DocsTec-5935

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INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE
MONTERREY
CAMPUS MONTERREY
DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA
de Monterrey
DESARROLLO DE PROTOTIPOS PARA TECNOLOGÍA DE MONTAJE
SUPERFICIAL (SMT)
TESIS
PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO
ACADÉMICO DE:
MAESTRO EN CIENCIAS CON
ESPECIALIDAD EN SISTEMAS DE MANUFACTURA
POR:
JUAN MARCOS PLACERES MORAZÁN
MONTERREY, N. L. ABRIL DE 2002
DEDICATORIA
Porque siempre has estado conmigo, con nosotros, gracias Dios. Gracias
Señor por la oportunidad de tener la experiencia de vivir, de estudiar, de amar y
por la fe que has alimentado en mí.
A ti mamá Elba Rosario y a ti papá Moisés donde quiera que estés, porque
sin ustedes simplemente no hubiera sido posible este paso más en mi vida.
Mamá gracias por tu amor, cariño y aliento en todo momento, sin importar
hora, día y lugar tu siempre estabas velando por mí.
Papá gracias por tu motivación e insistencia para que estudiara la maestría,
gracias por apoyarme y respaldarme en todo, ahora que la termino yo sé que
estás orgulloso porque tu respaldo ha dado frutos y a pesar de que te adelantaste
en el momento crucial seguiste mirando hacia mí.
A ustedes hermanos Moy y Elba, su apoyo, cariño, amor y amistad han sido
una motivación y un reto para demostrar que cuando nos proponemos algo, claro
que lo podemos alcanzar.
A ti abuelita María Sánchez que te mereces un apartado especial, muchas
gracias por tu fortaleza, entereza, amor y bendiciones hacia mí, gracias por ser el
pilar de nuestra gran familia.
A ti Ari, chiquita, que en los momentos más difíciles e importantes me
acompañaste, tu amor, amistad, preocupación así como tu orientación fueron el
consuelo y ánimo que me motivó para alcanzar lo que llegó a parecer muy difícil.
Y no me podía olvidar de ustedes Yered y Etián, su inocencia, vitalidad y
buena vibra han dado una chispa especial en mi vida.
A todos ustedes, muchas gracias
Jhonny
1
AGRADECIMIENTOS
Gracias Dr. Alejandro Manríquez por su visión hacia esta tesis, gracias M.C.
José Gómez por tu tiempo e interés para el desarrollo de este proyecto, gracias
Dr. Osear Molina por sus comentarios, correcciones y tiempo para la adecuación
de mi tesis.
Quiero hacer un agradecimiento especial a la empresa Circuitos
Electrónicos de Monterrey S.A de C.V (CEMSA) por el apoyo a este proyecto con
la fabricación del PCB e información técnica para el desarrollo del prototipo.
Gracias a Agilent, Thomson, Panasonic, Speedline, Siemens, SECOFI,
empresas que apoyan el Programa SMT en el Centro de Sistemas Integrados de
Manufactura.
Agradezco al Programa SMT del CSIM y a la Dirección de la División de
Ingeniería y Arquitectura del Campus por el apoyo para la compra de materiales.
Jorge, Germán, Yuri, Edgar, Rafael, Brenda, Janett, Fati y todos mis
amigos, su amistad es muestra fiel de que siempre puedo contar con alguien para
todo.
Pedro, Alex, Ernesto, Christian más que mis amigos, su apoyo para estudiar
y el ánimo para vivir fue lo que necesitaba para estar en armonía, siempre conté
con ustedes. El vivir y compartir este tiempo con ustedes ha sido extraordinario y
enriquecedor.
Padrinos Silvia Sosa y Roberto Melgarejo ustedes me brindaron la
oportunidad de desenvolverme profesionalmente y gracias a ustedes adquirí
experiencia invaluable para mi maestría.
Jhonny
2
SMT, tecnología de montaje superficial, es la tendencia actual en lo que se
refiere al desarrollo de productos electrónicos. Debido a las exigencias actuales de
miniaturización en los productos esta tecnología es una respuesta para poder
manufacturarlos con los requerimientos altos de tiempos, calidad y costos.
En México existe un número considerable de empresas de manufactura
electrónica. Pero la mayoría son de capital extranjero, por lo que tienen gran
dependencia de las actividades y decisiones que se hagan en los centros de
desarrollo en sus países de procedencia. Por esta razón muchas de las empresas
y plantas de manufactura electrónica en nuestro país se denominan comúnmente
maquiladoras, ya que gran parte de la ingeniería del producto ya les llega definida
y lista para que el producto sea ensamblado en sus líneas de producción.
El trabajo de esta investigación consiste en fabricar un prototipo de una
tarjeta electrónica con tecnología SMT, y al mismo tiempo desarrollar una
metodología para dicha fabricación, donde se encuentre documentado todo el
proceso de desarrollo, la problemática, las acciones y los pasos realizados para
poder fabricar el prototipo. Las condiciones para realizar este trabajo consisten en
usar un diseño propio del ITESM Campus Monterrey que sea práctico y funcional,
utilizar los recursos computacionales así como software con los que cuenta el
ITESM Campus Monterrey para diseño, electrónico y utilizar la línea de producción
SMT del Centro de Sistemas Integrados de Manufactura en el ITESM Campus
Monterrey.
Como caso de estudio se ha tomado el diseño de una tarjeta electrónica
para desarrollar proyectos por estudiantes de carrera y maestría. Este proyecto de
tarjeta electrónica se denomina XCETer y el diseño fue realizado por el Centro de
Electrónica y Telecomunicaciones. Así en este documento se presenta la
metodología utilizada para desarrollar el prototipo de una tarjeta electrónica con
recursos y tecnologías existentes en el ITESM Campus Monterrey, logrando con
esto obtener experiencia y conocimiento para desarrollar productos y prototipos
posteriores en menor tiempo y con los requerimientos especificados así como
consultorías a empresas del área que así lo soliciten.
3
Dedicatoria
Agradecimientos
Resumen
Lista de Figuras
Lista de Tablas
Glosario y Definiciones
1
2
3
8
9
10
1 INTRODUCCIÓN 11
1.1 ANTECEDENTES 11
1.2 ÁREA DE OPORTUNIDAD 11
1.3 HIPÓTESIS , 12
1.4 OBJETIVO 12
1.5 APORTACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN Y JUSTIFICACIÓN 13
2 MARCO TEÓRICO 14
2.1 CONCEPTOS DE SMT 14
2.1.1 COMPONENTES ELECTRÓNICOS 14
2.1.2 PCB 16
2.1.3 ESTÉNCIL 16
2.1.4 PASTA DE SOLDADURA 16
2.2 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO SMT 17
2.2.1 EQUIPO 17
2.2.2 APLICACIÓN DE PASTA 18
2.2.3 COLOCACIÓN DE COMPONENTES 19
2.2.4 SOLDADURA POR REFLUJO 20
2.3 DESCRIPCIÓN DE LA LÍNEA DE ENSAMBLE CSIM 22
2.4 CARACTERÍSTICAS DE LAS MÁQUINAS 22
2.4.1 IMPRESORA DE PASTA PANASONIC 22
2.4.2 COLOCADORA DE COMPONENTES SIEMENS 23
2.4.3 COLOCADORA DE COMPONENTES PANASONIC 23
2.4.4 HORNO DE REFLUJO SPEEDLINE 24
2.5 SOFTWARE CAD/CAM 24
4
3 MODELO PARA DESARROLLAR UN PROTOTIPO 26
3.1 IDENTIFICACIÓN DE UNA NECESIDAD 27
3.1.1 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 27
3.1.2 ANÁLISIS DEL PROBLEMA 29
3.1.3 RESTRICCIONES 30
3.1.4 VARIABLES DE SOLUCIÓN 30
4.1.5 CRITERIOS Y ESPECIFICACIONES DE LA TAREA 31
3.2 DEFINICIÓN DE LA TAREA (METAS) 32
3.2.1 BÚSQUEDA DE SOLUCIONES 32
3.3 CONCEPCIÓN DE IDEAS 34
3.4 CONCEPTUALIZACIÓN 34
3.5 ANÁLISIS DEL DISEÑO 35
3.6 PRUEBAS EXPERIMENTALES 37
3.7 PROTOTIPOS 37
4 DISEÑO PARA MANUFACTURA ELECTRÓNICA 39
4.1 ASPECTOS DE DISEÑO 39
4.1.1 PLANEACION PARA EL DISEÑO DE MONTAJE SUPERFICIAL 3.9
4.1.2 CLASIFICACIÓN DE PRODUCTOS ELECTRÓNICOS 40
4.1.3 PLANEACION PARA ENSAMBLE EN SMT 41
4.1.4 DIMENSIONES DE TARJETA (PCB) 42
4.1.5 DISTRIBUCIÓN DE COMPONENTES Y RUTEO 42
4.1.6 SELECCIÓN DE COMPONENTES Y EMPAQUETADOS ESTÁNDAR .43
4.1.7 ALIMENTADORES.... 43
4.1.8 FIDUCIALES 43
4.1.9 "LAND PATTERN O FOOT PRINTS" 44
4.1.10 DISEÑO PARA PRUEBA 44
4.1.11 DISEÑO PARA MANUFACTURA.. 44
4.1.12 SELECCIÓN DE MATERIALES 45
4.1.13 ARCHIVOS GERBER 45
4.2 INGENIERÍA CONCURRENTE 45
4.2.1 OBJETIVOS DE LA IC 46
4.2.2 IMPLEMENTACIÓN DE LA IC 47
4.2.3 PROBLEMAS EN LA IMPLEMENTACIÓN DE LA IC 48
4.3 PROTOTIPOS PARA PRODUCIBILIDAD 48
5 CASO DE ESTUDIO 50
5.1 NECESIDAD, TAREAS, CONCEPCIÓN 51
5.1.1 OBJETIVOS 51
5.1.2 REALIZACIÓN DEL DISEÑO PRELIMINAR 52
5.2 CONCEPTUALIZACIÓN 54
5.2.1 REDISEÑO 54
5.2.2 GRUPO DE TRABAJO 55
5.2.3 HERRAMIENTAS 55
5
5.2.4 NECESIDADES 56
5.3 ANÁLISIS 56
5.3.1 SOFTWARE 56
5.3.2 REVISIÓN DE COMPONENTES 56
5.3.3 TAMAÑO DE PCB 58
5.3.4 EDICIÓN DE COMPONENTES Y FOOTPRINTS 58
5.3.5 DISTRIBUCIÓN61
5.3.6 ORIENTACIÓN 62
5.3.7 FIDUCIALES 62
5.3.8 PISTAS, RUTEO Y VÍAS 63
5.3.9 SILKSCREEN 65
5.3.10 GERBERS 66
5.3.11 PROVEEDORES 67
5.3.12 ADQUISICIÓN DEL ESTÉNCIL Y PCB 67
5.4 PRUEBAS EXPERIMENTALES 69
5.5 PROTOTIPO 69
6 RESULTADOS Y ANÁLISIS 71
7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 76
REFERENCIAS 78
VITA 80
6
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 Componentes SMT 15
Figura 2. 2 Línea de producción SMT típica 17
Figura 2. 3 Diagrama de flujo del proceso para una línea SMT con
ensamble de componentes SMT únicamente 18
Figura 2. 4 Perfil típico de temperatura en el proceso de reflujo para
soldadura PbSn 21
Figura 2. 5 Línea de ensamble SMT del CSIM 22
Figura 3. 1 Proceso de diseño (según Edward V. Krick) 28
Figura 3. 2 Análisis del problema 29
Figura 3. 3 Fases del diseño (según Joseph E. Shingley) 31
Figura 3. 4 Búsqueda de soluciones posibles 33
Figura 3. 5 Fases del proceso que muestran las probables entradas
y salidas de cada fase 36
Figura 5. 1 Modelo para desarrollar un prototipo electrónico 50
Figura 5. 2 Fotografía del prototipo terminado en tecnología TH 53
Figura 5. 3 Dimensiones de Tarjeta Electrónica generada en
Mentor Graphics 58
Figura 5. 4 Características para editar y diseñar un footprint de un
SOT-23 60
Figura 5. 5 Sección de la tarjeta electrónica donde aparece el footprint
o land pattern generado para el SOT-23 en Mentor Graphics 61
Figura 5. 6 Distribuciones para componentes pasivos SMT 61
Figura 5. 7 Resistores con empaquetado 0805 espaciamiento de
0.025" en diseño de tarjeta electrónica con Mentor Graphics 62
Figura 5. 8 Fiduciales para un circuito integrado SMT, el fiducial
del centro sirve para localizar el lugar de colocación 63
Figura 5. 9 Zonas que se desea queden libres de pistas y vías en
el PCB 64
Figura 5. 10 Imagen de la tarjeta donde se aprecian las pistas (ruteo)
y las vías 65
Figura 5. 11 Zonas en donde se insertó la identificación de algunos
componentes, el nombre del sistema y el pin No. 1 66
Figura 5. 12 Figura del archivo gerber para la fabricación del esténcil e
información adicional para su manufactura 68
7
Figura 5. 13 Fotografía del PCB fabricado para el ensamble del prototipo con
tecnología SMT 69
Figura 5. 14 Fotografía del prototipo fabricado del sistema XCETer en
la línea del CSIM con tecnología SMT (solo componentes SMT) 70
Figura 6. 1 Diseño terminado del Sistema XCETer en tecnología de montaje
superficial SMT 71
Figura 6. 2 Diseño terminado del Sistema XCETer en tecnología de montaje
superficial SMT mostrando vías y líneas de conexiones 72
Figura 6. 3 Tiempos de desarrollo del prototipo 73
Figura 6. 4 Gráfico donde se observa el porcentaje de componentes:
22% TH y 78% SMT de un total de 138 componentes 74
Figura 6. 5 Fotografía del prototipo fabricado del sistema XCETer en la
línea del CSIM, resultado de la migración de tecnología TH a SMT 75
LISTA DE TABLAS
Tabla 2.1 Características de Impresora Panasonic
Tabla 2. 2 Características de Colocadora Siemens
Tabla 5.1 Componentes seleccionados en SMT para la tarjeta XCETer
Tabla 5. 2 Geometrías a editar
22
23
57
59
8
Figura 5. 13 Fotografía del PCB fabricado para el ensamble del prototipo con
tecnología SMT 69
Figura 5. 14 Fotografía del prototipo fabricado del sistema XCETer en
la línea del CSIM con tecnología SMT (solo componentes SMT) 70
Figura 6. 1 Diseño terminado del Sistema XCETer en tecnología de montaje
superficial SMT 71
Figura 6. 2 Diseño terminado del Sistema XCETer en tecnología de montaje
superficial SMT mostrando vías y líneas de conexiones 72
Figura 6. 3 Tiempos de desarrollo del prototipo 73
Figura 6. 4 Gráfico donde se observa el porcentaje de componentes:
22% TH y 78% SMT de un total de 138 componentes 74
Figura 6. 5 Fotografía del prototipo fabricado del sistema XCETer en la
línea del CSIM, resultado de la migración de tecnología TH a SMT 75
LISTA DE TABLAS
Tabla 2.1 Características de Impresora Panasonic
Tabla 2. 2 Características de Colocadora Siemens
Tabla 5.1 Componentes seleccionados en SMT para la tarjeta XCETer
Tabla 5. 2 Geometrías a editar
22
23
57
59
8
GLOSARIO Y DEFINICIONES
SMT.
Surface mount technology (tecnología de montaje superficial), se refiere al tipo de
tecnología utilizada para la fabricación de tarjetas electrónicas, donde los
componentes electrónicos que son dispuestos en la tarjeta quedan sobre la
superficie de ésta y la soldadura se aplica del mismo lado del componente. No
existe necesidad de que el componente atraviese la tarjeta para aplicar soldadura
del lado opuesto.
TH.
Through hole, tecnicismo utilizado para referirse a la tecnología utilizada para la
fabricación de tarjetas electrónicas, donde las conexiones de los componentes
electrónicos que son dispuestos en la tarjeta atraviesan la misma mediante
agujeros predefinidos y son soldados del lado o cara opuesta de donde se
estableció el componente.
Odd components.
Estos son componentes que pueden ser through hole o de montaje superficial y
que no pueden ser colocados automáticamente usando maquinas colocadoras
para el ensamble, debido a la altura, forma o peso del componente. Estos
componentes generalmente son conectores, puertos, transformadores u otro tipo
de componente que requiera cierta rigidez en la tarjeta electrónica y se colocan de
forma manual.
PCB.
Printed circuit board (tarjeta de circuito impreso), se refiere a la tarjeta
componentes, es decir, la pura tablilla con el circuito impreso completo.
sin
Empaquetado o Encapsulado.
Puede ser para componentes pasivo, discretos o activos IC's. Es la forma en que
viene presentado el componente, mediante un forro plástico o cerámico. Existen
muchos encapsulados para componentes SMT como los QFP, BGA, SOIC, SOT,
etc. Cada empaquetado tiene una geometría y características propias, de las
cuales el diseñador se basa para definir su utilización en el circuito electrónico.
Flux.
Agente activador que remueve óxido y limpia la superficie del metal para ayudar
en el proceso de soldadura.
9
Pad.
Área metálica sobre la tarjeta de circuito impreso, sobre la cual son soldados los
componentes. Es un área conductora que sirve para conectar las terminales de los
componentes. En SMT la soldadura es dispuesta sobre los pads.
Esténcil.
Una hoja fina de acero o de una aleación inoxidable con aperturas que
corresponden con el modelo de pistas y pads de la tarjeta de circuito impreso.
Durante la impresión, el pegamento o la soldadura es forzada a través de estas
aperturas a ser dispuesta sobre la tarjeta de circuito impreso.
Pick and Place.
Tecnicismo utilizado para referirse a una operación de ensamble realizado por una
máquina automática, donde la máquina orienta y coloca los componentes en sus
pads correspondientes antes de soldar.
Squeegee.
Cuchilla de metal o de caucho usada en la impresión de soldadura, por medio del
esténcil, imprime o limpia la soldadura. Ejerce presión sobre el esténcil y por
medio de las aperturas la pasta de soldadura es dispuesta en los pads
correspondientes del PCB.
Tape and reel.
Tecnicismo relacionado con la alimentación de componentes SMT. Los
componentes son alimentados por medio de carretes. En los carretes los
componentes se encuentran en cintas adhesivas. Las máquinas van girando los
carretes y van quitando los componentes de la cinta adhesiva y entonces son
colocados en la tarjeta electrónica.
CAD/CAM.
Computer-aided design y computer-aided manufacturing (diseño y manufactura
asistidos por computadora), en electrónica se refiere al uso de computadoras para
formular y desarrollar circuitos de acuerdo a reglas compatibles de manufactura. El
sistema incluye información para el procesamiento y almacenamiento para el
diseño así como la creación de dibujos, reportes y archivos útiles para la
fabricación del cirucito.
Ruteo.
Se refiere al postprocesamiento automático que es realizado por un programa
CAD/CAM para encontrar la configuración de las líneas de conexión entre las
terminales del circuito, considerando las reglas de manufactura y de diseño. Así,
con el ruteo se generan laspistas de cada cara o capa de una tarjeta electrónica.
10
1 INTRODUCCIÓN
1.1 ANTECEDENTES
Después de la invención del transistor en 1948 [1], la tendencia mundial ha
sido la miniaturización de los componentes electrónicos, lo cual permite diseñar y
construir productos electrónicos cada vez más sofisticados. El ritmo al que se ha
desarrollado esta miniaturización es realmente impresionante, como puede
deducirse de los datos siguientes: para 1960, la línea más estrecha que podía
trazarse en un circuito era de 30 micrómetros, es decir treinta millonésimos de
metro. Veinticinco años después, es posible trazar un ancho de sólo medio
micrómetro (.5 ^) que equivale a una ciento cincuentava parte del grueso de un
cabello humano. Esto ha permitido la construcción de chips que contienen más de
100 000 transistores para la realización a alta velocidad de operaciones lógicas en
las computadoras y para almacenar millones de bits de información.
En la industria electrónica, la tendencia en el diseño y fabricación de los
productos es hacerlos cada vez más pequeños. Desde la televisión que antes
funcionaba con bulbos hasta los teléfonos celulares actuales, la tecnología
electrónica se ha desarrollado en un ambiente muy competido en el cual los
productos más pequeños resultan novedosos y atractivos para los consumidores.
Con los sistemas actuales de producción se pueden fabricar millares de productos
con calidad y características similares en tiempos muy cortos. Para la manufactura
actual de tarjetas electrónicas existen líneas de producción definidas, permitiendo
la automatización del proceso. La manufactura electrónica con tecnología de
montaje superficial SMT, está altamente automatizada en la mayor parte de las
empresas. En México la gran mayoría de las empresas del ramo de la electrónica
son maquiladoras, las cuales no cuentan con departamentos específicos de
diseño, y tampoco con el personal capacitado en los procesos de creación de
nuevos productos y prototipos, ya que todo lo realizan según disposiciones y
especificaciones principalmente del extranjero.
1.2 ÁREA DE OPORTUNIDAD
Para la creación de un nuevo producto en tecnología SMT, es necesario
seguir un procedimiento o metodología que empieza normalmente en el diseño
conceptual y llega hasta la fabricación de un prototipo o producto final. En México
u
el tipo de empresas que manufacturan en el área electrónica, la gran mayoría son
maquiladoras y no cuentan con el apoyo de métodos o procedimientos que los
guíen desde el diseño conceptual del producto, la manufactura y ensamble hasta
las pruebas y obtención de un prototipo. A pesar de que el avance tecnológico es
muy rápido, en el país aún estamos dependiendo del extranjero, limitando esto el
desarrollo de productos mexicanos, innovadores y funcionales que puedan
competir en el mercado, y de igual forma limitando el desarrollo profesional de los
ingenieros mexicanos.
Antes de iniciar este trabajo se visitaron 4 empresas manufactureras del
giro electrónico: 3 en el área metropolitana de Monterrey y una empresa en la
Ciudad de Puebla. En estas visitas se obtuvieron las siguientes observaciones
referentes al desarrollo de productos con tecnología SMT:
Empresa 1: Su línea de producción es adecuada para tecnología SMT, pero
no cuenta con área de diseño y desarrollo. Solo maquila.
Empresa 2: Su línea de producción es adecuada para tecnología SMT,
cuenta con área de diseño y desarrollo, pero no puede
proporcionar información por política propia de la empresa.
Empresa 3: Su línea de producción es adecuada para tecnología SMT,
cuenta con área de diseño y desarrollo, pero estas áreas están
ubicadas en el extranjero, solo hacen recomendaciones de
diseño y manufactura.
Empresa 4: Su línea de producción es adecuada para tecnología SMT,
cuenta con área de diseño y desarrollo, ubicadas en su planta y
en el extranjero, tienen un trabajo interdisciplinario, pero no
tienen un procedimiento documentado se basa en experiencia y
la información que proporcionan aún no está respaldada por
documentos técnicos..
1.3 HIPÓTESIS
El desarrollo de una metodología para el diseño y desarrollo de un producto
en SMT, será un primer paso para la generación de productos mexicanos,
innovadores, de alta funcionalidad, que sean de alta tecnología y competitivos en
el mercado.
1.4 OBJETIVO
Generar un procedimiento práctico para el diseño y desarrollo de un
producto prototipo en SMT, obtener experiencia y conocimiento para dar respuesta
12
a las necesidades de crecimiento del mercado mexicano en electrónica con la
creación de nuevos productos y prototipos.
1.5 APORTACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN Y JUSTIFICACIÓN
La aportación de la investigación reside en generar una metodología para el
desarrollo de productos y prototipos electrónicos con tecnología SMT. Se utilizaron
los recursos con los que cuenta el ITESM Campus Monterrey, logrando con esto el
aprovechamiento de los mismos, generando la base de conocimiento para poder
realizar posteriormente prototipos y productos propios así como externos con
tiempos más cortos. Así se tiene la capacidad de actuar en oportunidades de
proyectos similares a las que previamente se han presentado y no se tenia el
conocimiento completo para realizarlos.
Además de lo anterior se fabrica un producto con diseño propio realizado
por el Ingeniero José Gómez como parte de su tesis [2] y para fines educativos y
que está dirigido a estudiantes de licenciatura y de maestría, en la que puedan
desarrollar sus proyectos con ventajas tales como flexibilidad, potabilidad, costo y
capacidad de hacer sistemas más complejos.
13
2 MARCO TEÓRICO
2.1 CONCEPTOS DE SMT
Los primeros montajes electrónicos que se llevaron a cabo hacia el año de
1925 se realizaban sobre un soporte metálico llamado chasis. Los distintos
componentes se sujetaban mediante unos sencillos elementos aislantes de
cerámica o de cartón, y se interconectaban mediante hilos y cables conductores
[3].
En los años 50's este sistema se abandonó por no resultar práctico. Con el
desarrollo de la electrónica se hizo imperiosa la necesidad de una reducción del
volumen ocupado por los montajes, siendo entonces cuando, después de
laboriosos trabajos, aparecieron las primeras tarjetas de circuitos impresos
(PCB's). Actualmente, para la soldadura de componentes electrónicos en la tarjeta
se utilizan dos tecnologías de montajes: tecnología de sujeción mediante orificios
o agujeros (TH) y tecnología de montaje superficial (SMT) [4]. La sujeción
mediante agujeros es la tecnología tradicional en donde los componentes son
montados en agujeros que atraviesan la tarjeta. SMT usa dispositivos que se
montan, como su nombre lo indica, sobre las superficies de la tarjeta.
Las primeras aplicaciones de SMT se dieron a mediados de los años 60's
en dispositivos electrónicos militares y aeroespaciales. El dispositivo de montaje
superficial que hizo posible esto es llamado encapsulado plano (fíat pack). El fíat
pack que consistía en un encapsulado cerámico con terminales planas tipo cinta,
vino a reemplazar al encapsulado doble en línea (DIP). La razón mayor para que
los fíat packs fueran usados en lugar de los DIPs era la posibilidad de colocar
estos componentes en ambos lados del PCB. Este fue precisamente el motivo por
el cual se empezó a utilizar SMT, pues produce circuitos de más alta densidad de
componentes en comparación con TH [5].
2.1.1 COMPONENTES ELECTRÓNICOS
Los componentes electrónicos se pueden clasificar en tres principales
grupos: pasivos, discretos y activos [6]. Cada uno de estos a su vez pueden ser
TH ó SMT (SMD).
14
Los resistores y capacitores son ejemplos de componentes pasivos. Un
resistor simple para montaje superficial consiste en una pastilla rectangular de
óxido de aluminio (AfeOa) con dos terminales externas. También existen redes de
resistores y resistores variables con terminales múltiples disponibles en varios
tipos de diseños de encapsulados. Un capacitor consiste de dos o más placas
paralelas conductoras separadas entre sípor un material aislante, como vidrio o
cerámica. Los capacitores pueden ser del tipo monolítico o de tantalio.
Los diodos o transistores son ejemplos de componentes discretos. El
cuerpo de estos dispositivos está construido de silicio y algún epóxico. Son
componentes discretos típicos el SOT 23, el SOT 89 y el MELF.
Los componentes activos, también llamados circuitos integrados (IC), están
presentes en una gran variedad de encapsulados, materiales, configuraciones de
terminales y número de las mismas que van desde 8 hasta más de 1000
entradas/salidas. Algunos IC típicos son SOIC, PLCC, chip carrier, QFP (Quad
Fíat Package), BGA (Ball Grid Array), entre otros. Ver figura 2.1.
Las terminales de los componentes sean pasivos, discretos o activos están
compuestos de paladio-plata, oro, plata, cobre u otras aleaciones; aunque no es
regla, las terminales se recubren con una barrera de níquel o plata y en ocasiones
con una protección externa de plomo-estaño para preservar su solubilidad.
Otro tipo de componentes son los Odd components. Estos son
componentes que pueden ser through hole o de montaje superficial y que no
pueden ser colocados automáticamente usando maquinas colocadoras para el
ensamble, debido a la altura, forma o peso del componente. Estos componentes
se ensamblan generalmente manualmente.
Figura 2. 1 Componentes SMT
8ZSET9
15
2.1.2 PCB
Un PCB es una placa de material aislante (bakelita, fibra de vidrio, etc.),
donde se depositan tiras de material conductor que constituyen los circuitos
impresos o pistas. En la placa aislante se sitúan los componentes del circuito
como lo son resistencias, capacitores y circuitos integrados, los cuales se ponen
eléctricamente en contacto con los circuitos impresos, siendo éstos los que sirven
de conductores eléctricos entre los distintos componentes, formando un circuito
de dimensiones reducidas.
2.1.3ESTENCIL
El esténcil es una placa metálica que contiene aperturas, por las que se
introduce la pasta de soldadura y se deposita sobre el PCB. Un esténcil es
requerido generalmente para el ensamble de tarjetas electrónicas en tecnología de
montaje superficial. Para el diseño de un esténcil, hay algunos puntos que se
consideran de importancia [7]:
> Tamaño de cada apertura, largo y ancho.
> Espesor del esténcil.
> Tecnología a usar que puede ser: químico grabada, corte con láser,
híbridos, electro formado.
> Diseño de un esténcil para Tecnología Mixta SMT/ TH.
Diseño para aperturas pequeñas.
2.1.4 PASTA DE SOLDADURA
La pasta de soldadura consiste de partículas de soldadura (generalmente
soldadura de Pb-Sn) de un determinado diámetro que forman una mezcla con flux,
el cual a su vez está constituido por activadores, solventes, resinas estables y
modificadores de viscosidad [8].
Las propiedades de la pasta de soldadura dependen en parte del contenido
de metal (generalmente entre el 82 y 92%), la aleación de la soldadura y la
distribución de tamaños de partícula. Los polvos de soldadura de alta calidad
requieren una forma esférica, con un tamaño y una distribución específica, un
bajo contenido de óxido y un mínimo impurezas.
16
2.2 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO SMT
2.2.1 EQUIPO
Una línea de ensamble SMT y soldadura por reflujo se forma principalmente
con el siguiente equipo (ver figura 2.2):
> Impresora de Pasta para colocar la pasta de soldadura a cada uno de los
PCBs.
> Colocadoras (Pick and Place) para colocar los componentes que pueden
ser pequeños y grandes.
> Horno de reflujo que es donde se da el proceso de soldadura.
El proceso general mediante el cual trabaja la tecnología de montaje
superficial con la soldadura por reflujo esta constituido por tres etapas principales
(ver figura 2.3):
> Colocación de pasta.
> Colocación de componentes.
> Soldadura por reflujo.
Los componentes pueden ser colocados de las siguientes formas:
> Componentes SMT montados en un solo lado de la tarjeta (sin
componentes TH).
> Componentes TH (convencionales) que coexisten con componentes SMT
en un solo lado del PCB.
> Componentes SMT montados en un lado del PCB y los TH del otro.
> Los componentes SMT serán ensamblados a ambos lados del PCB y
coexisten con componentes TH en un lado.
Impresora
Colocadoras
Horno de reflujo
Figura 2. 2 Línea de producción SMT típica
17
PCB
Pasta
a
Aplicación
de Pasta
Inicio
Inspección
en recibo
de materiales
4
Colocación de
componentes
pequeños
Colocación de
* componentes
grandes por Reflujo
*[ Dejar parámetros]
Figura 2. 3 Diagrama de flujo del proceso para una línea SMT con ensamble de
componentes SMT únicamente
2.2.2 APLICACIÓN DE PASTA
Generalmente se utiliza la impresión mediante esténcil (stencil printing),
aunque en ciertos casos aún se usa la impresión mediante cedazo (screen
printing) o dispensión mediante jeringa (dispensing).
El método mas usado actualmente en SMT es la impresión mediante
esténcil, este superó al proceso de screen printing. Aquí, el esténcil metálico, que
contiene aberturas es colocado sobre el PCB, se aplica la pasta mediante un
squeegee y la pasta de soldadura es forzada a pasar por los orificios del esténcil,
luego se retira el PCB que lleva depósitos de soldadura sobre los pads
apropiados. Una de las ventajas es la mayor duración del esténcil metálico y la
fácil colocación de capas muy delgadas de soldadura sobre los pads del PCB.
Además de que el esténcil permite una producción de alto volumen.
Impresión mediante cedazo (screen printing) consiste en una red de cables
retenidos en una estructura y cubiertos con una emulsión fotosensitiva. Antes de
su uso la emulsión es expuesta en el deseado patrón y procesada de tal forma
que se producen aberturas en las regiones donde la pasta ha de ser depositada.
Cuando esta en uso el screen se pone en contacto con el PCB, la pasta es
aplicada sobre el screen y un aplicador de pasta en forma de cuchilla metálica o
de polímero (squeegee) se hace pasar sobre el screen, esto fuerza a la pasta a
pasar por las aberturas sobre la emulsión y sobre el PCB. El proceso requiere
zonas de temperatura y humedad controladas.
18
La dispensión mediante jeringa es usada para producción de bajo volumen
preferentemente, en el cual se usa un tornillo que guía a un pistón para ejercer la
presión que se necesita para liberar una cantidad controlada de pasta sobre el
PCB.
2.2.3 COLOCACIÓN DE COMPONENTES
En este proceso se tienen cuatro métodos principales de colocación:
colocación semiautomática, colocación automática (pick and place), colocación por
robots y colocación manual.
La colocación semiautomática (máquinas pick and place) se cuenta con un
tablero para asistir al operador en la colocación de componentes, los componentes
son sujetados por un tipo de pipeta de aire, y después se realiza la colocación
mecánica del componente. Tal máquina permite al operador ajustar en X y Y, así
como hacer una compensación rotacional sobre la colocación, hecho mediante
una operación manual mecánica.
Se utilizan unas marcas de referencia (fiduciales) en las tarjetas para
centrar, ajustar y asegurar una precisión en la colocación del componente de ±
0.004 pulgadas o menos.
Generalmente (en la mayoría de los casos) los componentes SMT son
colocados mediante máquinas automáticas (pick and place). Este equipo fue
diseñado para colocar componentes automáticamente, de un tamaño y forma
determinada. Los componentes se suministran por charola, tubo o mediante rollo
(tape and reel). Las máquinas vienen en una amplia variedad de tamaños y
capacidades con pocas pero versátiles piezas que pueden colocar una amplia
variedad de partes y con una cantidad considerable de velocidad y precisión. En
esta categoría existen generalmente 2 categorías: de alta velocidad y de
colocación flexible.
Usualmente cerca del 80% de los componentes sobre las tarjetas son
resistores y capacitores y necesitan colocarse rápidamente. Para estos
componentes la precisión no es tan crítica como con otros componentes
complejos (IC, BGA, Chips) de tal forma que se obtienen velocidades de 5,000 a
50,000por hora.
La colocación por medio de robots se utiliza en casos donde se requiere
una precisión o versatilidad extrema. El brazo del robot de propósito general es
capaz de complejos movimientos necesarios para colocar muchas formas
singulares de componentes. Los robots tienen mayor precisión en la colocación de
componentes, sin embargo trabajan a una velocidad menor que las maquinas pick
19
and place con un tiempo de colocación promedio de 3 a 10 segundos por
componentes.
La colocación puede ser de muchas maneras, una de las cuales puede ser
incluso con un par de pinzas y una mesa. En este método la persona deberá de
tomar los componentes y ponerlos sobre el lugar apropiado. Hoy en día aun es
usado este método en muchos lugares (principalmente para el retrabajo), o a
veces para agregar un nuevo componente o en la construcción de pocos
prototipos.
2.2.4 SOLDADURA POR REFLUJO
Este proceso es definido como el proceso de unión que usa un metal con
bajo punto de fusión (usualmente menor a 315 °C) como material de aporte. La
soldadura requiere el mojado del metal a ser soldado por el material de aporte
para la formación de la unión. Esta humidificación es la que da lugar a la interfase
metalúrgica que finalmente genera la unión entre los materiales.
Al
genera uñé
cual origina
compuesto
compuesto
metálica
térmica ele
tablecerse la condición inicial de humidificación del metal base, se
área de agitación térmica entre la soldadura líquida y el metal base lo
difusión atómica y por lo tanto la formación de soluciones sólidas o
intermetálicos. Una vez solidificada la soldadura, estas soluciones o
5 constituirán los medios de unión intermetálica. La continuidad
stablecida constituye una unión con propiedades de conductividad
ctrica, así como de resistencia mecánica [9].
es
La soldadura mas comúnmente utilizada en la unión de componentes con
los pads dol PCB es la que contiene 61.9% de estaño (Sn) y 38.1 de plomo (Pb),
que preserta un punto de fusión aproximado de 183°C. Esta soldadura se conoce
como soldéidura eutéctica.
Elp
que
cuatro
Ver figura
etapas
oceso de soldadura por reflujo se lleva a cabo por medio de un horno
proporciona un perfil de temperatura específico y se divide principalmente en
precalentamiento, la activación del flux, reflujo y enfriamiento [10].
.4.
El precalentamiento tiene la función de evitar daños a los componentes
electrónicos eliminando cambios bruscos de temperatura. Conforme se aumenta la
temperatura el solvente empieza a evaporarse. La temperatura de activación del
flux varia dependiendo del tipo que se utilice, generalmente es entre 150°C y
170°C, esta temperatura debe ser menor que la de la fusión de la soldadura. Aquí
el flux se activa y limpia las superficies que van a ser soldadas. Esto es la segunda
etapa.
20
En el reflujo, la tercera etapa, las partículas de soldadura tienen un
reacomodo debido a la evaporación del solvente. El reflujo se empieza a propagar
en una región pastosa frontal a la transferencia de calor, en donde se encuentran
partículas líquidas y sólidas. Este comportamiento se observa entre 180°C y
200°C para la soldadura Sn/Pb 63/37. La región liquida aparece siguiendo la
formación de la zona pastosa. En este momento empieza a extenderse la
soldadura, por la parte curva de la terminal, provocando que posteriormente se
tenga el hundimiento de la misma para conservar el volumen de la soldadura. El
proceso de esparcimiento debe estar entre 15°C y 30 °C arriba del punto de fusión
de soldadura.
El punto mas alto de temperatura tiene lugar casi al final del túnel de
calentamiento, para inmediatamente salir de este y empezar el proceso de
enfriamiento y solidificación (cuarta etapa) que influye de manera importante en
las propiedades mecánicas y microestructura de la unión [7].
Tiempo de contacto
\ liquido
183°C
Precálentamiento Activación de flux Reflujo Enfriamiento y
Solidificación
Figura 2. 4 Perfil típico de temperatura en el proceso de reflujo para soldadura
PbSn
21
2.3 DESCRIPCIÓN DE LA LÍNEA DE ENSAMBLE CSIM
La línea de ensamble SMT utilizada en este trabajo de tesis se encuentra
ubicada en el Centro de Sistemas Integrados de Manufactura del ITESM Campus
Monterrey. En la siguiente figura se muestra el diagrama de flujo de esta línea de
ensamble. Esta línea esta destinada para realizar investigación y pruebas, y
actualmente es posible elaborar nuevos productos.
Impresora
de pasta
Panasonic
Colocadora de
Componentes
Panasonic
Colocadora de
Componentes
Siemens
^
Horno de
Reflujo
Speedline
Figura 2. 5 Línea de ensamble SMT del CSIM
2.4 CARACTERÍSTICAS DE LAS MAQUINAS
2.4.1 IMPRESORA DE PASTA PANASONIC
La impresora Panasert SPPG3 es una máquina que permite la impresión de
pasta sobre PCB con gran precisión. Su cabeza digital permite imprimir de manera
rápida y sencilla. El reconocimiento visual permite correcciones automáticas en el
posicionamiento de la tarjeta y del esténcil. Su limpieza automática le permite
quitar el exceso de pasta que se queda en la parte inferior del esténcil y en las
aperturas. Ver Tabla 2.1.
Características
Alimentación
Máquina
Limpieza por vacío de aire
Control de temperatura
Glimentación en aire
Temperatura
Dimensión de la tarjeta
Superficie de impresión
Material recomendado
Espesor
2 fases AC200 V =± 1 0V/
1 fase AC 200V
AC200V = ±10V
AC200V = ±10V
0.5 Mbar
20°C±10°C
Min 50x50 mm a Max. 330x250
Min 50x50 mm a Max. 330x242
Phenolic, epoxy
0.5 a 4 mm
mm
mm
Tabla 2.1 Características de Impresora Panasonic
22
2.4.2 COLOCADORA DE COMPONENTES SIEMENS
Siemens S/23 HM: 2300 componentes por hora
HM por Head Modularity (medularidad de cabezal)
Gama de componentes
Rendimiento máximo con un cabezal revolver
de12x
Duración del ciclo en el cabezal revolver
Precisión
Formato de placas de circuitos
Capacidad de disponibilidad
Módulos de alimentación
Sistema Operativo
Espacio necesario
De 0402 hasta PLCC44, SO32, uBGA
2300 componentes por hora
125 ms independientemente del tipo de
componentes
90 um para 4 sigma
50x50 hasta 460x460
2"x2"hasta18"x18"
Max. de 80 pistas de cinta 8 mm
Cinta, Bulk cases
Microsoft Windows NT/RMOS
4 m2 / módulo
Tabla 2. 2 Características de Colocadora Siemens
La colocadora de componentes Siemens es fácil de operar y facilita mucho
la programación de la colocación de los componentes ya que tiene una interfase
visual por medio de PC, la cual es accesible y amigable. Lo que se requiere
previamente es contar con los archivos gerber, los cuales deben contar con la
información del componente tales como su identificación, sus coordenadas de
posición en X y Y, su tipo de empaquetado y su ángulo de orientación.
2.4.3 COLOCADORA DE COMPONENTES PANASONIC
Esta colocadora tiene el modelo PANASERT MPAG3 y se caracteriza por
su precisión durante la colocación y por la variedad de componentes que puede
colocar.
Gracias a sus cámaras de reconocimiento, la máquina disminuye el número
de errores y aumenta la confiabilidad de la máquina. La máquina es capaz de
colocar 3600 componentes QFP por minuto. Esto debido a sus 3 cabezales, que
disminuyen los viajes a los alimentadores de componentes. Los componentes que
puede colocar son de 0.4 mm de pitch hasta componentes de tamaño 50 x 50 mm.
Tiene 2 tipos de alimentadores, los alimentadores (componentes de tamaño
pequeño) y en charolas (componentes mas grandes tipo QFP).
23
2.4.4 HORNO DE REFLUJO SPEEDLINE
Horno de reflujo Speedline
Electrovert / omniflo series Cookson
7 Zonas
El horno de reflujo es apto para manejar las cuatro etapas de soldadura por
reflujo: precalentamiento, activación del flux, Reflujo y enfriamiento.
2.5 SOFTWARE CAD/CAM
Un Software CAD/CAM básicamente es un programa electrónico que ayuda
a diseñar y determinar los parámetros de manufactura de un producto. El diseño,
fabricación y desarrollo de ingeniería con ayuda de computadora, comúnmente
llamado CAD/CAM (Computer Aided Desing/ Computer Aided Manufacturing), es
un concepto constituido por disciplinas que nacieron separadamente y que se han
ido mezclandogradualmente hasta conseguir una tecnología integrada. Sin
embargo, esta tecnología va usando cada día ramas de otras disciplinas las
cuales la van enriqueciendo cada vez más.
Las condiciones que debe reunir un sistema CAD/CAM pueden resumirse
básicamente en 2:
1) El sistema debe ayudar al diseñador/ingeniero/investigador a realizar
un trabajo mediante relaciones mutuamente efectivas. Es decir, la
computadora debe realizar aquellas tareas en las que es más
eficiente que el operador humano.
2) El sistema debe ayudar en todos los procesos, desde el diseño
conceptual hasta las pruebas preliminares, simulación de procesos y
manufactura del producto terminado [11].
CAD/CAM en la práctica hace uso de sistemas gráficos interactivos
combinados con técnicas de modelado geométrico, análisis de estructuras, diseño
y dibujo de detalles de piezas, simulación. El modelo geométrico de un producto
es sin duda el elemento central dentro del concepto de CAD/CAM, y consiste en la
representación del mismo en la memoria de la computadora. Todos los demás
elementos de la ayuda computacional utilizan esta descripción geométrica como
punto de partida [11].
24
Los sistemas de CAD/CAM constituyen una pieza importante en el diseño
de una fábrica automatizada, cuyo objetivo es la utilización de todos los recursos
de la empresa de forma integrada, para obtener una mejora de productividad,
calidad de los productos, y como consecuencia, competitividad. El futuro de la
empresa depende en gran manera de su automatización, por lo que la selección
de los sistemas, su implantación e integración deben ser cuidadosamente
planificados para no cometer errores que puedan retrasar la consecución de este
objetivo [11].
25
3 MODELO PARA DESARROLLAR UN PROTOTIPO
En la literatura existen modelos [12,13] que pueden seguirse en el proceso
de diseño y desarrollo de productos y prototipos. Estos modelos normalmente se
elaboran con el fin de dar orden al proceso del diseño, a partir del punto de
identificación de la necesidad hasta el punto de comercializar el producto. Sin
embargo hay que reconocer que realmente existen muchas combinaciones de
pasos en el proceso total y no hay un listado único que contenga la mejor, ni la
única combinación.
El procedimiento de diseño requerido en muchos casos puede ser muy
complejo y los equipos de trabajo con éxito han encontrado diferentes maneras de
lograr sus metas. En algunos casos un cierto grupo de trabajo con experiencia
desear alterar este esquema para hacerlo lo más adecuado a su propio método de
desarrollo.
El siguiente modelo aquí presentado para desarrollar prototipos, es una
adaptación de los procesos de diseño desarrollados por Edward V. Krick [12] y por
Joseph E. Shongley [13]. Como resultado, se sugiere considerar las siguientes
etapas como los elementos principales de un modelo para desarrollo de prototipos
de productos electrónicos.
> Identificación de una necesidad.
> Definición de la tarea (meta).
> Concepción de ideas.
> Conceptualización.
> Análisis.
> Pruebas experimentales.
> Prototipo (solución).
26
3.1 IDENTIFICACIÓN DE UNA NECESIDAD
En general, un proyecto de diseño comienza con la identificación de una
necesidad y la buena disposición de una compañía para entrar al mercado con un
producto nuevo. La identificación de la necesidad en sí representa un alto orden
de pensamiento creativo y la búsqueda de una satisfacción de la necesidad. Esto
requiere de una considerable confianza en sí mismo y de ánimo firme.
Es importante que cualquier actividad de diseño propuesta tenga objetivos
claros y definidos que justifiquen el dinero y el esfuerzo que se gastarán en el
diseño y desarrollo del producto. El enunciado que define los objetivos debe
identificar la necesidad y establecer la función que el producto va a realizar para
satisfacer dicha necesidad. La identificación de la necesidad se puede basar en
observaciones personales del diseñador, sugerencias de expertos en su campo,
encuestas de opinión o conceptos científicos nuevos. La identificación de los
problemas de diseño implícitos al crear el producto necesario viene después en el
proceso de diseño.
3.1.1 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Los objetivos principales de la formulación del problema son definir en
términos generales en qué consiste este y determinar si merece nuestra atención
y obtener una buena perspectiva del problema cuando sea más oportuno y fácil
hacerlo Es obvio que éstas son cosas que deben conocerse al principio [12]. Ver
figura 3.1.
Una tendencia común es tratar inmediatamente de hallar posibles mejoras a
la solución existente, buscando aquellas que puedan hacer más económico el
proceso.
Lo anterior es exactamente lo que no se debe hacer al atacar un problema:
meterse inmediatamente en el proceso de producir soluciones. Al proceder así se
está tratando de generar o producir soluciones a un problema que no se ha
definido todavía. En realidad, este procedimiento resultará muy costoso para quien
lo emplee.
27
Comprensión de
un problema
pop resolver
Formulación
del problema
Análisis
del problema
Decisión
Especifica eión
Zl
proceso
> de
diseño
Solución
completamente
Especificada
Figura 3. 1 Proceso de diseño [12]
Hay que examinar el problema y tratar de dar solución tratando de eliminar
sus inconvenientes y comenzar con una definición del problema y obtener
metódicamente una solución adecuada.
Debe tratarse siempre de formular un problema de modo que incluya tanto
del problema total como lo permita la situación económica y los limites de la
organización. Cuanto más se divida un problema total en subproblemas que hayan
de ser resueltos por separado, menos efectiva será probablemente la solución
final. Se deben formular problemas con amplitud. El idear una formulación amplia
de un problema es una cosa y el grado en que uno pueda aplicarla en el resto del
proceso de diseño es un asunto totalmente distinto. Se dice que un problema bien
definido está parcialmente resuelto. Esto sirve para destacar la importantísima
naturaleza de esta fase del proceso de diseño. Un problema puede formularse
con distintos grados de amplitud. Esto va desde una definición muy amplia que
28
maximiza el número y el alcance de las alternativas que pueden considerarse,
hasta una que ofrezca muy poca libertad para elegir las posibles soluciones. Entre
estos limites hay que hacer la elección.
3.1.2 ANÁLISIS DEL PROBLEMA
Para resolver el problema es necesario saber más acerca de la entrada y la
salida. Por lo tanto, durante esta etapa del proceso de diseño se determinan las
características cualitativas y cuantitativas de la entrada y la salida. Muy pocas
características de la entrada y la salida son constantes [12]. Ver figura 3.2.
Estas características dinámicas de la entrada y la salida se llaman variables
de entrada y variables de salida, respectivamente. Generalmente hay límites para
el grado en que pueden fluctuar tales variables. Para que un ingeniero pueda
resolver satisfactoriamente un problema deberá contar con estimaciones de
confianza de los valores de las variables y de las limitaciones de entrada y de
salida.
Otros hechos
y opiniones
importantes
Su
formulación
del
problema
información
ippelevante,
opciones
tradieinales,
ete.
Análisis
del problema
Definición detallada
del problema en función
de especificaciones
restricciones, criterios, ete.
Figura 3. 2 Análisis del problema [12]
29
3.1.3 RESTRICCIONES
Una restricción es una característica de una solución que se fija
previamente por una decisión, por la naturaleza, por requisitos legales o por
cualquier otra disposición que tengan que cumplir los solucionadores del
problema. Cada una de las restricciones limita las alternativas que se les
presentan a los solucionadores del problema. Algunas restricciones limitan su
elección a un intervalo de valores, otras fijan una característica de solución. Así
pues, soluciones mayores son inaceptables y cualquier otro tipo de fuente de
energía está descartado. Generalmente, tales decisiones lashace quien emplea al
ingeniero. No todas las restricciones las tiene que aceptar el ingeniero.
Por lo tanto, no tenemos que observar todas las restricciones impuestas,
generalmente con la anuencia de quienes las establecieron, pues algunas no
podrán ser atendidas y otras sólo podrán satisfacerse a un precio exageradamente
alto. Sería ingenuo suponer que todas las restricciones son decisiones óptimas
que deben aceptarse a ciegas. La mayor parte de las decisiones hechas por
ejecutivos, ingenieros y otros son subóptimas.
3.1.4 VARIABLES DE SOLUCIÓN
Las soluciones alternativas de un problema difieren en muchos aspectos.
Las formas en que pueden diferir las soluciones de un problema se llaman
variables de solución. La solución final de un problema consiste en un valor
especificado para cada una de tales variables: un cierto tamaño, una determinada
forma, etc. Es esencial que uno se cerciore de que ha entendido bien el propósito
de la determinación de las restricciones y variables de solución.
El objeto no es conocer todas las formas de restricción, sino darse cuenta
de cuáles son las formas en que no hay restricción alguna, y posteriormente
aprovechar esta libertad en la búsqueda de soluciones. Para esto es
recomendable primero identificar todas la variables de solución y luego determinar
cuales son justificadamente fijas o limitadas. En la figura 3.3 la fase de identificar
variables de solución se presenta cuando se hace la síntesis del problema.
Después de realizar el análisis de las circunstancias se busca encontrar la
solución óptima para que después de ser evaluada sea presentada y aplicada
para solucionar el problema.
30
Beeonoeimiento
de la necesidad
Definición de problema
Síntesis
Análisis y optimizaeión
Evaluación
Presentación
Figura 3. 3 Fases del diseño [13]
4.1.5 CRITERIOS Y ESPECIFICACIONES DE LA TAREA
Los criterios que se utilizan para seleccionar el mejor diseño deben de
identificarse durante el análisis del problema; el costo de fabricación, la seguridad
del personal, la confiabilidad, la facilidad de mantenimiento o conservación y otros
semejantes se aplican casi en todos los casos. Un criterio especialmente
importante afectará a los tipos de soluciones que se destacan en la búsqueda de
alternativas y este hecho debe ser conocido antes de que principie tal búsqueda.
Este es un listado de parámetros y datos que servirá para dirigir el diseño.
Comúnmente esta etapa va precedida por alguna investigación preliminar para
colectar información relacionada con la meta antes definida. Al preparar las
especificaciones de la tarea, el grupo de desarrollo enumera todos los datos
pertinentes que puedan obtenerse de los informes de la investigación, periódicos
comerciales, registros de patentes, catálogos y otras fuentes que posean
información relacionada con el proyecto propuesto. En está lista deben de estar
incluidos los parámetros que tenderán a controlar el diseño, diseño para
manufactura. Otros factores dignos de considerarse como los materiales que se
utilizarán, las máquinas y el costo también deben anotarse.
31
Para que un ingeniero pueda resolver inteligentemente un problema debe
determinar primero la utilización o uso esperado; es decir, el grado en que ha de
emplearse la solución, puesto que tal grado afecta fuertemente el tipo óptimo de
ésta. Si se especificaron piezas o componentes no usuales de alto costo y se
requieren métodos de fabricación no disponibles, estas condiciones afectan el
desarrollo óptimo. Pues en este caso el ingeniero estará fundamentalmente
interesado en la forma en que los diversos diseños afecten el costo de
manufactura.
3.2 DEFINICIÓN DE LA TAREA (metas)
La definición de la tarea es la expresión de una comisión para crear un
producto o un sistema que satisfagan determinadas necesidades. Mediante
enunciados generales, se identifican tanto el producto como las metas del
proyecto. Los enunciados deben ser claros y concisos para evitar al menos
algunas de las dificultades (a menudo encontradas en el diseño) que pueden
conducir directamente hacia atrás de unas metas definidas deficientemente.
Aun cuando es probable que la persona iniciadora del proyecto ya haya
reunido alguna información pertinente y tenga algunas ideas preconcebidas, es
preferible no incluir ese material. Es mejor presentar las metas en términos de
objetivos y entonces permitir que los diseñadores perciban el proyecto a su
manera, tan libre de restricciones como sea posible. La identificación de la tarea
debe incluirse en la proposición.
3.2.1 BÚSQUEDA DE SOLUCIONES
En esta fase del proceso de diseño uno se lanza a lo que es una verdadera
búsqueda o investigación, en la mente, en la literatura técnica y científica, y en el
mundo que nos rodea la vasta acumulación de conocimientos humanos
proporciona soluciones "ya hechas" para algunas partes de la mayoría de los
problemas. El buscar tales soluciones es un proceso relativamente directo, que
consiste en explorar nuestra memoria, consultar libros, informes técnicos, y aplicar
prácticas existentes (ver figura 3.4) [12]. Pero hay que confiar en alto grado en el
propio ingenio para resolver los diversos aspectos del problema que no son
cubiertos por el saber técnico y científico existente. Desgraciadamente, el inventar
soluciones no es un procedimiento tan directo y controlable como el de buscar las
soluciones hechas; lo anterior puede reconocerse en nuestra propia experiencia
en la resolución de problemas. Las ideas ordinariamente no se presentan de
inmediato cuando uno las desea. En consecuencia, vale la pena dedicar especial
atención a mejorar la capacidad inventiva de cada uno.
32
TJn análisis
del problema
Tase de
investí^ eión
TJna multitud
de soluciones
y soluciones parciales
Figura 3. 4 Búsqueda de soluciones posibles [12]
A continuación se presentan unas medidas que pueden maximizar el
número y el valor de las soluciones alternativas que pudieran servir para resolver
un problema determinado. En primer lugar, hay que maximizar el número y la
variedad de las soluciones de las que se pueda seleccionar la que se busca,
tomando en cuenta lo siguiente:
> Restricciones genuinas.- Es decir, algunas soluciones realmente están
fuera de los límites.
> Conocimientos limitados.- Nuestro acervo mental de hechos, a partir de los
cuales se obtienen ideas, abarca sólo una fracción de todo el conocimiento.
> Restricciones ficticias.- Injustificada y quizás inadvertidamente se descartan
algunas soluciones valiosas. En la mayoría de los casos éste es el más
restrictivo de los tres tipos de fronteras.
Hay que explorar todas las áreas de posibilidades que fundadamente puede
suponerse contienen la solución óptima y no sólo la región que rodea
inmediatamente la solución presente. Amenos que uno sea un individuo
excepcional, para lograr ese objetivo se necesitará ayuda, en forma de medidas
que sirvan para guiar la búsqueda en áreas provechosas de posibilidades de otro
modo podría pasar inadvertidas. Para este objeto se pueden usar dos tipos de
medidas: a) Utilizar un sistema para dirigir la búsqueda de muchas áreas de
33
posibilidades y b) Emplear métodos que dirijan al azar la búsqueda o la
indagación. Ambos procesos serán convenientes.
Hay una tendencia a suspender la búsqueda de soluciones antes de que
sea necesario o deseable hacerlo. Esto es probable que suceda si uno se encarga
de los detalles o de la evaluación de las soluciones. Por lo tanto; no hay que
enfrascarse en los detalles antes de lo necesario. Si uno cae presa de esta
tendencia y posteriormente se descubre una solución mejor, uno en forma
injustificada estará predispuesto en favor de la solución que ya se ha invertido
tiempo en detalles. Hay que proponer los detalles hasta que lleguen a ser
necesarios para los fines de tomar una decisión.
3.3 CONCEPCIÓN DE IDEAS
Es oportuno recordar que a menudo una solución terminal a un problema
resultó de una idea creativa seleccionada entre un conjunto de opciones. La
probabilidad matemática de encontrar una solución óptimase eleva en la medida
que crece el número de posibilidades. Las creaciones en verdad grandes son
posibles cuando uno, actuando solo o en grupo, deja su imaginación a volar a gran
altura con pocas restricciones.
Si un ingeniero asignado a un diseño puede poner a un lado su tecnología
de ingeniero y cerrar sus ojos, al menos temporalmente a los enfoques
tradicionales, está en el trance adecuado para aceptar casi cualquier desafío.
Esos son el modo y en el enfoque mental que conducen a varios descubrimientos.
Algunos los llaman concepción de ideas. Si podemos aprender a abrir
nuestras mentes de ingenieros a nuevos enfoques de nuestros problemas
técnicos, así como nuestros problemas presentes como la contaminación de aire,
los desechos industriales, el transporte y aun el desempleo, no habrá límite que
nos detenga. Este enfoque de mente abierta de la concepción de ideas a los
problemas debe ser atemperado con un sentido de responsabilidad profesional.
Ya no se puede aceptar resolver un problema inmediato con una solución que
durante años estuvo dañando el ambiente.
3.4 CONCEPTUALIZACION
La conceptualización sigue a la etapa de la ¡dea preliminar (concepción)
una vez que todos los bocetos aproximativos y las notas se han agrupado y
revisado para determinar cuál o cuales soluciones aparentes son dignas de
consideración ulterior. Al evaluar soluciones alternas, deben considerarse todas
las restricciones impuestas al diseño final. En esta etapa del diseño los esbozos
34
preliminares deben volverse a estudiar para que todas las ideas importantes se
incluyan y que ninguna pase inadvertida. En ningún momento durante esta fase el
diseñador debe pensar que no se siente libre para desarrollar, de ser necesario,
otra idea nueva casi por completo y por un concepto diferente. Debe darse cuenta
de que es más conveniente alterar o incluso abandonar un concepto en esta
etapa, que después, cuando se hayan invertido cantidades considerables de
dinero y tiempo en el proyecto. La etapa de conceptualización de diseño es la
etapa donde se desarrollan otras soluciones y se les evalúa en forma de
conceptos. Puede necesitarse una cantidad considerable de investigación y las
especificaciones de la tarea deben ser revisadas frecuentemente. Conforme la
actividad progresa, se hacen muchos bocetos de las ideas a medida que se
trabaja en otros enfoques que se evalúan para determinar la mejor oportunidad
posible del éxito del producto. No es necesario en esta etapa del procedimiento de
diseño trabajar con gran detalle ninguna de las soluciones opcionales.
A medida que el diseño de un producto o sistema progresa, se llega a un
punto en el procedimiento donde se necesita seleccionar el mejor concepto de
diseño que se vaya a presentar a los administradores en forma de proposición. Al
hacer esta elección final, se hace una evaluación más o menos completa del
diseño para cada uno de los conceptos opcionales puestos a consideración. Estas
evaluaciones pueden revelar formas en que los costos pueden reducirse y el valor
mejorarse; también pueden darse a conocer los medios de simplificar el diseño
para reducir costos.
3.5 ANÁLISIS DEL DISEÑO
Después de escoger un concepto de diseño como la mejor solución posible
al problema planteado, debe someterse a un análisis de diseño; es decir, debe
probarse en términos de las leyes físicas y evaluarse a la luz de ciertos factores de
diseño y manufactura que casi con certeza estarán presentes.
El análisis total de un diseño propuesto incluirá una revisión de los
principios de ingeniería implicados y un estudio de los materiales que serán
utilizados. Además, debe haber una evaluación de consideraciones de diseño
como (1) las condiciones ambientales en las que operará el dispositivo; (2)
factores humanos; (3) métodos de producción posibles y problemas de
producción; (4) métodos de ensamble; (5) requerimientos de mantenimiento;
(6) costo, y (7) estilo y atractivo comercial.
Se deben considerar todas las probables entradas y salidas de cada fase
(ver figura 3.5) donde se detecten todos los detalles que intervienen en el
problema [13] y de esta forma facilitar la solución del mismo al tener un panorama
más amplio.
35
En esta etapa del proceso de diseño la física, la química y las ciencias de la
ingeniería se utilizan en mayor extensión. Si el diseño se basa en principios
científicos descubiertos recientemente, debe de haber alguna investigación
metódica antes de llegar a una decisión. Al analizar el diseño usual, el ingeniero o
tecnólogo de ingeniería y manufactura debe depender del entrenamiento formal
que haya recibido en la escuela y aunque puede necesitarse muchas matemáticas
para realizar la mayor parte de los cálculos necesarios, encontrará que es útil en
ocasiones recurrir a los métodos gráficos. A través de los años, los métodos
gráficos han probado ser los más útiles en la evaluación y desarrollo de un diseño.
Por ejemplo, se pueden emplear los métodos de la geometría descriptiva para
hacer análisis espacial y se puede obtener información crítica mediante las
escalas de dibujos exactos.
Figura 3. 5 Fases del proceso que muestran las probables entradas y salidas de
cada fase [13]
Si el análisis de diseño probara que el diseño según se haya propuesto es
inadecuado y no satisface los requerimientos, entonces el grupo de desarrollo
puede hacer ciertas modificaciones, o bien incorporar en su diseño algún concepto
nuevo que pudiera ser la modificación de una idea temprana abandonada durante
el proceso.
Entre las diversas soluciones de un problema de ingeniería habrá algunas
que sean relativamente complicadas; otras serán bastante simples pero no menos
eficaces que las más complicadas. Esto es una buena ingeniería. Como es usual
las creaciones relativamente simples son de fabricación económica, de fácil y
barato manejo y mantenimiento, y altamente confiables. En consecuencia, bien
vale la pena esforzarse por conseguir la sencillez. No hay que conformarse hasta
que se hayan simplificado al máximo grado factible los mecanismos, circuitos,
método de operación, procedimientos de conservación y otras características de
36
una solución. Por lo general hay una gran diferencia entre una solución practicable
en el momento que es ideada y la misma solución después que ha sido
efectivamente simplificada. Cuando una solución nuestra ha alcanzado este
estado simple, puede considerarse, por lo general, que se ha hecho un buen
trabajo.
3.6 PRUEBAS EXPERIMENTALES
La fase de pruebas experimentales del proceso de diseño va desde la
prueba de una sola pieza de software o hardware hasta la verificación de su
vialidad, durabilidad, o características operativas a través de la construcción y
prueba de un prototipo en tamaño real del sistema físico completo.
Una componente de un producto debe probarse de modo que el diseñador
pueda predecir su durabilidad y funcionamiento en las condiciones que se
encontrará en su utilización real. Se pueden efectuar las pruebas necesarias
mediante aparatos de pruebas estándar o dispositivos especiales producidos para
una prueba en particular. Hay un tipo de modelo que se puede construir con el fin
de probar y evaluar un producto, el prototipo.
3.7 PROTOTIPOS
Un prototipo es la forma más avanzada ( y cara) de modelo que pueda
construirse para propósitos experimentales. No obstante, puesto que rendirá
información valiosa difícil de obtener por otro medio, su costo suele justificarse.
Puesto que un prototipo es un modelo de trabajo en tamaño real de un sistema
físico construido de acuerdo con especificaciones finales, representa el paso final
de una etapa experimental.
En el prototipo, los diseñadores y estilistas ven a sus ideas cobrar vida. De
un prototipo los diseñadores pueden obtener información necesaria para los
procedimientos de producción en masa que vendrán después. En este punto
puede aprenderse mucho respecto a la viabilidad, durabilidad, técnicas de
producción, procedimientos de ensamble y, lo más importante, funcionamiento en
las condiciones de operaciónreales. Puesto que las pruebas en el prototipo
ofrecen la última oportunidad para modificar el diseño, los cambios posibles que
mejoren el diseño no debe omitirse, ni debe el diseñador ser reacio a hacer un
cambio deseable.
Puesto que un prototipo es un modelo de clase de modelos de trabajo, se
elabora empleando lo mayor posible las mismas máquinas que se utilizan para
37
producción automática. Aunque puede ser mejor utilizar los mismos materiales
que se emplearán en el producto producido en masa, esto no siempre se hace.
En el desarrollo de un diseño, el diseñador trata primero con software CAD;
a continuación ataca problemas específicos relativos a características unitarias
con simulaciones preliminares; entonces evalúa el diseño, y por último, si lo
desea, puede probar la concepción total usando un prototipo. En este orden el
uso de los modelos mantiene una relación satisfactoria entre concepto y análisis y
representa un procedimiento lógico en el proceso de diseño total.
38
4 DISEÑO PARA MANUFACTURA ELECTRÓNICA
Diseño para manufactura es el resultado de un proceso de comunicación
iterativo (ingeniería concurrente) que toma lugar entre las áreas de diseño y de
manifactura, enfocándose a mejorar el producto desarrollado para el cliente. Es el
diseño de un producto para un ensamble sencillo. El ensamble no debe presentar
problemas de manejo, inserción o aseguramiento [14]. Con este tipo de diseño no
se deben de tener muchos problemas en manufactura y se deben de tener
tiempos de fabricación óptimos.
En esta investigación se analizan las condiciones de la industria mexicana
en cuanto al desarrollo de productos electrónicos con tecnología SMT. La
manufactura electrónica nos proporciona los requerimientos necesarios para
diseñar y poder fabricar una tarjeta electrónica. A continuación se presentan
puntos importantes para el diseño ya que es uno de las etapas más importantes
para el desarrollo de un producto.
4.1 ASPECTOS DE DISEÑO
Muchos factores han contribuido a la evolución de la Tecnología de
Montaje Superficial, como son la utilización de componentes complejos y la
automatización en ensambles.
El diseño de una tarjeta impresa para Tecnología de Montaje Superficial
debe ser un proceso interactivo en el cual se deben de predefinir los materiales y
métodos de manufactura, (estructura del circuito, tarjeta rígida o flexible,
tolerancias, posicionamiento, procesos de ensamble, etc).
4.1.1 PLANEACION PARA EL DISEÑO DE MONTAJE
SUPERFICIAL
SMT es un proceso de manufactura que a través de la miniaturización
permite mayor densidad de componentes electrónicos en un PCB. Este proceso
39
ofrece a la vez la producción en alto volumen y una mínima labor manual al usar
líneas de ensamble automáticas.
Componentes, equipos de ensamble y materiales deben responder a las
expectativas y necesidades de cantidad y calidad. Debido a la gran variedad de
fabricantes existentes que se relacionan con SMT, existen varias normas que
estandarizan y hacen compatibles los sistemas, componentes y equipos. Normas
como JEDEC (Joint Electronic Device Engineering Council), EIA (Electronic
Industry Association), y EIAJ (Electronic Industry of Japan) hacen esto posible.
El diseñador de una tarjeta impresa (PCB) para SMT en general es quien
tiene la oportunidad de transformar la idea no tangible de un diagrama y
esquemático electrónico en un producto físico y funcional. Cuando el diseño de
una tarjeta está terminado, debe revisarse de acuerdo al diseño aplicado. Para
esto son utilizados los siguientes tipos o clasificaciones de diseño:
> Diseño para manufactura (DFM).
> Diseño para ensamble (DFA).
> Diseño para prueba (DFT).
> Diseño para rendimiento (DFP).
> Diseño para confiabilidad (DFR).
> Diseño para seguridad (DFS).
> Diseño para reciclaje (DFR).
4.1.2 CLASIFICACIÓN DE PRODUCTOS ELECTRÓNICOS
La planeación y el desarrollo de un producto debe ser realizada por los
expertos de cada área y con amplia comunicación. Para desarrollar un nuevo
producto el equipo de trabajo debe entender la categoría o clasificación que
corresponde al producto que se desea diseñar o que se encuentra en diseño.
En la industria se hace referencia a la producibilidad, complejidad,
frecuencia de verificación y rendimiento del producto para definir diferentes
categorías de productos. Por ejemplo en los Estados Unidos, el IPC (Institute for
Interconnectíng and Packaging Electronic Circuits) define el uso de tres categorías
básicas [15]. Las categorías son Clase 1, Clase 2 y Clase 3. En estas categorías
se incluyen Productos Electrónicos Generales (Clase 1), Productos Electrónicos
de Servicio Dedicado (Clase 2) y Productos Electrónicos de Alta Confiabilidad y
Precisión (Clase 3).
Estas categorías básicas también han sido adoptadas o reconocidas por la
comunidad internacional. Por ejemplo a IEC (International Electrotechnical
40
Commission), pero en lugar de ser denominadas en Clases las clasifican en
Niveles; Nivel A, Nivel B y Nivel C. El diseño de un PCB siempre influirá en su
rendimiento, por eso es importante entender que tipo de funcionamiento y
requerimiento es el que tiene nuestra tarjeta, y para ello es conveniente identificar
que clasificación es la adecuada para nuestro PCB.
Productos Electrónicos Generales (IPC Clase 1 o IEC Nivel A)
Esta categoría incluye productos de consumo general, como
computadoras o periféricos, y para aplicaciones donde lo cosmético no es tan
importante, donde el mayor requerimiento es la función del PCB o ensamble.
Donde el mayor requerimiento es la función del ensamble completo.
Productos Electrónicos Dedicados a Servicio (IPC Clase 2 o IEC Nivel B)
Incluye equipo de comunicaciones, máquinas sofisticadas para negocios,
máquinas de alto rendimiento y larga vida útil, equipo de instrumentación y equipo
de servicio que debe operar sin interrupción, pero que si falla no es crítico.
Productos Electrónicos de Alto Rendimiento (IPC Clase 3 o IEC Nivel C)
Esta categoría incluye productos de alto grado comercial, pero que
proporcionan un gran rendimiento, funcionamiento continuo y prolongado ya que
su demanda es crítica. Como equipo de emergencia, soporte y adecuado para
ambientes extremos [8].
4.1.3 PLANEACION PARA ENSAMBLE EN SMT
Realizar una planeación cuidadosa para el desarrollo de un producto
garantizará lograr los niveles de calidad, confiabilidad y costos deseados. Para
una mayor reducción de costos y confiabilidad es adecuado seguir los siguientes
puntos:
> Uso de componentes electrónicos estándar.
> Comprensión de las normas de layout y diseño.
> Adaptación de los patrones de geometría estándar.
> Realizar un adecuado espaciamiento de los dispositivos.
> Diseñar para automatización.
41
En las consideraciones que se deben realizar para el desarrollo de
prototipos en SMT, la mayoría se refieren a la parte de diseño, donde se debe
tomar en cuenta las características de las máquinas y materiales con los que se
van a realizar las corridas de pruebas y de producción.
4.1.4 DIMENSIONES DE TARJETA (PCB)
El tamaño de la tarjeta es muy importante debido a que las máquinas tienen
tamaños específicos de trabajo, se debe realizar un diseño cuya densidad de
componentes sea adecuado para estas especificaciones. Las colocadoras
Panasonic y Siemens tienen las siguientes especificaciones para el área en la que
pueden colocar componentes.
> Tamaño mínimo de tarjeta: 50 mm largo x 50 mm ancho
> Tamaño máximo de tarjeta: 330 mm largo x 250 mm ancho
Para impresión también existe un tamaño máximo ya que la impresora tiene
una capacidad limitada para aplicar la pasta (Impresora Panasonic):
> 330 mm largo x 242 mm ancho
El espesor de tarjeta debe estar entre .5 mm mínimo y 4 mm máximo.
4.1.5 DISTRIBUCIÓN DE COMPONENTES Y RUTEO
Es importante tener una adecuada distribución de los componentes en la
tarjeta, procurando siempre tener una densidad constante en toda la tarjeta y no
tener concentraciones dentro de la misma. Es conveniente hacer la distribución de
componentes por medio de grupos funcionaleso bloques. El ruteo es conveniente
que se realice en ambas caras (varias capas) de la tarjeta ya que así se minimiza
la complejidad para la distribución de los componentes evitando interferencias.
La separación entre componentes depende de los dispositivos o
empaquetados en cuestión. Se debe respetar el espacio especificado entre
componentes para inspección de soldadura y posible retrabajo si este es
requerido. Las recomendaciones de la práctica sugieren un mínimo de 0.040" de
espaciamiento.
Es conveniente que todos los componentes y principalmente los que son
similares, tengan la misma orientación ya que así se incrementa la eficiencia del
42
ensamble. La orientación se mide en grados y depende de la distribución y tamaño
de tarjeta.
4.1.6 SELECCIÓN DE COMPONENTES Y EMPAQUETADOS
ESTÁNDAR
Es importante utilizar dispositivos cuyos empaquetados sean estándar y
comerciales ya que esto facilita una mejor adquisición en el mercado y una mejor
edición en CAD. Como ejemplo de empaquetados estándar existentes están los
QFP, BGA, PLCC, SOIC, SOJ, SOT, MELF entre otros.
La selección de componentes y empaquetados comienza con la revisión de
fabricantes y distribuidores. Se debe tratar de seleccionar siempre de las listas
actualizadas o más recientes, teniendo en cuenta siempre la disponibilidad de los
mismos. El diseñador debe tener conocimientos de los procesos de manufactura
para SMT para que no afecten el desarrollo del producto y no se tengan
contratiempos, porque una selección errónea de un componente puede retrasar la
fabricación del prototipo al tener que esperar la adquisición del componente
correcto.
4.1.7ALIMENTADORES
Existen diferentes formas para alimentar las máquinas colocadoras SMT,
siendo las principales Bulk, Tape and Reel, Tube magazine y Tray Feeders. La
línea SMT-ITESM tiene la capacidad de trabajar con dos formas de alimentar
componentes: por medio de Tape and Reel y por Tray Feeders. Se debe buscar
que los componentes SMT que se utilizarán para el desarrollo de una tarjeta sean
apropiados para esta forma de alimentación así como la forma en que serán
presentados o entregados por el proveedor. Un proveedor reconocido para
componentes SMT es Digi-key (www.diqikey.com).
4.1.8 FIDUCIALES
Para la automatización del ensamble y colocación de componentes se
deben utilizar fiduciales, las cuales son marcas que sirven para orientar y
referenciar la colocación de los componentes. Para una tarjeta (forma global) se
recomienda usar tres fiduciales y para los componentes dependiendo de su
tamaño o empaquetado (forma local) se pueden utilizar de uno a tres fiduciales.
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4.1.9 "LAND PATTERN O FOOT PRINTS"
Land Pattern o Foot print son los pads ó configuración de pads
correspondientes sobre los cuales son soldados los componentes. Sus
dimensiones están definidas adecuadamente para el proceso de soldadura y son
características de cada empaquetado. Cada empaquetado SMT tiene un Land
Pattern o Foot print definido para el proceso de soldadura. Para la utilización
adecuada de un Land Pattern hay que hacer referencia a normas [15] (como las
normas IPC-SM-782A y J-STD-001) las cuales nos especifican las dimensiones
recomendadas. La mayoría de los fabricantes en sus hojas de especificaciones
presentan los Land Pattern's recomendados bajo las normas anteriores.
Muchas veces al estar realizando el diseño electrónico en CAD, se presenta
el problema de no contar con las librerías para cierto componente y empaquetado.
Entonces es necesario generarlas por medio de una edición de una librería
existente o generarla completamente. Para esto es conveniente utilizar las
medidas recomendadas por el fabricante o por la norma. El tiempo para generar
una nueva librería puede tener de 1 a 8 días según la complejidad el caso.
4.1.10 DISEÑO PARA PRUEBA
Dependiendo de la funcionalidad del circuito y de la capacidad del diseño
dimensionalmente, las tarjetas en su mayoría cuentan con "pads" y "via hole's"
para hacer pruebas eléctricas (Contact to vía pad), generalmente con medidas de
0.025" de distancia del pad y con un trazo de unión estrecho [4]. Estas
extensiones de pad's para realizar pruebas se deben considerar desde el diseño,
ya que de lo contrario la etapa de pruebas eléctricas puede ser más extensa de lo
necesario.
4.1.11 DISEÑO PARA MANUFACTURA
Cuando se planea el desarrollo de una tarjeta, el diseño es una etapa sin
duda importante y crítica, ya que cualquier detalle que pase desapercibido nos
puede afectar retrasando e incluso impidiendo el desarrollo de la tarjeta.
Una dimensión importante en el diseño de una tarjeta es la medida entre los
componentes extremos y la orilla de la tarjeta, ya que se debe respetar un espacio
entre los componentes y la orilla de tarjeta para que no se afecte el avance a
través de los transfers o conveyors. Como mínimo se deben dejar 3 mm pero se
prefiere que sean 5 mm de espacio.
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4.1.12 SELECCIÓN DE MATERIALES
Aquí se presentan los materiales que típicamente se utilizan para fabricar
tarjetas (PCB) y que son adecuados para la línea SMT-ITESM. Hay que tomar en
cuenta que existen más.
Material de Tarjeta - FR4, 0.5 Oz, copper, (una o doble cara)
Grosor de laminado (Thickness) - 0.062"
Tooling Holes- 0.125"
Soldermask- LPI
Acabado (Finish) - SMOBC/HASL
4.1.13 ARCHIVOS GERBER
Los archivos gerber necesarios para fabricar y ensamblar una tarjeta y
esténcil son los siguientes (PCB y esténcil).
> Top.
> Bottom.
> Apertura.
> Drill tool size.
> Drill.
> Silkscreen.
> Soldermask.
4.2 INGENIERÍA CONCURRENTE
Existen varias definiciones de ingeniería concurrente (IC), destacando las
siguientes:
> La ingeniería concurrente es definida como el diseño y desarrollo simultáneos
de todos los procesos e información necesaria para la manufactura, venta,
distribución y servicio de un producto [16].
> Ingeniería concurrente es una metodología para el desarrollo de un producto
que rápidamente está siendo aceptada por la industria, gobierno e
instituciones. También se conoce como ingeniería simultánea, diseño
concurrente o desarrollo del producto integrado y contiene conceptos tales
como diseño para manufactura, administración total de calidad, ingeniería del
ciclo de vida, e integración del producío-proceso [17].
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> Ingeniería concurrente es la adquisición, difusión, y aplicación simultánea de la
información multi-disciplinaria durante el diseño del producto [18].
> La ingeniería concurrente es un enfoque integrado del desarrollo del producto
que pone énfasis en las expectativas del cliente por medio de la producción de
productos de alta calidad, con mayor rapidez y un menor costo. Apoya los
valores de trabajo multidisciplinario en equipo como son la cooperación, la
confianza, el compartir e intercambiar los conocimientos y la información, de tal
manera que la toma de decisiones proceda con énfasis en la consideración
simultánea, durante la etapa del diseño, de todos los aspectos del ciclo de vida
del producto [19j.
> Ingeniería concurrente es una filosofía dirigida hacia la integración del
desarrollo del producto con base en un enfoque total al cliente para satisfacer
sus requerimientos con un producto de mayor calidad, a menor costo y en
menor tiempo. Apoya los valores de cooperación y confianza a través del
trabajo de un equipo multidisciplinario en el cual se comparte la información y
conocimientos de todo el desarrollo del producto de una empresa, se considera
simultáneamente a todas las actividades del ciclo de vida del producto y se es
responsable a lo largo de todo el desarrollo del producto [20].
4.2.1 OBJETIVOS DE LA IC
> Desarrollar productos de alta calidad a menores precios e introducirlos al
mercado más rápido.
> Mejorar el proceso de desarrollo de productos y prototipos existentes y nuevos.
> Lograr la satisfacción total del cliente en términos de calidad, costo y tiempo.
> Reducir incertidumbre y fallas y mejorar las capacidades competitivas de una
organización.
> Realizar efectos significativos en la innovación del producto, calidad y
capacidad