ENSAMBLE Y ENCAPSULADO DE DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS
ENCAPSULADO DE DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS
El encapsulado de dispositivos electrónicos es el medio físico mediante el cual los componentes de un sistema se interconectan eléctricamente y hacen interfaz con los dispositivos externos; esto incluye la estructura mecánica que sostiene y protege al sistema de circuitos.
Un encapsulado bien diseñado para un dispositivo electrónico tiene las siguientes funciones: 1) distribución de la energía e interconexión de las señales, 2) soporte estructural,
3) protección del circuito contra riesgos físicos y químicos en el ambiente, 4) disipación
del calor que generan los circuitos y 5) retrasos mínimos en la transmisión de las señales
dentro del sistema.
Para sistemas complejos que contienen muchos componentes e interconexiones, el
encapsulado de dispositivos electrónicos se organiza en los niveles que comprenden una
jerarquía de encapsulado, la cual se ilustra en la figura 36.1 y se resume en la tabla 36.1. El
nivel más bajo es el nivel cero, que se refiere a las interconexiones en el chip semiconductor. El chip encapsulado, que consiste en el CI dentro de un paquete plástico o cerámico
conectado a las terminales, constituye el primer nivel del encapsulado.
Los chips encapsulados y otros componentes se ensamblan en un tablero de circuitos impresos (PCB, por sus siglas en inglés) utilizando una de dos tecnologías: 1) tecnología de inserción (PIH, por sus siglas en inglés) o 2) tecnología de montaje superficial (SMT, por sus siglas en inglés). Los estilos de encapsulado de los chips y las técnicas de ensamble son diferentes para la PIH y para la SMT. En la mayoría de los casos, ambas tecnologías de ensamble se utilizan en el mismo tablero. El ensamble de los tableros de circuitos impresos representa el segundo nivel de encapsulado. En la figura 36.2 se muestra una serie de ensambles de tableros de circuitos impresos de los tipos PIH y SMT.
Los PCB ensamblados se conectan a su vez a un chasis o a otra estructura; éste es el tercer nivel de encapsulado. Este tercer nivel puede consistir en un estante que contiene los tableros, y usa cables de alambrado para establecer las interconexiones. En sistemas electrónicos grandes, como grandes computadoras, los PCB comúnmente se montan en un tablero de circuitos integrados más grande, llamado back plane, que tiene trayectorias de conducción para permitir la interconexión entre los tableros más pequeños que se unen a él. Esta última configuración se conoce como de tarjeta en tablero (COB, por sus siglas en inglés); los tableros de circuitos impresos más pequeños se denominan tarjetas y el back plane es el tablero.
El cuarto nivel de encapsulado consiste en la instalación de alambres y cables dentro del gabinete que contiene al sistema electrónico. Para sistemas de complejidad relativamente baja, el encapsulado puede no incluir todos los niveles posibles de la jerarquía.
TABLEROS DE CIRCUITOS IMPRESOS
Un tablero de circuitos impresos consiste en una o más capas de material aislante, con líneas delgadas de cobre en una o en ambas superficies, que conectan entre sí los componentes que se fijan al tablero. En tableros que tienen más de una capa, las trayectorias conductoras de cobre se intercalan entre las capas. Los PCB se utilizan en los sistemas electrónicos encapsulados para contener a los componentes y proporcionar conexiones eléctricas entre ellos y los circuitos externos. Se han convertido en las partes estándar fundamentales de casi todos los sistemas electrónicos que contienen los CI encapsulados y otros componentes (nota histórica 36.1). Los PCB son tan importantes y se utilizan con tanta amplitud porque 1) proporcionan una plataforma estructural adecuada para los componentes, 2) es posible producir en forma masiva un tablero con interconexiones adecuadamente direccionadas de manera consistente, sin la variabilidad que se asocia con la colocación del alambrado a mano, 3) casi todas las conexiones de soldadura suave entre los componentes y el tablero de circuitos impresos se realizan en una operación mecánica de un solo paso, 4) un tablero de circuitos impresos ensamblado proporciona un rendimiento confiable y 5) en los sistemas electrónicos complejos, es posible extraer cada tablero de circuitos impresos para servicio, reparación o remplazo.
Estructuras, tipos y materiales para los PCB
Un tablero de circuitos impresos (PCB), también denominado tablero de alambrado impreso (PWB), es un panel plano chapeado con material aislante, diseñado para proporcionar conexiones eléctricas entre los componentes electrónicos que se encuentran en él. Las interconexiones se realizan a través de pistas delgadas conductoras sobre la superficie del tablero o en capas alternas que se intercalan entre las capas del material aislante. Las trayectorias conductoras se hacen de cobre y se denominan pistas. También se encuentran en la superficie del tablero otras áreas de cobre, denominadas islas, para unir y conectar eléctricamente los componentes.
Los materiales aislantes en los PCB son usualmente compuestos de polímeros reforzados con tramas de vidrio o papel. Los polímeros incluyen los epóxicos (los más utilizados), los fenólicos y las poliimidas. El vidrio E es la fibra usual para el reforzamiento del vidrio, especialmente en los PCB epóxicos; el papel es una capa común de reforzamiento para los tableros de fenol. El espesor usual de la capa de sustrato está dentro del rango de 0.8 a 3.2 mm (0.031 a 0.125 in) y el espesor de las capas de cobre mide alrededor de 0.04 mm (0.0015 in). Los materiales que forman la estructura del PCB deben encontrarse aislados eléctricamente, ser fuertes y rígidos, resistentes a las deformaciones, de dimensiones estables, resistentes al calor y deben retardar la flama. Con frecuencia se agregan productos químicos al compuesto de polímeros para obtener las últimas dos características.
Existen tres tipos especiales de tablero de circuitos impresos, como se muestra en la figura 36.3: a) tablero de un solo lado, en el cual la capa de cobre se encuentra únicamente en un lado del sustrato aislante; b) tablero de dos lados, en el cual el revestimiento de cobre se encuentra en ambos lados del sustrato y c) tablero de multicapas, que consiste en capas alternadas de revestimiento conductor y aislante. En las tres estructuras, las capas aislantes se construyen con varias cubiertas de vidrio epóxico (u otro compuesto) adheridas juntas, de modo que formen una estructura fuerte y rígida. Los tableros de multicapas se utilizan para ensambles de circuitos complejos en los cuales debe interconectarse un gran número de componentes con muchas pistas, por lo que se requiere más pistas conductoras de las que se pueden colocar en una o dos capas de cobre. Los tableros de cuatro capas son la configuración de tableros de multicapas más común, pero se producen tableros de hasta 24 capas conductoras.
Producción de los tableros iniciales
Los tableros de un solo lado y de dos lados pueden adquirirse con los proveedores que se especializan en la producción masiva de éstos en tamaños estándares. Después, los tableros pasan a través de un proceso particular con un fabricante de circuitos para crear el patrón de circuito específico y el tamaño de tablero para una aplicación determinada. Los tableros de multicapas se fabrican a partir de tableros estándar de un solo lado y de dos lados. El fabricante del circuito procesa los tableros de manera separada para formar el patrón de circuitos requerido para cada capa de la estructura final, y después los tableros individuales se unen con capas adicionales de material epóxico. El procesamiento para tableros de multicapas requiere más pasos y es más costoso que el de otros tipos de tableros; la razón de utilizarlos es que proporcionan un mejor rendimiento en sistemas grandes que el uso de un gran número de tableros de baja densidad y de una construcción más simple.
El revestimiento de cobre que se utiliza para cubrir los tableros iniciales se produce mediante un proceso continuo de electroformado (sección 29.1.2), en el cual un tambor metálico suave giratorio se sumerge parcialmente en un baño electrolítico que contiene iones de cobre. El tambor es el cátodo del circuito, lo cual provoca que el cobre cubra su superficie. Conforme el tambor gira y sale del baño, el delgado revestimiento de cobre se extrae de su superficie. El proceso es ideal para producir el delgado revestimiento de cobre que necesitan los PCB.
La producción de los tableros iniciales consiste en un método que aplica presión a varias capas de fibra de vidrio entrelazadas e impregnadas con epóxico parcialmente curado (u otro polímero termofijo). El número de hojas que se utilizan en el arreglo inicial determina el espesor del tablero final. Se coloca el revestimiento de cobre en uno u ambos lados de la pila de vidrio epóxico laminado, dependiendo de si se van a producir tableros de un solo lado o de dos lados. En los tableros de un solo lado se utiliza una fina película de protección en un lado, en lugar del revestimiento de cobre, para evitar que el epóxico se pegue en el momento de aplicarle presión. La presión se obtiene entre las dos capas calentadas al vapor de una prensa hidráulica. La combinación del calor y la presión compacta y cura las capas de vidrio epóxico para unirlas y endurecerlas, formando un tablero de una sola pieza. Después, el tablero se enfría y se lija para remover los excesos de epóxico que hayan escurrido por las orillas.
El tablero completo consiste en un panel de epóxico y un tejido de fibra de vidrio, con revestimiento de cobre sobre su superficie en uno o ambos lados. Ahora está listo para el fabricante de circuitos. Los paneles usualmente se producen con anchuras estándares, diseñados para ser compatibles con los sistemas de manejo de tableros en los equipos de soldado suave en olas, para las máquinas de inserción automáticas y otros elementos para el procesamiento y ensamble de tableros de circuitos impresos. Si el diseño electrónico requiere un tamaño más pequeño, pueden procesarse varias unidades juntas en el mismo tablero para después ser separadas.
Procesos usados en la fabricación de los PCB
El fabricante de circuitos emplea una serie de operaciones de procesamiento para producir un tablero de circuitos impresos terminado, listo para el ensamble de los componentes. Las operaciones incluyen la limpieza, el corte con cizalla, el perforado o taladrado de orificios, el copiado de patrones, el ataque químico y la deposición electrolítica y no electrolítica. La mayoría de estos procesos se ha analizado con anterioridad. En ésta se da énfasis a los detalles de relevancia para la fabricación de PCB. El análisis sigue aproximadamente el orden en el que los procesos se realizan sobre el tablero. Sin embargo, existen diferencias en la secuencia de procesamiento entre distintos tipos de tableros y se examinarán esas diferencias en la sección 36.2.4. Algunas de las operaciones en la fabricación de PCB deben realizarse bajo condiciones de una sala limpia para evitar defectos en los circuitos impresos, especialmente en tableros con detalles y pistas finos.
Preparación del tablero La preparación inicial del tablero consiste en el corte, fabricación de los orificios y otras operaciones de formado para crear rebordes, ranuras y características similares del tablero. Si es necesario, el panel inicial debe cortarse al tamaño adecuado para tener compatibilidad con el equipo del fabricante de circuitos. Las perforaciones, que también se conocen como orificios para herramientas, se hacen mediante taladrado o perforado y se utilizan para posicionar el tablero durante el procesamiento subsecuente. La secuencia de pasos de fabricación requiere un alineamiento muy cercano de un proceso con el otro, y estos orificios se utilizan con pines localizadores en cada operación para obtener un registro exacto. Usualmente son suficientes tres perforaciones para herramientas por tablero; el tamaño de la perforación es aproximadamente de 3.2 mm (0.125 in), más grande que las perforaciones para los circuitos que se harán después.
De manera típica, durante la fase de preparación se aplica al tablero un código de barras para identificarlo. Por último, se utiliza un proceso de limpieza cuyo fin es remover la suciedad y la grasa de la superficie del tablero. Pese a que los requerimientos de limpieza no son tan estrictos como en la fabricación de circuitos integrados, las pequeñas partículas de suciedad o polvo pueden causar defectos en el patrón de circuitos de un tablero de circuitos impresos, y las películas superficiales de grasa pueden inhibir el ataque químico u otros procesos químicos. La limpieza es esencial para la fabricación consistente y confiable de los PCB.
Taladrado de orificios Además de las perforaciones para herramientas, se requieren perforaciones funcionales para los PCB como 1) orificios de inserción para insertar las terminales de los componentes en los tableros con inserción, 2) orificios guía, las cuales están chapeadas con cobre y se utilizan como trayectorias conductoras que van de un lado a otro del tablero y 3) orificios para asegurar ciertos componentes, como los disipadores de calor y los conectores para el tablero. Estos orificios se taladran o punzonan, utilizando los orificios de herramienta para su ubicación. Mediante el taladrado se producen perforaciones más limpias, pero se obtiene una mayor velocidad de producción mediante el punzonado. El requerimiento de calidad parece dominar la elección, y la mayoría de los orificios en la fabricación de PCB se taladran. En la misma operación puede taladrarse una pila de tres o cuatro paneles, utilizando un taladro de pie controlado numéricamente por computadora (CNC), el cual recibe instrucciones de programación de la base de datos de diseño. Para trabajos de alta producción, algunas veces se utilizan taladros de ejes múltiples, permitiendo que todas las perforaciones en el tablero se hagan con un solo movimiento de alimentación.
Las perforaciones de los orificios se taladran utilizando brocas espirales estándar (sección 23.3.2), pero la aplicación tiene un número de demandas inusuales sobre la broca y el equipo de taladrado. Posiblemente, el problema más grande sea el pequeño tamaño de los orificios en los tableros de los circuitos impresos; el diámetro del taladro es generalmente menor que 1.27 mm (0.050 in), pero algunos tableros de alta densidad requieren tamaños de orificios de 0.15 mm (0.006 in) o incluso menores [7]. Esas pequeñas brocas de taladro carecen de fuerza y su capacidad para disipar el calor es baja.
Otra dificultad es el material de trabajo único. La broca debe pasar primero por un revestimiento metálico fino y después a través de un compuesto de cristal-epóxico abrasivo. Normalmente se requieren brocas diferentes para estos materiales, pero en el caso del taladrado de tableros de circuitos impresos, una sola broca debe ser suficiente. El pequeño tamaño del orificio, combinado con el apilamiento de varios tableros o el taladrado de tableros de multicapa, da por resultado una alta relación de profundidad a diámetro, y el problema se agrava cuando se extrae el chip del orificio. Otros requerimientos que se aplican a la operación incluyen una alta exactitud en la ubicación de las perforaciones, paredes suaves en los orificios y ausencia de rebaba en éstos. La rebaba usualmente se forma cuando la broca perfora o sale de un orificio; con frecuencia se colocan cubiertas de algún material sobre la superficie y en la parte inferior de la pila de tableros para evitar la formación de rebabas en éstos.
Por último, debe utilizarse cualquier herramienta de corte a cierta velocidad de corte para operar con mayor eficiencia. Para una broca, la velocidad de corte se mide conforme el diámetro. Para brocas muy pequeñas, esto significa velocidades de rotación extremadamente altas, de hasta 100 000 rev/min en algunos casos. Para obtener estas velocidades se requiere de cojinetes de mandril y motores especiales.
Copia de un patrón de circuitos y ataque químico Existen dos métodos básicos por medio de los cuales el patrón del circuito se transfiere a la superficie de cobre en el tablero: la serigrafía y la fotolitografía. Ambos métodos implican el uso de un recubrimiento resistente sobre la superficie del tablero, que determina en qué partes ocurrirá el ataque químico sobre el cobre, para crear las pistas e islas del circuito.
La serigrafía fue el primer método que se utilizó para los tableros de circuitos impresos. De hecho es una técnica de impresión, y es posible que el término de tablero de circuitos impresos se deba a este método. En la serigrafía (también denominada filtrado de pantalla), se coloca sobre el tablero un esténcil de malla o pantalla que contiene el patrón del circuito y se presiona un líquido resistente a través de la trama de la malla hacia la superficie que se encuentra debajo de ella. El esténcil de malla generalmente se denomina “malla de seda” y data de cuando se utilizaba seda en la impresión comercial para fabricar las mallas; en la actualidad, se utilizan otros materiales que tienen esta misma función e incluyen a los poliésteres y alambres finos de acero inoxidable. Este método es simple y económico, pero su resolución es limitada. Normalmente se utiliza para aplicaciones en las cuales los anchos de las pistas son mayores que 0.25 mm (0.010 in) aproximadamente.
El segundo método para la transferencia del patrón de un circuito es la fotolitografía, en la cual se expone un material resistente sensible a la luz a través de una mascarilla para transferir el patrón del circuito. El procedimiento es muy similar al correspondiente en la fabricación de circuitos integrados (sección 35.3.1); algunos de los detalles para el procesamiento de los PCB se describirán aquí.
La mayoría de los fabricantes utilizan materiales fotorresistentes negativos. Los materiales resistentes están disponibles en dos formas: líquidos o en forma de película seca. Los materiales fotorresistentes líquidos se aplican mediante un rodillo o por aspersión. Las desventajas incluyen la variabilidad en el espesor del recubrimiento y largos periodos de exposición. Es más común que se usen materiales resistentes de película para la fabricación de tableros de circuitos impresos. Constan de tres capas, una película de un polímero fotosensible que se encuentra entre una capa de soporte de poliéster en un lado y una capa plástica removible en el otro lado. La cubierta evita que el material fotosensible se pegue durante su almacenamiento y su manejo. Aunque son más costosas que las resistencias líquidas, las resistencias de películas secas se aplican en capas de espesor uniforme y su procesamiento en la fotolitografía es más simple. Para aplicarse, la cubierta se remueve y la película de material resistente se coloca sobre la superficie de cobre en la cual se adhiere. Se utilizan rodillos calientes para presionar y suavizar el material resistente contra la superficie.
El alineamiento de las mascarillas con el tablero recae en el uso de las perforaciones de registro en la mascarilla, las cuales se alinean con las perforaciones de las herramientas en el tablero. La impresión por contacto se utiliza para exponer el material resistente debajo de la mascarilla. Después, se revela la resistencia, lo cual implica la eliminación de las regiones no expuestas por el negativo de la resistencia en la superficie. Generalmente se utiliza el revelado químico para materiales resistentes líquidos y en película seca.
Después del revelado de la resistencia, algunas áreas de la superficie de cobre permanecen cubiertas por el material resistente, mientras que otras están sin proteger. Las áreas cubiertas corresponden a las pistas e islas del circuito, mientras que las áreas sin proteger corresponden a las regiones abiertas del circuito. Se utiliza el ataque químico para remover los revestimientos de cobre en las regiones no protegidas de la superficie del tablero, generalmente por medio de un material de ataque químico (sección 35.4.5). El ataque químico es el paso de la secuencia que transforma la película de cobre sólido en interconexiones de un circuito eléctrico.
El ataque químico se lleva a cabo en una cámara, en la cual se rocía el material de ataque químico sobre la superficie del tablero, que ahora está parcialmente cubierta con el material resistente. Se utilizan varios materiales de ataque químico para remover el cobre, incluidos el persulfato de amonio ((NH4 )2 S2 O4 ), el hidróxido de amonio (NH4 OH), el cloruro de cobre (CuCl2 ) y el cloruro férrico (FeCl3 ). Cada uno tiene ventajas y desventajas. Deben controlarse estrechamente los parámetros del proceso (por ejemplo, la temperatura, la concentración del material de ataque químico y la duración) para evitar una ataque excesivo o débil, como en la fabricación de los CI. Después del ataque químico, el tablero debe enjuagarse y el material resistente que permanece debe desprenderse de la superficie por medios químicos.
Chapeado En los tableros de circuitos impresos, se necesita el chapeado en las superficies de las perforaciones para proporcionar trayectorias de conducción de un lado del tablero al otro, en tableros de dos lados o entre las capas de los tableros de multicapas. En la fabricación de tableros de circuitos impresos se utilizan dos tipos de proceso de chapeado: galvanoplastia (sección 29.1.1) y el chapeado no eléctrico (sección 29.1.3). La galvanoplastia tiene una velocidad de deposición mayor que la deposición no eléctrica, pero requiere que la superficie de revestimiento sea metálica (conductora); la deposición no eléctrica es más lenta, pero no requiere una superficie conductora. Después de taladrar los orificios guía y los orificios para inserción, las paredes de los orificios consisten en un material aislante de cristal epóxico, el cual no es conductor.
De acuerdo con esto, debe utilizarse el chapeado no eléctrico al principio para proporcionar un revestimiento fino de cobre a las paredes de los orificios. Una vez que se aplica una delgada película de cobre, se utiliza el chapeado electrolítico para aumentar el espesor de la película en las superficies de los orificios hasta entre 0.025 y 0.05 mm (0.001 y 0.002 in).
El oro es otro metal que algunas veces se chapea sobre los tableros de circuitos impresos. Se utiliza como un revestimiento muy fino en los conectores de las orillas de un PCB para proporcionar un contacto eléctrico superior. El espesor del revestimiento mide sólo alrededor de 2.5 μm (0.0001 in).
Secuencia en la fabricación de los PCB
En esta sección se describirá la secuencia de procesamiento para varios tipos de tableros. La secuencia tiene que ver con la transformación de un tablero de un polímero reforzado cubierto con cobre en un tablero de circuitos impresos; este procedimiento se denomina circuitización. El resultado deseado, usando un tablero de dos lados como ejemplo, se ilustra en la figura 36.4.
En el método sustractivo se ataca con material químico a las porciones abiertas del revestimiento de cobre en la superficie inicial del tablero, para que permanezcan las pistas e islas del circuito deseado. El proceso se llama “sustractivo” debido a que el cobre se remueve de la superficie del tablero. Los pasos del método sustractivo se describen en la figura 36.5.
El método aditivo comienza con una superficie de tablero que no está cubierta con cobre, como la superficie no revestida de un tablero de un solo lado. Sin embargo, la superficie no revestida se trata con un químico, denominado recubrimiento untado, el cual actúa como catalizador para la deposición no eléctrica: los pasos de este método se describen en la figura 36.6.
El método semiaditivo usa una combinación de los pasos para el método aditivo y sustractivo. El tablero inicial tiene una película muy fina de cobre en su superficie, 5 μm (0.0002 in) o menos. El método procede como se describe en la figura 36.7.
Procesamiento de diferentes tipos de tableros Los métodos de procesamiento difieren para cada uno de los tipos de PCB: de un solo lado, de dos lados y de multicapas. Estas diferencias se detallan brevemente en los siguientes párrafos.
Un tablero de un solo lado comienza su fabricación como una lámina plana que se reviste con material aislante en un lado mediante una película de cobre. Se utiliza el método sustractivo para definir el patrón del circuito en el revestimiento de cobre. A continuación se describe una secuencia de procesamiento común: 1) el tablero se corta al tamaño adecuado, se hacen los orificios para herramientas y se limpia el tablero; 2) se aplica el material fotorresistente a la superficie con el revestimiento de cobre; 3) la superficie se expone a la luz ultravioleta a través de una mascarilla del circuito; 4) se revela la resistencia; ésta expone las áreas abiertas entre las pistas de los circuitos y las islas del cobre; 5) las áreas expuestas se diluyen, dejando las pistas y las islas sobre el tablero; 6) la resistencia restante se desprende y 7) se hace el perforado y el rebarbado de los orificios para las terminales.
Un tablero de dos lados implica una secuencia de procesamiento en cierto modo más compleja debido a que tiene pistas de circuitos en ambos lados que deben conectarse eléctricamente. La interconexión se realiza por medio de orificios guía chapeados con cobre que van de las islas en una superficie del tablero a las islas en la superficie opuesta, como se muestra en la figura 36.4. La siguiente es una secuencia de fabricación típica para un tablero de dos lados; el proceso inicia con un tablero revestido de cobre en ambos lados y utiliza el método semiaditivo así: 1) el tablero se corta al tamaño adecuado, se hacen los orificios para herramientas y se limpia el tablero; 2) se hacen los orificios guía, así como los de inserción de los componentes; 3) los orificios se recubren utilizando el método de chapeado no eléctrico seguido del electrochapeado; 4) se aplica la resistencia a las áreas de la superficie en ambos lados que no se recubrirán con cobre; 5) se electrochapea una capa de estaño sobre las áreas expuestas, la cual cubrirá las áreas de cobre que van a convertirse en las pistas, islas y orificios guía en el siguiente paso de ataque químico; 6) se desprende la resistencia para exponer las áreas que no se han chapeado con estaño y 7) se atacan químicamente las regiones de cobre expuestas que no forman parte del circuito.
Un tablero de multicapas es estructuralmente el más complejo de los tres tipos y esto se refleja en su secuencia de manufactura. La construcción laminada se aprecia en la figura 36.8 y muestra una serie de características de un tablero de circuitos impresos de multicapas. Los pasos de fabricación para las capas individuales son básicamente los mismos que los que se utilizaron para los tableros de un solo lado y de dos lados. Lo que hace que la fabricación de tableros de multicapas sea más complicada es que deben procesarse todas las capas, cada una con su propio diseño de circuito; después las capas se deben unir para formar un tablero único; y por último, el tablero debe pasar por una secuencia de procesamiento. De este modo, se observa que la fabricación de tableros de circuitos impresos de multicapas es un proceso que consiste en tres etapas principales: 1) fabricación de las capas individuales, 2) unión de las capas y 3) procesamiento del tablero de multicapas.
Un tablero de multicapas consta de capas lógicas, que llevan las señales eléctricas entre componentes sobre el tablero, y capas de voltaje, las cuales se utilizan para distribuir la energía. Las capas lógicas generalmente se fabrican a partir de tableros de dos lados, mientras que las capas de voltaje se construyen a partir de tableros de un solo lado. Aunque existen variaciones en las operaciones y en la secuencia, dependiendo del diseño del circuito, los pasos de procesamiento para estos tableros son similares a los que se acaban de describir. En los tableros de multicapas se utilizan sustratos aislantes más delgados que los que se emplean en sus contrapartes de un solo lado y de dos lados, de modo que el tablero final tenga un espesor adecuado.
En la segunda etapa se ensamblan las capas individuales. El procedimiento inicia con un recubrimiento de cobre en la parte inferior y después se agregan las capas individuales, separando una de la otra por medio de una o más capas de vidrio fabric impregnadas con epóxico parcialmente curado. Después de que todas las capas se han intercalado juntas, se coloca un último recubrimiento de cobre sobre la pila para formar la capa del extremo superior. El registro entre las capas es muy importante para obtener las interconexiones adecuadas. Esto se consigue utilizando puntas de ajuste preciso en los orificios para herramientas con el propósito de alinear las capas. Después, las capas se pegan en un solo tablero, calentando el ensamble bajo presión para curar el epóxico. Después del curado, se pule cualquier exceso de resina que se haya derramado a través de los bordes.
Al inicio de la tercera etapa de fabricación, el tablero consiste en multicapas unidas, con un revestimiento de cobre sobre sus superficies extremas. Por lo tanto, su construcción se parece a la de un tablero de dos lados y su procesamiento es semejante. La secuencia consiste en taladrar orificios adicionales y chapear los orificios para establecer las trayectorias de conducción entre las dos películas exteriores de cobre, así como ciertas capas internas de cobre y el uso de la fotolitografía y del ataque químico para formar el patrón del circuito sobre las superficies exteriores de cobre.
Una prueba de continuidad implica el uso de sondas de contacto que tocan de manera simultánea las pistas y las áreas de islas sobre la superficie del tablero. La distribución consiste en un arreglo de sondas que mediante una ligera presión se obligan a hacer contacto con puntos específicos sobre la superficie del tablero. Con este procedimiento se verifican las conexiones eléctricas entre los puntos de contacto.
Deben realizarse varios pasos adicionales de procesamiento sobre el tablero con el propósito de prepararlo para el ensamble. La primera de estas operaciones finales es la aplicación de una delgada capa de soldadura sobre las superficies de pistas e islas. Esta capa sirve para proteger al cobre de la oxidación y de la contaminación. Se lleva a cabo mediante galvanoplastia o haciendo que el lado de cobre entre en contacto con los rodillos que se sumergen parcialmente en soldadura derretida.
Una segunda operación implica la aplicación de un revestimiento de resistencia de soldadura a todas las áreas de la superficie del tablero, excepto a las islas, las cuales se soldarán posteriormente durante el ensamble. El revestimiento resistente a la soldadura se formula químicamente para soportar la adhesión de la soldadura; de este modo, en los procesos de soldado subsecuentes (sección 32.2), la soldadura sólo se adhiere a las áreas de las islas; el material resistente a la soldadura se aplica por medio de serigrafía.
Por último, se imprime una leyenda de identificación sobre la superficie, una vez más mediante serigrafía. La leyenda indica en dónde se van a colocar los diferentes componentes sobre el tablero en el ensamble final; en la práctica industrial moderna, también se imprime un código de barras en el tablero para el control de la producción.
ENSAMBLE DE TABLEROS DE CIRCUITOS IMPRESOS
El ensamble de tableros de circuitos impresos consiste en componentes electrónicos (por ejemplo, encapsulados de CI, resistencias y capacitores), así como componentes mecánicos (por ejemplo, sujetadores y disipadores de calor) montados sobre un tablero de circuitos impresos. Éste es el nivel 2 en el encapsulado electrónico (tabla 36.1). Como se dijo anteriormente, el ensamble de tableros de PCB se basa en las tecnologías de inserción o de montaje en superficie. Algunos ensambles de PCB incluyen componentes tanto de inserción como de montaje superficial. El análisis de esta sección se refiere exclusivamente a los ensambles de PCB que utilizan componentes de inserción. En la sección 36.4, se considera la tecnología de montaje superficial y algunas combinaciones de los dos tipos.
El alcance del ensamble electrónico incluye ensambles de PCB, así como niveles más altos de encapsulado, como ensambles de múltiples PCB ubicados en un chasis o gabinete, conectados en forma eléctrica y mecánica. En la sección 36.5 se exploran las tecnologías por medio de las cuales se hacen las conexiones eléctricas en los niveles más altos del encapsulado.
En los ensambles de circuitos impresos con componentes de inserción, las terminales deben insertarse en los orificios del tablero de circuitos. Se ha utilizado el término de tecnología de inserción (PIH, por sus siglas en inglés) para identificar este método de ensamble. Una vez insertadas, las terminales se sueldan en su lugar en los orificios del tablero. En los tableros de dos lados y de multicapas, las superficies de los orificios, dentro de las cuales se insertan las terminales, generalmente están chapeadas con cobre; de aquí se deriva el nombre de chapeado a través del orificio (PTH, por sus siglas en inglés) para estos casos. Después del proceso de soldado, los tableros se limpian y prueban, y los que no pasan la prueba se reprocesan si es posible. De este modo es posible dividir el procesamiento para ensamble de PCB con componentes de terminal en los siguientes pasos: 1) inserción de los componentes, 2) soldadura suave, 3) limpieza, 4) prueba y 5) retrabajo. Estos pasos serán la base para el análisis de la tecnología PIH.
Inserción de componentes
En la inserción de componentes, las terminales de los componentes se insertan en los orificios adecuados del PCB. Un solo tablero puede estar muy densamente poblado con cientos de componentes separados (DIP, resistores y otros), los cuales necesitan insertarse en el tablero. En las plantas modernas de ensamble electrónico, la mayoría de las operaciones de inserción de componentes son realizadas por máquinas automáticas. Una pequeña proporción (quizá de 5 a 10%) se realiza a mano para componentes no estándar que no pueden acomodarse en las máquinas automáticas. Algunas veces se utilizan robots industriales para sustituir la mano de obra humana en tareas de inserción de componentes.
Máquinas de inserción automática Las máquinas de inserción automática son semiautomáticas o completamente automáticas. El tipo semiautomático implica la inserción de los componentes mediante un dispositivo de inserción mecánico, cuya posición en relación con el tablero la controla un operador humano. Las máquinas de inserción completamente automáticas constituyen la categoría preferida, debido a que son más rápidas y su necesidad de atención humana se limita a la carga de componentes y a la eliminación de atascamientos cuando ocurren. Estas máquinas se controlan mediante un programa que por lo general funciona directamente con los datos de diseño del circuito. Los componentes se cargan en estas máquinas en forma de carretes, cargadores u otros dispositivos portadores que mantienen una orientación adecuada de los componentes hasta su inserción.
La operación de inserción implica: 1) el preformado de las terminales, 2) la inserción de las terminales en los orificios del tablero y 3) el corte y la fijación de las terminales en el otro lado del tablero. El preformado sólo es necesario para algunos tipos de componentes e implica el doblado en forma de U de las terminales que inicialmente son rectas, para su inserción. Muchos componentes se fabrican con las terminales en forma adecuada y requieren muy poco o ningún preformado.
La inserción se realiza mediante una cabeza de trabajo diseñada para el tipo de componente. Los componentes insertados por las máquinas automáticas se agrupan en tres categorías básicas: a) de terminales axiales, b) de terminales radiales y c) de encapsulado dual en línea. El encapsulado dual en línea (sección 35.6.1) es un encapsulado muy común para circuitos integrados. Los componentes comunes axiales y radiales se ilustran en la figura 36.9. Los componentes axiales tienen la forma de un cilindro, con las terminales proyectándose desde cada extremo. Los componentes típicos de esta clase incluyen resistores, capacitores y diodos. Sus terminales deben doblarse, como se sugiere en la figura, para poder insertarse. Los componentes radiales tienen terminales paralelas y diversos cuerpos, uno de los cuales se muestra en la figura 36.9b. Este tipo de componente se ejemplifica con los diodos emisores de luz, los potenciómetros, las redes de resistencias y los portafusibles.
Una vez insertadas las terminales a través de los orificios en el tablero, se sujetan y se recortan. La sujeción implica el doblez de las terminales, como se muestra en la figura 36.10, para asegurar mecánicamente el componente con el tablero hasta que se suelde. Si no hay sujeción, el componente corre el riesgo de salirse de los orificios durante el manejo del tablero. En el momento del recorte, las terminales se cortan a la longitud adecuada; de otra manera, existe una posibilidad de que se doblen y causen algún cortocircuito con las pistas de los componentes cercanos. La máquina de inserción realiza estas operaciones de manera automática en la parte inferior del tablero.
Los tres tipos de máquinas de inserción, correspondientes a las tres configuraciones básicas de componentes, pueden unirse para formar una línea de ensamble de tableros de circuitos integrados. La integración se realiza por medio de un sistema de una banda transportadora que transfiere los tableros de un tipo de máquina al siguiente. Se utiliza un sistema de control computarizado para dar seguimiento al progreso de cada tablero conforme se mueve por la celda y para descargar los programas adecuados en cada estación de trabajo. Un problema en el manejo de una línea de ensamble integrada de este tipo es equilibrar las cargas de trabajo entre las estaciones. Algunas estaciones pueden tener asignadas una gran cantidad de inserciones para realizar, lo que ocasiona que las otras estaciones estén desocupadas.
Inserción manual y robótica La inserción manual se usa cuando el componente tiene una configuración no estándar y, por ende, no puede manejarlo una máquina estándar de inserción. Estos casos incluyen interruptores y conectores, así como resistores, capacitores y algunos otros componentes. Aunque la proporción de inserción manual de componentes en la industria es muy baja, su costo es alto debido a que tiene tasas de producción mucho más bajas que las de inserción automática.
La inserción manual generalmente consiste en elementos de trabajo similares a los que se realizan en una máquina de inserción automática. Las terminales del componente deben pasar primero a través de un proceso, para alinearlas adecuadamente con los orificios de inserción. Después, el componente se inserta en el tablero y sus terminales se sujetan y se recortan. En la configuración más simple, el operador utiliza la leyenda impresa en el tablero del circuito para determinar la posición donde cada componente se va a colocar. El error humano puede representar un problema, en especial cuando existen muchos componentes para insertarse, cada uno en una ubicación diferente. Además, el hecho de que los ensambles de tableros frecuentemente se hacen en bajas cantidades significa que el operador no puede aprender por completo la tarea; esto contribuye también a errores. Se han creado diferentes esquemas para reducir los errores. Un diseño de estación de trabajo presenta los componentes al operador en cierto orden, el cual se coordina mediante un haz de luz controlado por computadora que se dirige a la posición del tablero donde el componente debe insertarse.
Soldadura suave
El segundo paso básico en el ensamble de PCB es la soldadura suave. Para los componentes de inserción, las técnicas de soldado suave más importantes son el soldado suave a mano y el soldado suave en olas. Estos métodos, así como otros aspectos de la soldadura suave.
Soldado suave a mano El soldado suave a mano implica un operador calificado que utilice un cautín para realizar las conexiones de los circuitos. Comparado con el soldado suave en olas, el soldado suave a mano es lento, puesto que las uniones de soldadura se hacen una por una. Como método de producción se utiliza generalmente para lotes pequeños de producción y retrabajo. Como sucede con otras tareas manuales, el error humano puede provocar problemas de calidad. El soldado suave a mano algunas veces se utiliza después del soldado suave en olas para agregar componentes delicados que podrían dañarse en el ambiente hostil de la cámara de soldado suave en olas. Los métodos manuales tienen ciertas ventajas en el ensamble de PCB, que deben señalarse, 1) el calor está localizado y puede dirigirse a una pequeña área objetivo, 2) el equipo no es tan costoso como el del soldado suave por olas y 3) el consumo de energía es considerablemente menor.
Soldado suave en olas El soldado suave en olas es una técnica mecanizada en la cual los tableros de circuitos impresos que contienen los componentes de inserción se mueven a través de una banda transportadora sobre una ola de soldadura suave fundida (figura 32.9). La posición de la banda es tal que sólo la parte interior del tablero, con las terminales de los componentes proyectándose a través de los orificios, está en contacto con la soldadura suave. La combinación de la acción capilar y la fuerza que ejercen las olas hacia arriba originan que el líquido de la soldadura fluya en los espacios abiertos entre las terminales y los orificios para obtener un buen punto de soldadura. La gran ventaja de la soldadura suave por olas es que todos los puntos de soldadura en un tablero se hacen en un solo paso a través del proceso.
Limpieza, prueba y retrabajo
Los pasos finales de procesamiento en el ensamble de PCB son la limpieza, las pruebas y el retrabajo. También se realizan inspecciones visuales en el tablero para detectar defectos obvios.
Limpieza Después del soldado, están presentes contaminantes en el ensamble del circuito impreso. Estas sustancias extrañas incluyen el fundente, aceite y grasa, sales y suciedad, algunos de los cuales pueden causar la degradación química del ensamble o la interferencia de algunas de sus funciones electrónicas. Para remover estos materiales no deseables, debe llevarse a cabo una o más operaciones de limpieza.
Los métodos tradicionales de limpieza para los ensambles de PCB incluyen la limpieza a mano con los solventes adecuados y la eliminación de grasa con vapor y solventes clorados. El interés en los riesgos ambientales durante los años recientes ha motivado a la búsqueda de solventes basados en agua que sean efectivos para remplazar a los químicos clorados y fluorizados que tradicionalmente se usan en el desengrasado con vapor.
Pruebas La inspección visual se utiliza para detectar los daños de sustratos en el tablero, componentes faltantes o dañados, fallas de soldadura y defectos de calidad semejantes que se aprecian a simple vista. Se están perfeccionando sistemas de visión por máquina en un número creciente de instalaciones para que estas inspecciones se realicen de manera automática.
Los procedimientos de prueba deben realizarse en el ensamble completo para verificar su funcionalidad. El diseño del tablero debe permitir estas pruebas, al incluir puntos de prueba en el diseño del circuito. Estos puntos son posiciones convenientes en el circuito para que las puntas de sondeo puedan hacer contacto durante las pruebas. Pueden realizarse distintas pruebas. Los componentes individuales en el circuito se prueban estableciendo contacto con las terminales de los componentes, aplicando señales de entrada de prueba y midiendo las señales de salida. Entre los procedimientos más sofisticados están las pruebas de funciones digitales, en la cuales se examinan el circuito entero o los subcircuitos principales, utilizando una secuencia programada de señales de entrada y midiendo las señales correspondientes de salida para simular las condiciones de operación. El equipo para la función de prueba digital es costoso, y se requiere mucho tiempo de ingeniería para diseñar y programar los algoritmos de prueba adecuados.
Otra prueba que se utiliza para los ensambles de tableros de circuitos impresos es la sustitución, en la cual una unidad de producción se conecta a un prototipo del sistema de trabajo y se aplica energía para que realice sus funciones. Si el ensamble funciona en forma satisfactoria, esto significa que pasó la prueba. Después, se desconecta y la siguiente unidad de producción se sustituye en el componente de prueba.
Por último, se realiza una prueba de quemado en algunos tipos de ensambles de tableros de circuitos impresos que puedan estar sujetos a una “mortalidad infantil”. Algunos tableros contienen defectos que no se revelan en las pruebas normales de funcionamiento, pero que pueden causar la falla del circuito durante periodos tempranos de servicio. En las pruebas de quemado los ensambles operan con corriente durante cierto periodo de tiempo, como 24 o 72 horas, algunas veces a temperaturas elevadas, como 40 °C (100 °F), para obligar a que estos defectos manifiesten sus fallas durante el periodo de prueba. Los tableros a los que no afecta la mortalidad infantil sobrevivirán la prueba y proporcionarán una vida larga de servicio.
Retrabajo Cuando la inspección y las pruebas indican que uno o más componentes de los tableros tienen fallas o que algunas uniones de soldadura son defectuosas, usualmente tiene sentido tratar de reparar el ensamble, en lugar de descartarlo todo junto con los componentes restantes que se encuentran en buenas condiciones. Este paso de reparación se denomina retrabajo y es una parte integral en las operaciones de las plantas de ensamble electrónico. Los procedimientos de retrabajo comúnmente incluyen el retoque (la reparación de fallas de soldadura), la sustitución de componentes faltantes o defectuosos y la reparación de la película de cobre que se ha levantado del sustrato de la superficie. Estos procedimientos son operaciones manuales que requieren de trabajadores calificados en la utilización de cautines.
TECNOLOGÍA DE MONTAJE SUPERFICIAL
Un efecto de la creciente complejidad de los sistemas electrónicos ha sido la necesidad de densidades de encapsulado mayores en los ensambles de circuitos impresos. Los ensambles de PCB convencionales que utilizan componentes con terminales insertados en los orificios tienen algunas limitaciones inherentes, en términos de densidad del encapsulado. Estas limitaciones son: 1) los componentes sólo pueden montarse de un lado del tablero y 2) la distancia de centro a centro entre las terminales de estos componentes debe ser de un mínimo de 1.0 mm (0.04 in), pero generalmente es de 2.5 mm (0.10 in).
La tecnología de montaje superficial (SMT, por sus siglas en inglés) utiliza un método de ensamble en el cual las terminales de los componentes se sueldan a las islas sobre la superficie del tablero, en lugar de insertarse en los orificios pasantes del tablero (nota histórica 36.2). Al eliminar la necesidad de insertar las terminales en los orificios del tablero, se obtienen varias ventajas [6]: 1) se hacen componentes más pequeños, con sus terminales más juntas entre ellas, 2) aumentan las densidades del encapsulado, 3) los componentes pueden montarse en ambos lados del tablero, 4) se utilizan tableros de circuitos impresos más pequeños para el mismo sistema electrónico, 5) se elimina el taladrado de muchos orificios durante la fabricación del tablero; incluso se requieren los orificios guía para conectar entre sí las diferentes capas, y 6) se reducen efectos eléctricos indeseables, como las capacitancias e inductancias que se generan entre los dispositivos. Las áreas comunes de la superficie del tablero que ocupan los componentes SMT van desde 20% hasta 60% en comparación con los componentes de inserción.
A pesar de estas ventajas, la industria electrónica no ha adoptado totalmente la SMT y excluido la tecnología PIH. Existen varias razones: 1) debido a su menor tamaño, es más difícil para los trabajadores manejar y ensamblar los componentes de montaje superficial; 2) los componentes de SMT son generalmente más caros que los componentes de terminales de inserción, aunque esta desventaja puede cambiar conforme se perfeccionan las técnicas de producción de componentes SMT; 3) la inspección, las pruebas y el reproceso de los ensambles de circuito son generalmente más difíciles para dispositivos SMT, debido a su pequeña escala; y 4) ciertos tipos de componentes todavía no están disponibles en la forma de montaje superficial. Esta última limitación trae como resultado que algunos ensambles electrónicos contengan tanto componentes de montaje superficial como de terminales.
Para la tecnología de montaje superficial de componentes en PCB se requieren los mismos pasos básicos que en la tecnología por inserción. Los componentes deben colocarse en el tablero y soldarse, después limpiarse, hacer las pruebas y el retrabajo. Los métodos para la colocación y el soldado de los componentes, así como algunos de los procedimientos de prueba y retrabajo, son diferentes en la tecnología de montaje superficial. La colocación de los componentes en SMT implica la ubicación correcta del componente en el tablero de circuitos impresos y la adherencia suficiente a la superficie hasta que la soldadura proporcione una conexión eléctrica y mecánica permanente. Existen dos métodos alternativos de colocación y soldado: 1) pegado adhesivo de los componentes y soldado suave en olas y 2) pasta para soldar y soldadura por reflujo. Se ha descubierto que algunos tipos de componentes SMT son más adecuados para un método, mientras que otros lo son para otros.
Pegado adhesivo y soldadura suave en olas
Los pasos de este método se describen en la figura 36.11. Se utilizan algunos adhesivos (sección 32.3) para pegar los componentes a la superficie del tablero. Los más comunes son los epóxicos y los acrílicos. El adhesivo se aplica mediante alguno de los tres métodos siguientes: 1) aplicando el líquido adhesivo con una brocha a través de un esténcil de criba; 2) con una máquina de distribución automática que utiliza un sistema de posicionamiento x-y programable o 3) el método de transferencia de pines, en el cual un accesorio que consiste en pines ordenados, de acuerdo con las regiones donde debe aplicarse el adherente, se hace caer en el líquido adhesivo y después se posiciona en la superficie del tablero para depositar el adhesivo en los puntos requeridos.
Después, las máquinas de colocación automáticas que operan bajo control computarizado colocan los componentes sobre la superficie del tablero. Se utiliza el término de maquinas de colocación (en inglés on sertion) para estas unidades, para distinguirlas de las máquinas de inserción (en inglés in sertion) que se utilizan en la tecnología PIH. Las máquinas de colocación operan a velocidades de hasta cuatro componentes colocados por segundo.
Después de la colocación de los componentes, el adhesivo se cura. Dependiendo del tipo de adhesivo, el curado puede ser por calor, luz ultravioleta (UV) o una combinación de radiación UV e infrarroja (IR). Con los componentes de montaje superficial ahora adheridos a la superficie del PCB, el tablero se somete a un proceso de soldadura suave en olas. La operación difiere de su contraparte en PIH en que los componentes pasan por sí mismos la ola de soldadura fundida. Los problemas técnicos que algunas veces se encuentran en el soldado en olas en SMT incluyen que los componentes se levantan del tablero, se mueven de su posición y que los más grandes crean sombras que inhiben la soldadura adecuada de sus componentes vecinos.
Pasta para soldar y soldadura suave por reflujo
En este método, que parece ser el más común en la industria, se utiliza una pasta de soldar para fijar los componentes a la superficie del tablero de circuitos. La secuencia de pasos se muestra en la figura 36.12.
Una pasta para soldar es una suspensión de polvos de soldadura en un aglutinante derretido. Tiene tres funciones: 1) es soldadura, típicamente de 80 a 90% del volumen total de la pasta, 2) es el fundente y 3) es el adhesivo que asegura los componentes a la superficie del tablero. Los métodos para aplicar la pasta para soldar a la soldadura del tablero incluyen la serigrafía y la dispersión con jeringa. Las propiedades de la pasta deben ser compatibles con estos métodos de aplicación: la pasta debe fluir, pero no debe ser tan líquida que se pueda expandir más allá del área localizada donde se aplica.
Después de la aplicación de la pasta para soldar, los componentes se ubican sobre el tablero mediante el mismo tipo de máquinas de colocación que se utilizan en el método de pegado adhesivo. Para secar la sustancia adherente se lleva a cabo una operación de cocción a baja temperatura; esto reduce el escape de gas durante el soldado. Por último, el proceso de soldadura suave por reflujo (sección 32.2.3) calienta la pasta para soldar suficientemente a fin de que las partículas de soldadura se derritan y formen una unión mecánica y eléctrica de alta calidad, entre las terminales del componente y las islas de circuito sobre el tablero.
Al igual que en la tecnología de inserción, para el ensamblado de los tableros de circuitos impresos en SMT se utilizan líneas de producción integradas para llevar a cabo las diferentes operaciones, como se muestra en la figura 36.13.
Ensambles combinados SMT-PIH
El análisis realizado sobre los dos métodos de ensamble ha supuesto un tablero de circuito más o menos simple exclusivamente con componentes SMT de un solo lado. Estos casos son poco comunes, porque la mayoría de los ensambles de circuitos SMT combinan componentes de inserción y de montaje superficial en el mismo tablero. Además, los ensambles SMT pueden existir en ambos lados del tablero, mientras que los componentes de inserción normalmente se limitan a un solo lado. La secuencia de ensamble debe alterarse para permitir estas posibilidades adicionales, aunque sean los mismos pasos básicos de procesamiento que se describieron en las dos secciones anteriores.
Una posibilidad es que los componentes SMT y PIH estén en el mismo lado del tablero. Para este caso, una secuencia típica consistiría en los pasos descritos en la figura 36.14. Los ensambles más complejos de PCB consisten en componentes SMT-PIH como en la figura presentada, pero con componentes SMT en ambos lados del tablero.
Limpieza, inspección, pruebas y retrabajo
Después de que los componentes se han conectado al tablero, el ensamble debe limpiarse e inspeccionarse para encontrar las posibles faltas de soldadura; el circuito debe probarse y retrabajarse si es necesario.
La inspección de la calidad del soldado suave es algo más difícil para los circuitos de montaje superficial (SMC, por sus siglas en inglés), debido a que estos ensambles son generalmente de un encapsulado más denso, las uniones de soldadura son más pequeñas y sus formas geométricas son diferentes de las uniones en los ensambles de inserción. El modo en que los componentes se sostienen en su lugar durante el soldado constituye un problema. En el ensamble PIH, los componentes se aseguran mecánicamente en su lugar mediante la fijación de las terminales. En el ensamble SMT, un adhesivo o pasta sostiene los componentes. Pero a las temperaturas de la soldadura, este método de fijación no es tan seguro, porque algunas veces ocurre que los componentes se despegan. Otro problema relacionado con los tamaños cada vez más pequeños en el SMT es una creciente probabilidad de que se formen puentes de soldadura entre dos terminales adyacentes, lo que da por resultado cortocircuitos.
La menor escala también provoca problemas en las pruebas de circuitos SMT, pues hay menos espacio disponible alrededor de cada componente. Las puntas de sondeo de contacto deben ser físicamente más pequeñas y se requieren más puntas debido a que los ensambles de SMT están más densamente poblados. Un modo de enfrentar este problema es diseñar el circuito con islas adicionales, cuyo único propósito sea proporcionar un lugar de contacto para la prueba de sondeo. Desafortunadamente, la inclusión de estas islas de prueba va en contra de la meta para obtener mayores densidades de encapsulado en el tablero. El retrabajo manual en los ensambles de montaje superficial es más difícil que en los ensambles PIH convencionales, una vez más debido a los tamaños pequeños de los componentes. Se requieren herramientas especiales, como cautines de puntas pequeñas, dispositivos de aumento e instrumentos para la sujeción y manipulación de las piezas pequeñas.
TECNOLOGÍA DE CONECTORES ELÉCTRICOS
Los ensambles de PCB deben conectarse a los tableros principales y dentro de estantes y gabinetes; estos últimos deben conectarse a otros gabinetes y sistemas por medio de cables. El uso creciente de la electrónica en tantos tipos de productos ha hecho que las conexiones eléctricas sean una tecnología importante. El rendimiento de un sistema electrónico depende de la confiabilidad de las conexiones individuales que enlazan los elementos de un sistema. En esta sección se analiza la tecnología de conectores que se aplica usualmente en el tercer nivel y en niveles más altos del encapsulado electrónico.Para comenzar, existen dos métodos básicos para hacer conexiones eléctricas: 1) la soldadura suave y 2) las conexiones de presión. El proceso de soldadura suave se analizó en la sección 32.2 y a lo largo de este capítulo. Es la tecnología más utilizada en la electrónica. Las conexiones a presión son conexiones eléctricas en las cuales se utilizan fuerzas mecánicas para establecer la continuidad eléctrica entre los componentes. Algunas veces denominadas conexiones sin soldadura se dividen en dos tipos: permanentes y separables. El análisis en esta sección se centrará en estos dos tipos de conexiones a presión.
Conexiones permanentes
Una conexión permanente implica un contacto de alta presión entre dos superficies metálicas en las cuales una o las dos partes se deforman mecánicamente durante el proceso del ensamble. Los métodos de conexión permanente incluyen la sujeción, la tecnología de ajuste a presión y el desplazamiento de un aislante.
Sujeción de terminales conectoras Este método de conexión se utiliza para ensamblar los alambres a terminales eléctricas. Aunque el ensamble de los alambres con la terminal forma una unión permanente, la terminal en sí misma se diseña para conectarse y desconectarse del componente con el que se une. Existe una diversa variedad de estilos de terminales, algunas de las cuales se muestran en la figura 36.15, y están disponibles en diferentes tamaños. En todas ellas debe hacerse una conexión al alambre conductor y la sujeción es la operación para hacer esto. La sujeción implica la deformación mecánica del cilindro de la terminal para formar una conexión permanente con el extremo desnudo de un alambre que se inserta en él. La sujeción se realiza mediante herramientas manuales o maquinas para sujetar. Las terminales se proporcionan como piezas individuales o en tiras largas que pueden alimentar a una máquina para sujeción. Si se realiza de una manera adecuada, la unión tendrá una baja resistencia eléctrica y una alta resistencia mecánica.
Tecnología del ajuste a presión La conexión eléctrica de ajuste a presión es similar a la de los ensambles mecánicos, pero las configuraciones de las piezas son diferentes. La tecnología del ajuste a presión se utiliza ampliamente en la industria electrónica para ensamblar las terminales a través de los orificios chapeados en PCB grandes. En ese contexto, un ajuste a presión implica una parte de interferencia entre el pin de terminal y la perforación chapeada en la cual se inserta. Existen dos categorías de pines de terminales: a) sólidos y b) dúctiles, como en la figura 36.16. Dentro de estas categorías, los pines de terminales varían entre los fabricantes. El pin sólido tiene una sección transversal rectangular y se diseña de manera que sus esquinas presionen y corten el metal de la perforación chapeada para formar una buena conexión eléctrica. El pin dúctil se diseña como un dispositivo de carga con resorte que se ajusta al contorno de la perforación, pero que presiona contra las paredes de la perforación para obtener el contacto eléctrico.
Conectores separables
Los conectores separables se diseñan para permitir el desensamble y el rensamble; están hechos para conectarse y desconectarse en múltiples ocasiones. Cuando se conectan, deben proporcionar un buen contacto de metal a metal entre los componentes de la unión con una alta confiabilidad y una baja resistencia eléctrica. Los dispositivos de conexiones separables se denominan conectores y se fabrican en una variedad de estilos para diferentes aplicaciones. Típicamente, los conectores consisten en contactos múltiples, que se encuentran dentro de un receptáculo plástico diseñado para ser compatible con otro conector o con alambres o terminales individuales. Se utilizan para hacer conexiones eléctricas entre varias combinaciones de cables, tableros de circuitos impresos, componentes y alambres individuales.
Existe una amplia selección de conectores disponibles. Entre los aspectos de diseño para elegirlos están: 1) nivel de energía (por ejemplo, si el conector se utiliza para alimentación o la transmisión de señales), 2) costo, 3) número de conductores individuales que el conector implica, 4) tipos de dispositivos y circuitos que se van a conectar, 5) limitaciones de espacio, 6) facilidad de unir el conector con sus terminales, 7) facilidad de conexión con la terminal y el conector correspondiente y 8) frecuencia de conexión y desconexión. Algunos tipos principales de conectores incluyen los conectores de cables, los bloques de terminales, los contactos y los conectores con una fuerza de inserción baja o nula.
Bloques de terminales Los bloques de terminales consisten en una serie de receptáculos espaciados uniformemente que permiten hacer conexiones entre terminales o alambres individuales. Con frecuencia, las terminales o alambres se unen al bloque por medio de tornillos u otros mecanismos mecánicos de sujeción que permitan un desensamble. En la figura 36.19 se ilustra un bloque de terminales.
Contactos En electrónica, un contacto (o socket), es un dispositivo de conexión que se monta sobre un PCB en el cual pueden insertarse los encapsulados de CI y otros componentes. Los contactos se encuentran permanentemente unidos al PCB por medio de soldadura y/o de presión, pero proporcionan un método de conexión separable para los componentes, los cuales pueden ser conectados, removidos o remplazados de manera conveniente en el ensamble del PCB. Por lo tanto, los contactos son una alternativa a la soldadura en el encapsulado de dispositivos electrónicos.
Conectores con fuerza de inserción baja y nula Las fuerzas de inserción y de retiro pueden ser un problema en la utilización de los conectores de terminales y de contactos en PCB.
REFERENCIAS
[1] Arabian, J., Computer Integrated Electronics Manufacturing and Testing, Marcel Dekker, Nueva York, 1989.
[2] Bakoglu, H. B., Circuits, Interconnections, and Packaging for VLSI, Addison-Wesley, Reading Mass., 1990.
[3] Bilotta, A. J., Connections in Electronic Assemblies, Marcel Dekker, Nueva York, 1985.
[4] Capillo, C., Surface Mount Technology, McGraw-Hill, Nueva York, 1990.
[5] Coombs, C. F. Jr., (ed.), Printed Circuits Handbook, 4a. ed., McGraw-Hill, Nueva York, 1995.
[6] Edwards, P. R., Manufacturing Technology in the Electronics Industry, Chapman & Hall, Londres, U.K., 1991.
[7] Kear, F. W., Printed Circuit Assembly Technology, Marcel Dekker, Nueva York, 1987.
[8] Lambert, L. P., Soldering for Electronic Assemblies, Marcel Dekker, Nueva York, 1988.
[9] Marks, L., Printed Circuit Assembly Design, McGraw-Hill, Nueva York, 2000.
[10] Prasad, R. P., Surface Mount Technology, 2a. ed., Kluwer Academic, Boston, 1999.
[11] Seraphim, D. P., Lasky, R. y Li, C-Y. (eds.), Principles of Electronic Packaging, McGraw-Hill, Nueva York, 1989.
Comentarios
Publicar un comentario