stringtranslate.com

Tecnología de montaje superficial

Componentes de montaje en superficie en la placa de circuito de una unidad flash USB . Los pequeños chips rectangulares con números son resistencias, mientras que los pequeños chips rectangulares sin marcar son condensadores. Los condensadores y resistencias que se muestran en la imagen son tamaños de paquete 0603 (1608 métrico), junto con una perla de ferrita de 0805 (2012 métrico) ligeramente más grande .
Condensador de montaje en superficie
Un transistor MOSFET , colocado en un sello postal británico para comparar tamaños.

La tecnología de montaje superficial ( SMT ), originalmente llamada montaje plano , [1] es un método en el que los componentes eléctricos se montan directamente sobre la superficie de una placa de circuito impreso (PCB). [2] Un componente eléctrico montado de esta manera se denomina dispositivo de montaje superficial ( SMD ). En la industria, este enfoque ha reemplazado en gran medida el método de construcción con tecnología de orificios pasantes para ajustar componentes, en gran parte porque SMT permite una mayor automatización de la fabricación, lo que reduce los costos y mejora la calidad. [3] También permite que quepan más componentes en un área determinada del sustrato. Ambas tecnologías se pueden utilizar en la misma placa; la tecnología de orificio pasante se utiliza a menudo para componentes no aptos para montaje en superficie, como transformadores grandes y semiconductores de potencia disipados por calor.

Un componente SMT suele ser más pequeño que su homólogo de orificio pasante porque tiene conductores más pequeños o no tiene ningún conductor. Puede tener clavijas cortas o cables de varios estilos, contactos planos, una matriz de bolas de soldadura ( BGA ) o terminaciones en el cuerpo del componente.

Historia

La tecnología de montaje en superficie se desarrolló en la década de 1960. En 1986, los componentes montados en superficie representaban como máximo el 10% del mercado, pero estaban ganando popularidad rápidamente. [4] A finales de la década de 1990, la gran mayoría de los conjuntos de circuitos impresos electrónicos de alta tecnología estaban dominados por dispositivos de montaje en superficie. Gran parte del trabajo pionero en esta tecnología fue realizado por IBM . El enfoque de diseño demostrado por primera vez por IBM en 1960 en una computadora a pequeña escala se aplicó más tarde en la computadora digital del vehículo de lanzamiento utilizada en la unidad de instrumentos que guió a todos los vehículos Saturn IB y Saturn V. [5] Los componentes se rediseñaron mecánicamente para que tuvieran pequeñas pestañas metálicas o tapas finales que pudieran soldarse directamente a la superficie de la PCB. Los componentes se volvieron mucho más pequeños y la colocación de componentes en ambos lados de una placa se volvió mucho más común con el montaje en superficie que con el montaje a través de orificios, lo que permitió densidades de circuitos mucho mayores y placas de circuitos más pequeñas y, a su vez, máquinas o subconjuntos que contienen las placas.

A menudo, la tensión superficial de la soldadura es suficiente para sujetar las piezas al tablero; En casos excepcionales, las piezas en la parte inferior o "segundo" lado del tablero se pueden asegurar con un punto de adhesivo para evitar que los componentes caigan dentro de los hornos de reflujo si la pieza está por encima del límite de 30 g por pulgada cuadrada de área de almohadilla. [6] A veces se utiliza adhesivo para sujetar componentes SMT en la parte inferior de una placa si se utiliza un proceso de soldadura por ola para soldar componentes SMT y de orificio pasante simultáneamente. Alternativamente, los componentes SMT y de orificio pasante se pueden soldar en el mismo lado de una placa sin adhesivo si las piezas SMT primero se sueldan por reflujo, luego se usa una máscara de soldadura selectiva para evitar que la soldadura que mantiene esas piezas en su lugar refluya y el piezas flotando durante la soldadura por ola. El montaje en superficie se presta bien a un alto grado de automatización, lo que reduce los costos de mano de obra y aumenta considerablemente las tasas de producción.

Por el contrario, SMT no se presta bien a la fabricación manual o de baja automatización, que es más económica y rápida para la creación de prototipos únicos y la producción a pequeña escala, y esta es una de las razones por las que todavía se fabrican muchos componentes de orificio pasante. Algunos SMD se pueden soldar con un soldador manual con temperatura controlada, pero desafortunadamente, aquellos que son muy pequeños o tienen un paso de plomo demasiado fino son imposibles de soldar manualmente sin un costoso equipo de reflujo de soldadura de aire caliente [ dudoso ] . Los SMD pueden tener entre un cuarto y una décima parte del tamaño y el peso, y entre la mitad y un cuarto del costo de las piezas de orificio pasante equivalentes, pero, por otro lado, los costos de una determinada pieza SMT y de una pieza pasante equivalente La pieza de orificio puede ser bastante similar, aunque rara vez la pieza SMT es más cara.

Abreviaturas comunes

Diferentes términos describen los componentes, la técnica y las máquinas utilizadas en la fabricación. Estos términos se enumeran en la siguiente tabla: [3]

Técnicas de montaje

Línea de montaje con máquinas pick-and-place
Línea de montaje de PCB: máquina de recogida y colocación seguida de un horno de soldadura SMT

Donde se van a colocar los componentes, la placa de circuito impreso normalmente tiene almohadillas planas, generalmente de cobre chapadas en estaño , plomo, plata u oro , sin agujeros, llamadas almohadillas de soldadura . Primero se aplica pasta de soldadura , una mezcla pegajosa de fundente y pequeñas partículas de soldadura, a todas las almohadillas de soldadura con una plantilla de acero inoxidable o níquel mediante un proceso de serigrafía . También se puede aplicar mediante un mecanismo de impresión por chorro, similar a una impresora de inyección de tinta . Después del pegado, los tableros pasan a las máquinas pick-and-place , donde se colocan sobre una cinta transportadora. Los componentes que se colocarán en los tableros generalmente se entregan a la línea de producción en cintas de papel/plástico enrolladas en carretes o en tubos de plástico. Algunos circuitos integrados de gran tamaño se entregan en bandejas libres de estática. Las máquinas pick-and-place de control numérico retiran las piezas de las cintas, tubos o bandejas y las colocan en la PCB. [7]

Luego, las placas se transportan al horno de soldadura por reflujo . Primero ingresan a una zona de precalentamiento, donde la temperatura de la placa y de todos los componentes se eleva de manera gradual y uniforme para evitar un choque térmico. Luego, las placas ingresan a una zona donde la temperatura es lo suficientemente alta como para derretir las partículas de soldadura en la pasta de soldadura, uniendo los cables del componente a las almohadillas en la placa de circuito. La tensión superficial de la soldadura fundida ayuda a mantener los componentes en su lugar y, si las geometrías de las almohadillas de soldadura están diseñadas correctamente, la tensión superficial alinea automáticamente los componentes en sus almohadillas.

Existen varias técnicas para la soldadura por reflujo. Una es utilizar lámparas de infrarrojos ; esto se llama reflujo infrarrojo. Otra es utilizar una convección de gas caliente . Otra tecnología que está volviendo a ser popular son los líquidos especiales de fluorocarbono con altos puntos de ebullición que utilizan un método llamado reflujo en fase de vapor. Debido a preocupaciones medioambientales, este método fue perdiendo popularidad hasta que se introdujo una legislación sin plomo que exige controles más estrictos sobre la soldadura. A finales de 2008, la soldadura por convección era la tecnología de reflujo más popular que utilizaba aire estándar o gas nitrógeno. Cada método tiene sus ventajas y desventajas. Con el reflujo infrarrojo, el diseñador de la placa debe colocar la placa de modo que los componentes cortos no caigan en las sombras de los componentes altos. La ubicación de los componentes está menos restringida si el diseñador sabe que en la producción se utilizará soldadura por reflujo en fase de vapor o por convección. Después de la soldadura por reflujo, ciertos componentes irregulares o sensibles al calor se pueden instalar y soldar a mano, o en automatización a gran escala, mediante haz infrarrojo enfocado (FIB) o equipo de convección localizada.

Si la placa de circuito es de doble cara, este proceso de impresión, colocación y reflujo se puede repetir usando pasta de soldadura o pegamento para mantener los componentes en su lugar. Si se utiliza un proceso de soldadura por ola , las piezas deben pegarse a la placa antes del procesamiento para evitar que floten cuando se derrita la pasta de soldadura que las mantiene en su lugar.

Después de soldar, las placas se pueden lavar para eliminar los residuos de fundente y cualquier bola de soldadura perdida que pueda provocar un cortocircuito en los cables de los componentes estrechamente espaciados. El fundente de colofonia se elimina con disolventes de fluorocarbono, disolventes de hidrocarburos de alto punto de inflamación o disolventes de baja inflamación, por ejemplo, limoneno (derivado de la cáscara de naranja), que requieren ciclos adicionales de enjuague o secado. Los fundentes solubles en agua se eliminan con agua desionizada y detergente, seguido de un chorro de aire para eliminar rápidamente el agua residual. Sin embargo, la mayoría de los ensamblajes electrónicos se fabrican mediante un proceso "sin limpieza" en el que los residuos del fundente están diseñados para quedar en la placa de circuito, ya que se consideran inofensivos. Esto ahorra el costo de limpieza, acelera el proceso de fabricación y reduce el desperdicio. Sin embargo, generalmente se sugiere lavar el conjunto, incluso cuando se utiliza un proceso "No-Clean", cuando la aplicación utiliza señales de reloj de muy alta frecuencia (superiores a 1 GHz). Otra razón para eliminar los residuos que no se limpian es mejorar la adhesión de los revestimientos conformados y los materiales de relleno. [8] Independientemente de limpiar o no esos PCB, la tendencia actual de la industria sugiere revisar cuidadosamente un proceso de ensamblaje de PCB donde se aplica "No-Clean", ya que los residuos de fundente atrapados debajo de los componentes y los escudos de RF pueden afectar la resistencia de aislamiento de la superficie (SIR), especialmente en tableros de alta densidad de componentes. [9]

Ciertos estándares de fabricación, como los escritos por IPC (Asociación de Industrias Electrónicas de Conexión) requieren limpieza independientemente del tipo de fundente de soldadura utilizado para garantizar una placa completamente limpia. Una limpieza adecuada elimina todos los rastros de fundente de soldadura, así como la suciedad y otros contaminantes que pueden ser invisibles a simple vista. No-Clean u otros procesos de soldadura pueden dejar "residuos blancos" que, según el IPC, son aceptables "siempre que estos residuos hayan sido calificados y documentados como benignos". [10] Sin embargo, si bien se espera que los talleres que cumplen con el estándar IPC cumplan con las reglas de la Asociación sobre condiciones a bordo, no todas las instalaciones de fabricación aplican el estándar IPC, ni están obligados a hacerlo. Además, en algunas aplicaciones, como la electrónica de gama baja, estos métodos de fabricación estrictos son excesivos tanto en términos de gasto como de tiempo requerido.

Finalmente, las placas se inspeccionan visualmente para detectar componentes faltantes o desalineados y puentes de soldadura. [11] [12] Si es necesario, se envían a una estación de retrabajo donde un operador humano repara cualquier error. Luego, generalmente se envían a las estaciones de prueba ( pruebas en circuito y/o pruebas funcionales) para verificar que funcionan correctamente.

Los sistemas de inspección óptica automatizada (AOI) se utilizan comúnmente en la fabricación de PCB. Esta tecnología ha demostrado ser altamente eficiente para mejoras de procesos y logros de calidad. [13]

Ventajas

Resistencias SMD en embalaje original: este embalaje permite su uso en una máquina de montaje

Las principales ventajas de SMT sobre la antigua técnica de orificio pasante son: [14] [15]

Desventajas

Rehacer

Extracción del dispositivo de montaje en superficie con pinzas para soldar

Los componentes defectuosos de montaje en superficie se pueden reparar utilizando soldadores (para algunas conexiones) o utilizando un sistema de retrabajo sin contacto. En la mayoría de los casos, un sistema de retrabajo es la mejor opción porque el trabajo SMD con un soldador requiere una habilidad considerable y no siempre es factible.

La reelaboración suele corregir algún tipo de error, ya sea generado por humanos o por máquinas, e incluye los siguientes pasos:

A veces es necesario reparar cientos o miles de la misma pieza. Estos errores, si se deben al montaje, suelen detectarse durante el proceso. Sin embargo, surge un nivel completamente nuevo de retrabajo cuando la falla de un componente se descubre demasiado tarde, y quizás pasa desapercibida hasta que el usuario final del dispositivo que se está fabricando la experimenta. El retrabajo también se puede utilizar si productos de valor suficiente para justificarlo requieren revisión o reingeniería, tal vez para cambiar un solo componente basado en firmware. Reelaborar en gran volumen requiere una operación diseñada para tal fin.

Básicamente, existen dos métodos de soldadura/desoldadura sin contacto: soldadura por infrarrojos y soldadura con gas caliente. [21]

Infrarrojo

En la soldadura por infrarrojos, la energía para calentar la unión soldada se transmite mediante radiación electromagnética infrarroja de onda larga, media o corta.

Ventajas:

Desventajas:

gas caliente

Durante la soldadura con gas caliente, la energía para calentar la unión soldada se transmite a través de un gas caliente. Puede ser aire o gas inerte ( nitrógeno ).

Ventajas:

Desventajas:

Tecnología híbrida

Los sistemas de retrabajo híbridos combinan radiación infrarroja de onda media con aire caliente

Ventajas:

Desventajas

Paquetes

Se incluyen ejemplos de tamaños de componentes, códigos métricos e imperiales para paquetes de dos terminales y comparación

Los componentes de montaje en superficie suelen ser más pequeños que sus homólogos con cables y están diseñados para ser manipulados por máquinas en lugar de humanos. La industria electrónica ha estandarizado formas y tamaños de paquetes (el principal organismo de estandarización es JEDEC ).

Identificación

Resistencias
Para una precisión del 5%, las resistencias SMD generalmente se marcan con sus valores de resistencia utilizando tres dígitos: dos dígitos significativos y un dígito multiplicador. Suelen ser letras blancas sobre fondo negro, pero se pueden utilizar fondos y letras de otros colores. Para resistencias SMD de precisión del 1%, se utiliza el código, ya que de lo contrario tres dígitos no transmitirían suficiente información. Este código consta de dos dígitos y una letra: los dígitos indican la posición del valor en la Serie de valores E96 , mientras que la letra indica el multiplicador. [22]
Condensadores
Los condensadores no electrolíticos generalmente no están marcados y el único método confiable para determinar su valor es retirarlos del circuito y medirlos posteriormente con un medidor de capacitancia o un puente de impedancia. Los materiales utilizados para fabricar los condensadores, como el tantalato de níquel, poseen diferentes colores y estos pueden dar una idea aproximada de la capacitancia del componente. [ cita necesaria ] Generalmente, el tamaño físico es proporcional a la capacitancia y el voltaje (al cuadrado) para el mismo dieléctrico. Por ejemplo, un condensador de 100 nF y 50 V puede venir en el mismo paquete que un dispositivo de 10 nF y 150 V. Los condensadores SMD (no electrolíticos), que suelen ser condensadores cerámicos monolíticos, presentan el mismo color de cuerpo en las cuatro caras no cubiertas por las tapas de los extremos. Los condensadores electrolíticos SMD, normalmente condensadores de tantalio, y los condensadores de película están marcados como resistencias, con dos cifras significativas y un multiplicador en unidades de picofaradios o pF (10 −12 faradios).
Inductores
Las inductancias más pequeñas con corrientes nominales moderadamente altas suelen ser del tipo de perlas de ferrita. Son simplemente un conductor de metal enrollado a través de una perla de ferrita y casi iguales a sus versiones de orificio pasante, pero poseen tapas de extremo SMD en lugar de cables. Parecen de color gris oscuro y son magnéticos, a diferencia de los condensadores con una apariencia gris oscuro similar. Estos tipos de perlas de ferrita están limitados a valores pequeños en el rango de nanohenrios (nH) y a menudo se utilizan como desacopladores de rieles de suministro de energía o en partes de alta frecuencia de un circuito. Por supuesto, los inductores y transformadores más grandes pueden montarse mediante orificios pasantes en la misma placa. Los inductores SMT con valores de inductancia más altos a menudo tienen vueltas de cable o correa plana alrededor del cuerpo o incrustadas en epoxi transparente, lo que permite ver el cable o la correa. A veces también está presente un núcleo de ferrita . Estos tipos de inductancia más alta a menudo se limitan a corrientes nominales pequeñas, aunque algunos de los tipos de correa plana pueden manejar unos pocos amperios. Al igual que con los capacitores, los valores de los componentes y los identificadores de inductores más pequeños generalmente no están marcados en el componente mismo; Si no están documentados o impresos en la PCB, la medición, generalmente extraída del circuito, es la única forma de determinarlos. Los inductores más grandes, especialmente los de alambre bobinado en espacios más grandes, generalmente tienen el valor impreso en la parte superior. Por ejemplo, "330", que equivale a un valor de 33 μH . 
Semiconductores discretos
Los semiconductores discretos, como diodos y transistores, suelen estar marcados con un código de dos o tres símbolos. El mismo código marcado en diferentes paquetes o en dispositivos de diferentes fabricantes puede traducirse a diferentes dispositivos. Muchos de estos códigos, utilizados porque los dispositivos son demasiado pequeños para ser marcados con números más tradicionales utilizados en paquetes más grandes, se correlacionan con números de piezas tradicionales más familiares cuando se consulta una lista de correlación. GM4PMK en el Reino Unido ha preparado una lista de correlaciones y también está disponible una lista similar en formato .pdf, aunque estas listas no están completas.
Circuitos integrados
Generalmente, los paquetes de circuitos integrados son lo suficientemente grandes como para llevar impreso el número de pieza completo, que incluye el prefijo específico del fabricante, o un segmento importante del número de pieza y el nombre o logotipo del fabricante .

Ver también

Referencias

  1. ^ Williams, Paul, ed. (1999). Estado de las actividades y plan de acción de la industria tecnológica (PDF) . Tecnología de montaje superficial. Consejo de montaje en superficie. Archivado (PDF) desde el original el 28 de diciembre de 2015.
  2. ^ "Tecnología de montaje en superficie: descripción general | Temas de ScienceDirect". www.sciencedirect.com . Consultado el 30 de septiembre de 2022 .
  3. ^ Ab Staff, Computadora de historia (19 de mayo de 2022). "Tecnología de montaje en superficie (SMT): significado, definición y ejemplos". Historia-Computadora . Consultado el 30 de septiembre de 2022 .
  4. ^ Garner, R.; Taylor, D. (1 de mayo de 1986). "Embalaje de montaje en superficie". Revista de Microelectrónica . 17 (3): 5-13. doi :10.1016/S0026-2692(86)80170-7. ISSN  0026-2692 . Consultado el 19 de enero de 2021 .
  5. ^ Schneeweis, Scott. Artefacto: Placas de circuitos y memoria de computadora digital, LVDC, guía, navegación y control de Saturn IB/V. Adicto al espacio. Archivado desde el original el 28 de diciembre de 2015 . Consultado el 28 de diciembre de 2015 . {{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda )
  6. ^ "Reflujo de montaje de doble cara". PROCESO DE MONTAJE EN SUPERFICIE . Consultado el 16 de septiembre de 2020 .
  7. ^ Jena, Hanings (4 de enero de 2016). "Ensamblaje de PCB: descripción". www.ourpcb.com . Consultado el 7 de febrero de 2018 .
  8. ^ "¿Por qué limpiar sin limpiar?". Revista Asamblea . Consultado el 3 de octubre de 2017 .
  9. ^ "No-clean es un proceso, no un producto". www.ipc.org . Consultado el 3 de octubre de 2017 .
  10. ^ IPC-A-610E, párrafo 10.6.3.
  11. ^ Ayodele, Abiola. "Fabricación SMT: todo lo que necesita saber". Wevolver . Consultado el 30 de septiembre de 2022 .
  12. ^ "Fabricante de PCB con fabricación de placas de circuito HDI para PCB y PCBA". www.hemeixinpcb.com . Consultado el 30 de septiembre de 2022 .
  13. ^ Vitoriano, Pedro (junio de 2016). "Reconstrucción de juntas de soldadura 3D en SMD basada en imágenes 2D". Revista SMT . págs. 82–93.
  14. ^ Das, Santosh (1 de octubre de 2019). "Ventajas y desventajas de la tecnología de montaje en superficie". Tutorial de electrónica | El mejor sitio web de tutoriales de electrónica . Consultado el 30 de septiembre de 2022 .
  15. ^ Equipo, VSE | Ingeniería (07-05-2020). "Ventajas y desventajas de la tecnología de montaje superficial para el ensamblaje de PCB". VSE . Consultado el 30 de septiembre de 2022 .
  16. ^ Montrose, Mark I. (1999). "Componentes y EMC". EMC y la placa de circuito impreso: diseño, teoría y distribución simplificados . Wiley-Interscience . pag. 64.ISBN _ 978-0780347038.
  17. ^ Judd, Mike; Brindley, Keith (1999). "Procesos de soldadura CS". Soldadura en ensamblaje de electrónica (2 ed.). Newnes . pag. 128.ISBN _ 978-0750635455.
  18. ^ Williams, Jim (1991). Técnicas de amplificador de alta velocidad: un compañero de diseño para circuitos de banda ancha (PDF) . Tecnología lineal . págs. 26–29, 98–121. Archivado (PDF) desde el original el 28 de diciembre de 2015 . Consultado el 28 de diciembre de 2015 . {{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda )
  19. ^ Dr. Lee, Ning-Cheng; Hance, Wanda B. (1993). "Mecanismos de anulación en SMT". Documento técnico de Indium Corporation . Consultado el 28 de diciembre de 2015 .
  20. ^ DerMarderosian, Aaron; Gionet, Vicente (1983). "Los efectos de las burbujas atrapadas en la soldadura utilizada para la fijación de portadores de chips cerámicos sin plomo". Simposio de física de confiabilidad : 235–241. doi :10.1109/IRPS.1983.361989. ISSN  0735-0791. S2CID  11459596.
  21. ^ "Dos métodos de calentamiento de reprocesamiento habituales: ¿cuál es mejor?". smt.iconnect007.com . Consultado el 27 de julio de 2018 .
  22. ^ "Código SMD de resistencia". Guía de resistencias. Archivado desde el original el 28 de diciembre de 2015 . Consultado el 28 de diciembre de 2015 .