PCBA: EL PROCESO DE MONTAJE O ENSAMBLADO DE PCBs

Terminología

Por regla general, se denomina PCB (Printed Circuit Board) a un soporte físico sobre el que se colocan componentes electrónicos y/o eléctricos y que se conectan entre sí a través de pistas impresas conductoras (generalmente de cobre) sobre dicho soporte. Habitualmente y desde el concepto de desarrollo de un producto electrónico se considera la PCB como un componente crítico más del propio diseño, denominándose como ‘PCB ensamblada’ o PCBA (Assembled PCB) a una PCB con sus componentes ya montados. El proceso de fabricación para el montaje o ensamblado de PCBs sí se conoce como PCBA (PCB Assembly, por sus siglas en inglés), siendo la tecnología SMT (Surface Mount Tecnology) la que se utiliza mayoritariamente hoy día para llevar a cabo este proceso, combinada con la THT cuando el producto lo así lo requiera.

PCB: Printed Circuit Board

Tarjeta de circuito impreso. Tarjeta, placa o PCB sin componentes

PCBA: PCB Assembly

Proceso de montaje de componentes sobre la PCB (independientemente de la tecnología de componentes a montar, SMD o TH)

SMT: Surface Mount Technology

Tecnología utilizada durante todo el proceso de montaje superficial SMA

SMD: Surface Mount Device

Dispositivo o componente para montaje superficial

SMA: Surface Mount Assembly

Montaje o ensamblado de tarjetas con componentes SMD

THT: Through-Hole Technology

Tecnología de agujero pasante

Notas básicas sobre PCBs

De forma extremadamente resumida y al margen de otros subprocesos implicados, el proceso PCBA siempre comienza con la PCB como base. Este elemento consiste en varias capas diferenciadas y alternadas, teniendo cada una de ellas un papel muy importante en la funcionalidad final de la PCBA, y que incluyen entre otros:

Sustrato

Es el material base de la PCB y que proporciona su rigidez. Son materiales con núcleo dieléctrico que disponen de escasa conductividad eléctrica. Habitualmente se denomina a esta capa simplemente como ‘dieléctrico’.

Cobre

Se añade una finísima capa de cobre a cada superficie funcional de la PCB (sobre una cara si se trata de una PCB de cara simple) o por las dos caras (cuando la PCB es de doble cara). Seguidamente y a partir de la documentación de diseño y de un laborioso proceso de fabricación sólo quedarán sobre estas caras las pistas, agujeros pasantes los y pads contenidos en la documentación técnica del producto (ficheros gerber)

Máscara de soldadura

Se dispone sobre lo anterior una máscara aislante para proteger la superficie de cobre que no será dedicada a la soldadura en el proceso de ensamblaje y para evitar posibles cortocircuitos de soldadura durante el proceso de ensamblaje. Esta máscara es la que proporciona el característico color verde de la PCB, aunque puede ser prácticamente de cualquier color. Esto resulta muy recomendable cuando se pretende diferenciar por color un prototipo de laboratorio de un prototipo de fábrica, de una preserie o una serie.

 

Serigrafía

Normalmente añade una capa final de serigrafía sobre la PCB. Esta capa incluirá etiquetas sobre la PCB en forma de caracteres, símbolos o códigos, lo que ayuda a la identificación de los componentes, su función, datos de fabricación, trazabilidad, etc

 

A excepción del sustrato, estos materiales son los que de forma habitual se encuentran en todas las PCBs. El sustrato de una PCB puede cambiar dependiendo de las especificaciones técnicas y cualidades del diseño tales como funcionalidad, coste y flexibilidad del mismo. En este sentido, los tres grandes grupos de tipos de PCB incluyen:

PCB Rígido

Es la más habitual para la mayoría de PCBAs. La solidez de la placa proporciona rigidez y grosor a la PCB. La escasa flexibilidad se debe a los diferentes materiales con que está realizada, siendo el más común la fibra de vidrio (conocido como FR4). Otros materiales que se suelen utilizar por tener menos coste son epoxis o fenólicos, aunque resultan ser menos duraderos que el FR4.

PCB Flexible

Ofrecen mucha más flexibilidad. El material que normalmente se utiliza para esto PCBs suele ser un plástico moldeable a alta temperatura como el kapton, ofreciendo diferentes grados de flexibilidad según necesidades o aplicaciones (soportes semirígidos).

PCB de Corazón Metálico

Resultan ser una alternativa al FR4 en aquellas aplicaciones en las que se precise de una mejor y más eficiente disipación de calor en placa, protegiendo mejor a aquellos componentes electrónicos más sensibles al calor.

 

PCB Multicapa

Se trata de añadir varias capas superpuestas de lo inicialmente comentado y que se prensan mediante proceso para obtener una PCB definitiva. Así, Trelec ya ha trabajado con PCBs multicapa de 24 capas.

 

TECNNOLOGÍAS DE MONTAJE O ENSAMBLADO DE PCBs

Actualmente existen dos tipos de tecnología en la industria actual que prevalecen en el montaje o ensamblado de PCBs:

Tecnología de Montaje Superficial (SMT):

Mediante esta tecnología de montaje los componentes electrónicos SMD, mucho más pequeños y ligeros, se montan directamente sobre la superficie de la PCB. Específicamente, sobre las ubicaciones exactas (pads) previamente definidas en la documentación técnica y sobre las cuales se ha depositado previamente la cantidad adecuada de pasta de soldadura. Es esta pasta de soldadura la que fija temporalmente el componente a la PCB hasta llegar al subproceso de soldadura propiamente dicho. De esta manera se elimina en gran medida la necesidad de utilizar componentes Through-hole (TH). Así, se pueden crear circuitos más complejos y pequeños, lo que resulta en dispositivos finales más eficientes y de menor tamaño. Además, el proceso de ensamblado o montaje que utiliza tecnología SMT resulta ser mucho más rápido y eficiente en coste que el montaje tradicional de ensamblado con componentes TH.
Esta tecnología se puede aplicar hoy día a infinidad de componentes electrónicos de montaje superficial o SMD (Surface Mount Device), incluyendo aquí resistencias, condensadores, diodos, transistores, circuitos integrados, BGAs, FPGAs, etc., componentes que en tamaño pueden llegar en algunos casos a tan solo 01005 pulgadas.

Tecnología Through-hole (THT)

Es mucho más antigua y normalmente se aplica cuando por motivos técnicos no pueden utilizarse sus componentes SMD equivalentes. Los componentes TH tienen un mayor tamaño y volumen, y disponen de terminales que se insertan en los agujeros pasantes que atraviesan la placa y dispuestos ya en la fabricación de la PCB. Estos terminales se sueldan posteriormente por la cara inferior de la PCB, siendo el proceso de montaje THT diferente al SMT o a uno mixto.

INDUSTRIALIZACIÓN DEL PROCESO DE MONTAJE DE PCBs

Como paso previo al montaje o ensamblado de PCBs se precisa seguir una serie de pasos cuyo propósito es el de verificar que el proceso PCBA siguiente culmina con éxito. Se trata de un proceso clave y es el que en Trelec se denomina Proceso de Industrialización. El cumplimiento satisfactorio de este proceso permite continuar con el paso al siguiente, por lo que durante el mismo se establecen una serie de check points que validan o no esta continuación hacia el PCBA. A modo de resumen se podría representar esquemáticamente como sigue:

Durante la fase de industrialización del proceso de montaje se trabaja fundamentalmente con el Cliente y con respecto a su documentación de diseño para asegurar la funcionalidad de la futura PCBA. Para ello se establecen diferentes check points o puntos de control internos que determinan un flujo correcto de información que culmina con la disposición de los programas máquina e información adicional para un óptimo montaje de la PCB. Desde las especificaciones de diseño, la idoneidad de los componentes sobre la PCB, la existencia de fiduciales, la inclusión de códigos de trazabilidad de placa, códigos de cliente, etc., todo se comprueba antes de la fabricación. De este modo es posible identificar de antemano los problemas potenciales que puedan afectar negativamente al proceso y resultado final, reduciendo así los costes de fabricación y evitando gastos innecesarios y no previstos, a la vez que se asegura la calidad del producto final.

FASES O SUBPROCESOS DURANTE EL PROCESO PCBA

Una vez finalizadas las tareas de logística de componentes (automatización de incoming de componentes y almacenamiento inteligente y controlado en temperatura y humedad) y de Industrialización, se da comienzo al proceso de montaje de las PCBs. Las etapas básicas que siguen son:

SMT

Fase 1. Aplicación de Pasta de Soldadura

Este paso automatizado consiste en la aplicación de la pasta de soldadura mediante una máscara o stencil colocada sobre la PCB y cuyas aperturas coinciden exactamente con las ubicaciones o pads en los que se soldarán los componentes SMD una vez colocados. Es de vital importancia la calidad y cantidad de pasta que se deposita en las aperturas del stencil en aras a una óptima soldadura posterior.

Fase 2. Colocación de los Componentes. Pick&Place

Continuando con una línea de fabricación, una vez depositada la pasta de soldadura la PCB pasa a las máquinas de Pick&Place. Estas máquinas robotizadas siguen la programación realizada para ellas durante el proceso de Industrialización y son las que se encargan de colocar todos los componentes SMD en su ubicación exacta de la PCB, sobre la pasta de soldadura, a una gran velocidad. En el caso de Trelec pueden llegar a 150.000 componentes reales por hora. En comparación con el modelo más antiguo y tradicional de montaje THT, el ahorro en costes y la calidad del producto resultante son enormes si se tiene en cuenta la práctica desaparición del factor humano en esta parte específica del proceso.

Fase 3. Soldadura por Reflow

En esta fase, conocida comúnmente como Reflow, se fijan los componentes SMD a la PCB. Una vez terminado el subproceso de Pick&Place y con la PCB teniendo todos sus componentes exactamente ubicados, la PCB pasa automáticamente mediante conveyor(s) a un horno de reflow. Este horno consiste en una serie de calentadores distribuidos que, a partir de un determinado perfil de temperatura controlado y previamente programado a lo largo del horno para cada producto. Este perfil de temperatura se define dependiendo del tipo de PCB, número de capas y tipo de componentes. Se derrite así la pasta de soldadura de los pads sobre los que se hayan los componentes, adhiriéndose a éstos. La PCB, ya con los componentes ubicados pero aún sin solidificar su unión a la PCB, continúan su camino a lo largo del horno pasando por una zona de ‘calentadores’ a menor temperatura, terminando de soldarse a la PCB de manera controlada. De esta manera se obtiene una unión sólida y de calidad de los componentes a la PCB.
Cuando se trata de una PCB a doble cara, con componentes a ambos lados, este subproceso se repite dos veces. Normalmente en la primera se realiza la cara con menor número de componentes (y/o más ligeros) y posteriormente la segunda.

Fase 4. Inspección Óptica Automatizada (AOI 3D)

Actualmente, el control de calidad del montaje SMA se realiza sobremanera mediante otro subproceso automatizado: la Inspección Óptica Automatizada (AOI). Como parte de la tecnología SMT se reemplazan otros métodos de inspección, como la inspección visual que utilizaba microscopios o lupas para su ejecución.
A partir de una laboriosa programación previa y mediante cámaras de muy alta resolución, el sistema AOI 3D verifica que no existen ausencias de componentes sobre la PCB, que los componentes y sus etiquetas asociadas son correctas, que no se han producido desplazamientos de componentes, así como la correcta polaridad de los mismos cuando esto proceda. Así mismo se examinan aquí de forma muy meticulosa todas las soldaduras, verificando que no existen cortos y que se cumplen los requisitos de calidad y estándares aplicables. A diferencia de la AOI 2D la inspección AOI 3D proporciona además mucha más información sobre la calidad del proceso de reflow ya que tiene en cuenta variaciones o posibles desviaciones sobre eje Z, sobre todo en cuanto a la calidad de la soldadura se refiere.
Lógicamente, la utilización de esta inspección aumenta considerablemente la precisión y la eficiencia de los controles de calidad del montaje SMA, que convierte la fabricación electrónica en un proceso mucho más preciso, eficiente y replicable.
Adicionalmente al subproceso de AOI, en ocasiones se puede aplicar además una inspección por rayos-X. Este es el caso de placas multicapa o de la inspección de calidad de soldaduras no visibles de componentes como los BGAs.

THT

Fase 5. Montaje de componentes TH (THT)

No todas las PCB llevan solo componentes SMD. Es habitual que cohabiten ambas tecnologías SMT y THT sobre una misma PCBA. De este modo, el montaje TH se realiza posteriormente al SMA por personal especializado y puede implicar dos tipos de soldadura para ello:
Soldadura manual: El proceso de colocación de componentes sobre placa y su soldadura posterior es totalmente manual.
Soldadura selectiva: Los componentes TH se colocan sobre la placa y la soldadura se realiza en otro horno. Mediante la programación de unos cabezales dispuestos a modo de ‘soldador’ que se van ubicando por la cara inferior de la placa y sobre los terminales de los componentes TH, insuflan sobre estos y en sus respectivos pads la cantidad precisa de soldadura, quedando así soldados a la PCB.

Fase 6. Inspección Final y Test Funcional

Tras la finalización del proceso la PCBA puede ser objeto de una verificación funcional electrónica como punto final al ensamblado. Lo más habitual es que se trate de una serie de pruebas sobre circuito (Tests In-Circuit o ICTs). Bien mediante sondas o bien mediante una cama de pinchos sobre la que se coloca cada PCBA, se van realizando tests electrónicos funcionales para verificar que el montaje de la PCBA es correcto y desde el punto de vista de su funcionalidad electrónica no existen desviaciones con respecto a diseño. En ocasiones incluso se puede llevar a cabo en esta fase la carga de SW sobre memorias o microprocesadores, dependiendo de las necesidades del Cliente. Una vez determinada la idoneidad de la PCBA según diseño se entrega a almacén para su posterior entrega a Cliente.
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