La colocación de componentes es un proceso de fabricación de productos electrónicos que coloca componentes eléctricos con precisión en placas de circuito impreso (PCB) para crear interconexiones eléctricas entre los componentes funcionales y los circuitos de interconexión en las PCB (almohadillas-cables). Los cables de los componentes deben sumergirse con precisión en la pasta de soldadura previamente depositada en las almohadillas de la PCB. El siguiente paso después de la colocación de los componentes es soldar .
La secuencia de colocación básica generalmente incluye: indexación de la placa, registro de la placa, alineación visual fiduciaria, recogida de componentes, centrado de componentes/inspección visual, colocación de componentes e indexación de la placa. [1] La recogida de componentes, el centrado de componentes/inspección visual y la colocación de componentes se repiten para cada componente. A veces, la secuencia también incluye la dispensación de adhesivo y la verificación eléctrica en línea.
A través del proceso de indexación de la placa, la PWB impresa con plantilla se carga en la posición adecuada. Las marcas fiduciales, también conocidas como marcadores fiduciales , proporcionan puntos mensurables comunes para todos los pasos del proceso de ensamblaje. Hay muchos tipos de fiduciales. Los fiduciales globales se utilizan para localizar la posición de todas las funciones en una placa de circuito impreso individual. Cuando se procesan varias placas como un panel, los fiduciales globales también pueden denominarse fiduciales de panel si se usan para ubicar los circuitos desde la referencia del panel. Los fiduciales locales se utilizan para localizar la posición de un patrón de terreno individual o componente que puede requerir una ubicación más precisa, como un QFP de paso de 0,02 pulgadas (0,51 mm). [1]
La placa se ubica mediante fiduciales globales identificados en el PWB. Luego, los alimentadores recogen y centran los componentes a una distancia conocida del componente. Una mayor precisión de colocación requiere la ayuda de fiduciales locales visualizados mediante sensores ópticos o láser. El cabezal de recogida por vacío retira los componentes de los alimentadores. Al final, el componente se coloca en la ubicación correcta X, Y y theta con todos los cables en las almohadillas correctas en contacto con la pasta de soldadura. Los PWB con todos los componentes colocados correctamente pasarán al proceso de reflujo.
Hay tres atributos principales que se deben considerar en el sistema de colocación de componentes: precisión, velocidad y flexibilidad. La precisión implica los aspectos de resolución, precisión de colocación y repetibilidad. La velocidad involucra los aspectos de la tasa de colocación del equipo, la estrategia de reducción de potencia y el rendimiento de la producción. La tasa de colocación está determinada por el tipo de máquina y la distancia entre los componentes de una placa. La flexibilidad involucra aspectos de variedad de componentes, número de alimentadores y rango de tamaño de PCB. [1]
Una máquina de recogida y colocación es una máquina de estilo robótico que coloca una variedad de tipos de componentes. Incluye características tales como: ubicaciones del alimentador de recogida de componentes, recogida por vacío, sistema de visión, realineación automática de componentes, precisión de colocación repetible y sistema de transporte para PCB.
La máquina de recogida y colocación es a menudo la pieza más importante del equipo de fabricación para colocar componentes de manera confiable y precisa para cumplir con los requisitos de rendimiento de manera rentable. Por lo general, los equipos de recogida y colocación de montaje en superficie, incluido un complemento completo de alimentadores, constituyen aproximadamente el 50 % de la inversión de capital total requerida para una línea de fabricación de montaje en superficie de volumen medio. [1]
Hay dos tipos principales de máquinas de recogida y colocación:
Los disparadores de chips se utilizan hasta en el 90% de los componentes más comunes, como pasivos y activos pequeños. Los disparadores de chips son rápidos (de 20.000 a 80.000 por hora, pueden llegar a 100.000 por hora) con una precisión relativamente baja (generalmente 70 μm ). [1] Como resultado, los disparadores de virutas no se utilizan para colocar componentes activos, que requieren una mayor precisión. Hay tres tipos principales de tiradores de virutas: torreta estacionaria, nobleza aérea y cabeza de revólver.
En comparación con los disparadores de virutas, los colocadores flexibles son lentos (de 6.000 a 40.000 por hora) con una alta precisión (tan baja como 25 μm). [1] Como resultado, se están utilizando colocadores flexibles para colocar componentes complejos y de alta actividad de E/S, como QFP, ya que los componentes de E/S de mayor rendimiento generalmente requieren una mayor precisión. Hay tres tipos principales de colocadores flexibles: pórtico elevado, cabezal de revólver y eje dividido. Los disparadores de virutas y los colocadores flexibles generalmente se combinan para su uso y pueden representar casi el 65% del costo total de la línea de ensamblaje.
El cabezal de colocación del sistema de posicionamiento estilo pórtico aéreo está montado en una viga del pórtico (eje X). Durante la secuencia, el haz se mueve perpendicular a la dirección del movimiento del cabezal colocador, lo que ofrece dos grados de libertad (alineación X e Y) en un plano paralelo a la mesa de la máquina. La PCB y los alimentadores se mantienen estacionarios durante la colocación. El PCB se ubica sobre la mesa identificando fiduciales globales y locales a través de un sistema de visión. Este cabezal de colocación se mueve a lo largo de las vigas del eje para recoger componentes de un alimentador y luego se mueve a su posición para colocar los componentes. Una boquilla de vacío en el cabezal de colocación se mueve hacia arriba y hacia abajo verticalmente para proporcionar el eje Z y gira en el plano horizontal para proporcionar una alineación theta angular. A veces también se aplica un sistema de visión secundaria para comprobar la corrección y alineación de los componentes después de la recogida y antes de la colocación. Como la PCB y los alimentadores permanecen estacionarios en la secuencia de colocación, se eliminan las fuentes adicionales de inexactitud posicional. La máquina estilo pórtico aéreo tiene la mejor precisión de colocación entre todos los tipos y es utilizada exclusivamente por colocadores flexibles. Ofrece mayor flexibilidad y precisión, pero no puede igualar las velocidades de otros estilos. Las máquinas con múltiples pórticos pueden alcanzar velocidades más rápidas.
El sistema de torreta estacionaria tiene una velocidad relativamente mayor debido a una serie de cabezales idénticos que giran en una sola torreta. El alimentador se mueve en la dirección X hasta una ubicación de recogida fija. Hasta 36 boquillas de vacío alrededor del perímetro de la torreta giratoria proporcionan alineación Z y theta. La torreta gira varios cabezales entre las ubicaciones de recogida y colocación. La PCB se mueve en las direcciones X e Y debajo de los cabezales giratorios, deteniéndose debajo de la ubicación de colocación correcta. En comparación con un cabezal de pórtico, los movimientos simultáneos de los alimentadores y las PCB mejoran en gran medida la tasa de colocación promedio. Debido a que los componentes pasivos no exigen una gran precisión de colocación, se aplica exclusivamente en disparadores de virutas. El sistema de torreta estacionaria tiene la limitación de requerir una gran superficie para el banco de alimentación móvil (huella = 2*longitud total del alimentador). La posibilidad de que se desplacen componentes debido al mecanismo del tablero móvil es otra limitación. [2]
Este sistema combina la ventaja de velocidad de la torreta estacionaria y la ventaja de huella del pórtico elevado. Fue utilizado por primera vez por Siemens. [1] La torreta estacionaria con múltiples cabezales de recolección realiza funciones simultáneas mientras mueve los componentes desde las ubicaciones de recolección hasta las de colocación. Se montan varios revólveres en pórticos independientes para recoger varias piezas de alimentadores estacionarios antes de pasar a la PWB. La torreta móvil y las múltiples torretas ofrecen una mayor velocidad de colocación y hacen que la cabeza del revólver se pueda utilizar tanto en lanzadores de virutas como en colocadores flexibles. Pero utilizarlo en colocadores flexibles tuvo en realidad un éxito limitado. [3]
En un sistema de eje dividido, el cabezal de colocación se mueve en las direcciones X, theta y Z, mientras que el PWB se mueve en la dirección Y. Como se trata de dos componentes móviles, la máquina de eje dividido es un poco más difícil de lograr una alta precisión en comparación con la máquina de pórtico elevado. Pero mejora mucho la velocidad de colocación.
Las boquillas de vacío se utilizan comúnmente para manipular todos los componentes durante las operaciones de colocación. Existe una variedad de tamaños de boquillas de vacío para diferentes tamaños de componentes. Para manipular componentes pequeños, a menudo se suministra presión positiva además del vacío en el momento de la colocación para que el componente se libere completamente de la boquilla.
Además de las boquillas de vacío, podrían ser necesarias pinzas mecánicas para manipular algunas piezas con formas irregulares. Las pinzas mecánicas autocentrantes permiten la recogida y el centrado automático simultáneos sin necesidad de vacío. Un par de pinzas tipo pinzas sujetarían la pieza centrándola a lo largo de un eje. Sin embargo, existen algunas desventajas con las pinzas mecánicas autocentrantes: es posible que los bordes de la pinza tengan contacto con epoxi o pasta de soldadura. Además, se requiere espacio adicional entre los componentes para acomodar las pinzas.
Los alimentadores se utilizan para alimentar componentes al mecanismo de recogida móvil de las máquinas colocadoras. Los alimentadores mueven componentes individuales a una ubicación fija y también ayudan al cabezal de recogida a retirar los componentes de su embalaje. A medida que la flexibilidad y la tasa de colocación de los sistemas han aumentado, también lo han hecho las demandas impuestas a los sistemas de alimentación de componentes. Una gran mezcla de productos y, en consecuencia, tamaños de lote pequeños, provocan cambios frecuentes de alimentador. Se requiere un cambio rápido de alimentador para minimizar el tiempo de inactividad de la máquina, por lo que los alimentadores deben diseñarse para un reemplazo rápido. Éstos son algunos de los tipos comunes de comederos.
El alimentador de cinta y carrete es el diseño de alimentador más utilizado. Los alimentadores de cinta sobre carrete se cargan con un carrete, que se coloca en una recepción de carrete. El carro despegable tira de la cinta del carrete hacia adelante hasta que el siguiente componente esté en la posición de recogida. Cuando el sensor indica que el componente está en la posición de recogida, un soporte se mueve hacia abajo y bloquea la cinta. Los alimentadores de cinta son los más adecuados para colocar grandes cantidades de componentes pequeños idénticos. Los alimentadores de cinta vienen en una variedad de tamaños y se pueden usar para circuitos integrados de contorno pequeño (SOIC) y portadores de chips con terminales de plástico (PLCC). La principal desventaja del formato de cinta es la imposibilidad de reciclar las cintas vacías. Especialmente en el caso de dispositivos con chip pequeño, el material de desecho de la cinta pesa varias veces más que los componentes empaquetados. Además, existe un coste adicional por colocar componentes pequeños y económicos en la cinta.
Los alimentadores de barras están diseñados para componentes empaquetados en barras lineales (pequeños circuitos integrados emitidos en volúmenes reducidos). Los componentes se mueven al lugar de recogida por gravedad o vibración. Alimenta cualquier SOP, SOT y PLCC ordinarios que estén envasados en forma de barra. Debido a las diversas posibilidades de ajustar el tamaño del carril, el alimentador se puede adaptar fácilmente a muchos tipos diferentes de componentes. [4]
Los alimentadores de bandejas matriciales se utilizan para componentes grandes, delicados o costosos. Se desarrollaron a partir de la necesidad de manipular paquetes planos cuádruples y componentes de paso fino. Estos sujetan los componentes de forma segura sin dañar los frágiles cables. Se mueve una bandeja completa de componentes con perfil de matriz para llevar filas o componentes individuales al lugar de recogida. Este proceso suele ser más lento en comparación con los alimentadores de cinta, ya que los componentes alimentados en bandejas de matriz a menudo requieren un mayor nivel de precisión de colocación.
Los alimentadores a granel pueden manejar componentes estilo chip que se utilizan en grandes cantidades. Un alimentador a granel generalmente dispensa componentes, que se almacenan en una caja a granel, utilizando un mecanismo de posicionamiento giratorio único para posicionar y orientar los componentes y alimentarlos a la posición de recogida mediante una correa de acero inoxidable. Son más baratos en comparación con los alimentadores de cinta, ya que no tienen embalaje de cinta, pero tradicionalmente el rendimiento de los alimentadores a granel es problemático debido a la construcción y los desechos creados durante el proceso de alimentación.
Los alimentadores de matriz directa se utilizan principalmente para flip-chip o chip-on-board. El alimentador de matriz directa podría eliminar líneas de producción separadas y dedicadas para SMT, matriz desnuda y chip invertido combinándolas en una sola. También podría permitir soluciones de ensamblaje total con mucha mayor velocidad y flexibilidad, lo que resultaría en un menor costo por colocación. Además, podría eliminar procesos costosos como la transferencia intermedia del troquel a cinta con bolsillos, cinta de surf o paquetes de gofres antes de la colocación. [5]
La velocidad de colocación está influenciada por muchos factores en el proceso de colocación.
La velocidad de colocación se ve afectada por el tiempo de inactividad de la línea. Dado que los problemas de los alimentadores son la principal fuente de tiempo de inactividad, la reparación y el mantenimiento de los alimentadores son cruciales para las operaciones de colocación de componentes. Estas son las formas comunes de detectar problemas en el alimentador: [6]
Toda configuración en línea reduce la capacidad y los procedimientos de configuración inadecuados también podrían generar tiempo de inactividad adicional en la línea. No se podrán fabricar paneles si no se monta el sistema de colocación. Debido a la complejidad del proceso de configuración y cambio del alimentador, es importante que los operadores estén conscientes de la variedad de tipos de mecanismos del alimentador. Hay herramientas adicionales que podrían implementarse para ayudar en la configuración de la colocación, como carros alimentadores enrollables, métodos justo a tiempo ( JIT ) y alimentadores inteligentes.
En la práctica, no es posible obtener el rendimiento máximo teórico indicado para máquinas en un sistema de colocación. Es necesario reducir los números teóricos para obtener valores realistas, debido a tiempos de inactividad inesperados, tiempos de carga y descarga de placas y configuración de la máquina. Otros factores incluyen el tamaño de la PWB, la combinación de componentes y el requisito de un reconocimiento visual más complejo para componentes de paso fino. Existen muchas técnicas de reducción de potencia . La reducción global considera paradas, desaceleraciones y configuraciones en todo el sistema, así como factores de la máquina. Para calcular la cantidad de reducción de potencia global o del sistema, se debe tomar el promedio del número total de componentes colocados por hora en un período largo (es decir, un turno de producto completo). Se deben incluir paradas programadas periódicamente al determinar el nivel de reducción global que requiere el sistema. Una reducción rigurosa, que considera individualmente cada equipo en servicio para un producto en particular, debe realizarse por modelo de máquina específico para el balanceo de la línea. Se necesitan valores de reducción rigurosos para la optimización total del proceso.