía (tela impermeabilizada, lámina metálica). Está hecha de Polvo de aleación de soldadura, Flux, Disolvente.

Máquinas de ensamblado (Pick and place)

Parámetros: velocidad, exactitud, flexibilidad

Tipos: Simples, Uso general, Precisión, Alta velocidad

  • Simples: PCB y alimentadores fijos, cabezal móvil, alineamiento mecánico, Flexibles?, Precisión: 1/20”, Lentas.
  • Uso general: Flexibles, PCB y alimentadores fijos, cabezal móvil (múltiple), Alineamiento óptico (de placa, de componente), Precisión (0.5mm de paso), Velocidad (14000c/h).
  • Precisión: Muy flexibles, PCB y alimentadores fijos, cabezal móvil (múltiple), Alineamiento óptico (de placa, de componente, de zona de soldadura), Exactitud de posicionamiento (10um), Velocidad (500-1000 c/h).
  • Alta velocidad: Muy rápidas (100000c/h), componentes sencillos => chip shooters, alineamiento óptico y/o mecánico, varios sistemas (tipo torreta, cabezales múltiples, Módulos en paralelo):
    • Torreta con cabezales: sin desplazamiento, rotatoria, cada cabezal: giro, alimentadores móviles (x), PCB móvil (xy), alineamiento óptico.
    • Cabezales múltiples: Cabezales móviles (x), PCB móvil (y), Alimentadores fijos, alineamiento óptico.
    • Módulos en paralelo: Cabezales móviles (xy) cada uno con un número limitado de componentes, PCB fijo (avance a saltos), Alimentadores fijos (número reducido por cabezal), alimentador mecánico de PCB, alineamiento óptico (rápido).

Soldadura por Reflusión

Perfil de temperatura: Secado y eliminación disolvente, Activación del flux, Fusión aleación de soldadura, Solidificación.

Hornos:

  • Fase vapor: Sistema en equilibrio, uniformidad temperatura, ambiente no oxidante, Mal perfil de temperatura, Líquido caro (se contamina).
  • Radiación IR: Varias zonas con control independiente, Perfil de temperatura controlable, Rápido, sistema de no equilibrio, Absorción no uniforme (Sombras).
  • Convección: Varias zonas con control independiente, sistema de equilibrio, Calentamiento uniforme, Perfil de temperatura controlable, Lento, Problemas con la velocidad del aire.

Calentamiento Localizado:

  • Convección: sólo calienta los terminales, sistema de equilibrio, lento, necesidad de una boquilla por cada tipo de componente.
  • Barra Caliente: Sólo calienta los terminales, Sistema de equilibrio, Elimina los problemas de coplanaridad, Solo sirve en terminales de ala de gaviota.

Proceso de soldadura: Eliminación de óxidos (flux), formación de compuesto intermetálico (Sn-Cu), Enfriamiento (tamaño del grano), Materiales (Sn, Pb (antes de 2006), Ag, Sb, Bi.)

Materiales: Fluxes:

Funciones: (Reaccionar con el óxido, disolver sales resultantes, proteger superficie, distribuir calor, reducir tensión superficial.)

Tipos: (Resinas (R, RMA, RA, RSA), solubles en agua (WS), bajo contenido en sólido (ls), Sintéticos (SA))

Fallos en soldaduras

  • Soldabilidad: (No mojado: óxido en la superficie; Desmojado: Disolución del metal del terminal (leaching), vaciamiento de Sn de la aleación de la soldadura) Soluciones: Flux Adecuado, Acortar tiempo de soldadura.
  • Soldaduras abiertas: (Ola: salida de gases de reacción, efecto sombra) Soluciones: Buen diseño de pad de soldadura, Ola turbulenta.
  • Refusión: (efecto lápida, efecto mecha, falta de coplanaridad) Soluciones: Calentamiento homogéneo, ajuste máquina de pick and place.
  • Puentes entre terminales:
    • Ola: condiciones incorrectas de ola. Soluciones: Soplado con aire caliente, ajuste parámetros máquina de ola.
    • Ola: rebote de gota, Solución: pads de soldadura con “ladrón de estaño”.
    • Refusión: efecto mecha, mal alineamiento (de componente de pasta de soldar), mala definición de la pasta de soldar.
  • Otros: bolas de soldadura, fallos en BGAs. No inmediatos: esfuerzos mecánicos (rotura soldadura, rotura componente, soldaduras “frías”, migración de metales). Fatigas por ciclos térmicos.

Pruebas

Objetivo: comprobar que todos los circuitos cumplen especificaciones.

Tres tipos (consecutivas):

  1. Inspección Óptica.
  2. In-circuit (eléctrica: Garantizar el correcto funcionamiento de los componentes en el circuito, encontrar “Fallos de Fabricación” (MD)).
  3. Funcional (eléctrica: Comprobar que el circuito funciona correctamente).

Defectos típicos: (soldadura abierta, componente deteriorado, falta componente, puente de soldadura, componente mal alineado/poco Sn, Componente incorrecto, componente mal orientado, bolas de soldadura)

Pruebas In-Circuit (IC)

Puntas móviles, Cama de pinchos => 1 pincho por nodo eléctrico, 2 caras, Accesibilidad cara inferior).

  • Analógicas: (sin alimentación, buscar cortos, componentes pasivos, componentes activos (diodos, TRT, C. integrados).
  • Digitales: Funcionamiento CI en el cto, con alimentación, librería de ctos, backdriving (corta duración, limitaciones en el diseño).
  • Medida de C.I. complejos sin contacto (Terminal abierto: todo el chip está a tierra => no hay señal en el detector. Conexión correcta: Señal ac detectada (a través de capacidad parásita)).

Equipos:

  • I.C. tester: (Analógico y digital, Programación compleja, Coste alto).
  • Analizador de defectos de fabricación (MDA): (Analógico de bajo nivel, Programación simple, Coste bajo).

Boundary scan: Se incluyen elementos específicos en el chip que establecen/miden estado en cada terminal: Registros: Boundary scan, Controlador (TAP), Registros: instrucciones, bypass, …, Son necesarios 4 nuevos terminales.

Pruebas Funcionales

  • Buscar fallos de funcionamiento (Conexionado correcto, Componentes correctos => Fallos complejos).
  • PCB en condiciones nominales (Alimentación, Señales E/S por conectores).
  • Equipos (Functional tester, System test bed).

Diseño enfocado a pruebas

  • Nivel básico: conjunto de reglas (Puntos de prueba, Puntos de control, Dividir en bloques).
  • Pruebas estructuradas: (Diseño del protocolo de pruebas, Vectores de prueba, Salidas esperadas).
  • BIST: Se incluye el tester en el circuito.