Hubor - Proteus

 

Una de las tareas de los ingenieros que diseñan placas de circuito impreso es el análisis de las fases del proceso de producción de una placa de circuito impreso. La tarea crucial en esta fase es definir de forma precisa los pasos necesarios para pasar de la placa desnuda al producto ensamblado final y ver cómo nuestro diseño puede facilitar esta tarea (con el lógico abaratamiento de costes). En este artículo vamos a ver someramente el proceso.

 

 

La adquisición de componentes es el proceso de compra de todos los componentes necesarios para ensamblar la PCB. Los componentes se suministran en un tipos de embalajes estandarizados diseñados para hacer posible el montaje de forma automática. Los más estandarizados son: en tubo, en bandeja y en carrete.

 

 

El embalaje estándar también suele implicar la cantidad de componentes estándar que puede contener, por ejemplo, 5.000 resistencias en un carrete. Aunque existen algunos distribuidores de componentes que ofrecen una tarifa especial por unidad cuando son necesarias cantidades reducidas. Por ejemplo, podemos contratar el suministro de un carrete más pequeño de componentes hecho a medida para nosotros con 2.000 unidades.

 

La pestaña "Lista de materiales" (BoM) de Proteus se puede utilizar para crear una lista de los componentes y las cantidades necesarias que se puede multiplicar fácilmente utilizando una hoja de cálculo cuando llevamos a cabo diseños en forma de panel de múltiples placas.

 

 

Los componentes embalados en los sistemas de distribucción estándar que vimos en el paso anterior se tienen que cargar en los "alimentadores" de la máquina de ensamblaje. La máquina, automáticamente, los va recogiendo a medida que los utiliza de cada alimentador.

 

Los componentes empaquetados en carretes se suministran en una cinta con orificios para que una rueda dentada pueda tirar de ella. Una tira de plástico pegada en la parte superior mantiene los componentes en su lugar dentro de la tira. La máquina despega cada componente justo cuando se necesita.

 

 

Los tubos se usan con alimentadores de vibración, que hacen vibrar los componentes a lo largo de los tubos para que se desplacen hasta salir de los mismos.

 

Las bandejas generalmente se abren y se colocan en la máquina en una posición específica con un sistema de pinzas que cogen, mueven y sueltan cada componente.

 

 

En algún momento del proceso es necesario que alguien programe la máquina especificando qué tipo de componentes deben ir en la PCB y en qué lugar. Generalmente esta tarea se lleva a cabo utilizando un archivo del tipo coger y colocar (Pick and Place).

 

Estos ficheros incluyen la lista de los componentes, las coordenadas X e Y de su posición en la PCB y la rotación necesaria (el giro que experimenta el componente desde que se recoge en el alimentador hasta que se colocar en la placa). Los archivos Pick and Place son generados por Proteus.

 

Dependiendo de lo inteligente que sea la máquina, es posible que también necesite saber qué tipo de componente está en cada uno de los alimentadores, para que sepa dónde debe encontrarlos.

 

Finalmente, la máquina también necesitará conocer la ubicación de las marcas fiduciales en la PCB, así como una ubicación aproximada de dónde comenzar a buscarlos. En el diseño de PCB, una marca fiducial es una forma redonda de cobre que sirve de punto de referencia para las máquinas de montaje Pick & Place. Las marcas fiduciales para PCB ayudan a las máquinas a reconocer la orientación de la PCB y sus componentes de montaje en superficie con encapsulados de paso muy pequeño.

 

Es posible que también sea necesario programar la máquina con algunos parámetros más, como la rapidez o la lentitud con la que se coloca un componente, la cantidad de fuerza que se debe usar para levantar un componente, etc.

 

Proteus incluye un diálogo de generación de archivos Pick and Place totalmente personalizable. La lista de materiales (BoM), que mencionamos durante el paso de Adquisición de componentes, también puede ayudarnos en este punto. Además, Proteus también puede producir un esquema del ensamblaje, que es especialmente útil si algunas/todas las referencias de los componentes no se han incluido en la serigrafía de la placa.

 

 

En términos generales, los componentes electrónicos vienen en dos formatos: "agujero pasante" o "montaje superficial". Los componentes de agujero pasante tienen patas que atraviesan orificios taladrados en la PCB y se sueldan en la cara opuesta de la placa. Los componentes de montaje superficial se situan sobre una de las dos caras de la PCB. Los componentes del agujero pasante son mecánicamente más resistentes, sin embargo, los componentes de montaje superficial son más pequeños y más adecuados para el montaje automatizado.

 

El ensamblaje del montaje superficial comienza con la aplicación de una "pasta de soldadura" sobre la PCB. La pasta de soldadura consiste en pequeñas bolas de soldadura suspendidas en una solución de fundente, dando la apariencia de una pasta gris a simple vista. La soldadura es una mezcla de metales con un punto de fusión relativamente bajo, que se utiliza para unir componentes a una PCB con una conexión conductora de electricidad.

 

 

La soldadura las hay de dos tipos: con plomo y sin plomo: La soldadura con plomo se suelda más fácilmente a una temperatura más baja y se cree que reduce la formación de los llamados "bigotes de estaño". Los bigotes de estaño son pequeñas hebras de metal que rara vez pueden salir de la soldadura y que provocan cortocircuitos. La soldadura de plomo ha sido prohibida en muchos países debido a los efectos contaminantes del plomo.

 

Las soldaduras sin plomo, como su nombre indica, no contienen plomo. son más difíciles de soldar debido a que tienen un punto de fusión más alto.

 

La pasta de soldadura generalmente se aplica a una cara del circuito impreso usando una plantilla que normalmente consiste en una pieza delgada de acero inoxidable con agujeros recortados con láser en el lugar donde debe pasar la pasta de soldadura. La plantilla de la pasta de soldadura se coloca en la parte superior de la PCB. Luego una escobilla de goma unta la pasta de soldadura a través de los orificios de la plantilla. Cuando la plantilla se retira, la pasta de soldadura permanece en la placa en los lugares correctos.

 

 

Los datos necesarios para producir la plantilla se incluyen en los archivos Gerber generados para la producción de la PCB. Por lo general, se aplica una reducción respecto al tamaño de la pata del componente para que la pasta de soldadura depositada sea un poco más pequeña que las almohadillas. En Proteus es posible activar y desactivar la visualización de estas capas para ver exactamente dónde habrá pasta de soldadura, así como visualizarlas en la pestaña Vista 3D.

 

Una vez que se ha aplicado la pasta de soldadura, la placa puede entrar opcionalmente en una máquina automática de inspección de pasta de soldadura, que verifica que el proceso de colocación de la pasta se haya completado con éxito y sin errores.

 

 

A continuación, la placa con la pasta de soldadura se coloca en una o más máquinas del tipo "coger y colocar". En estas máquinas se cargan los componentes según la programación que hicimos anteriormente. Estas máquinas usan boquillas de vacío para extraer los componentes de los alimentadores y los colocan en las ubicaciones correctas de la PCB. Las máquinas más potentes y modernas lo hacen de forma más rápida de lo que el ojo puede ver.

 

 

 

Una vez que todos los componentes se han colocado correctamente en la PCB, es hora de calentar todo y derretir la soldadura. Esto se realiza con un horno de reflujo. Los hornos de reflujo procesan las placas siguiendo un patrón de temperatura controlada. Primero, las placas se calientan para permitir que la PCB y los componentes absorban algo de calor, pero no tanto como para derretir la soldadura. Luego la temperatura aumenta rápidamente lo suficiente para derretir la pasta de soldadura. Por último, la temperatura vuelve a bajar de nuevo a temperatura ambiente. Al calentar primero los componentes y la PCB se garantiza que la soldadura se adhiera correctamente y no se produzcan uniones "secas".

 

 

 

Al terminar el proceso de soldadura por reflujo, las placas pasan a una máquina de "inspección óptica automatizada" (AOI) que utiliza cámaras para garantizar que todos los componentes estén en los lugares previstos y que todo se haya soldado correctamente. Si el fabricante no tiene un AOI disponible, normalmente se lleva a cabo una inspección visual por parte de un operario.

 

Soldadura de los componentes del tipo agujero pasante. 

 

Si la placa contiene componentes del tipo agujero pasante se pueden agregar a la placa de diferentes formas:

 

 

En el proceso de soldadura por ola, los componentes de agujero pasante se colocan en la placa y sus patillas se cortan a la longitud deseada. A continuación, van a la cinta transportadora de una máquina de soldadura por ola. Primero se rocía con fundente y luego se pasan sobre la "ola" de soldadura. El fundente se adhiere a los puntos correctos de la placa: aquellos que no están protegidos por la capa de resistencia a la soldadura.

 

 

Después de soldar, las placas se pueden lavar para eliminar los residuos del fundente de soldadura. Con ello ayudamos a mejorar la adherencia del revestimiento que se hará en el siguiente paso.

 

 

Las placas ensambladas se pueden cubrir opcionalmente con un "revestimiento" que consiste en una capa de laca transparente, para protegerlos de la corrosión.

 

 

Llegados a este punto ya tenemos una placa de circuito ensamblada completa. Aunque es probable que también estén involucrados en el proceso otras etapas que no hemos mencionado en este artículo, tales como la programación del microcontrolador, las pruebas de control de calidad, la colocación dentro de una envolvente, etc.

 

Cuando generamos un cajetín para nuestra plantilla, podemos utilizar variables que Proteus se encargará de utilizar en cada proyecto.

 

La mayoría de estas variables toman los datos de las propiedades del diseño y las propiedades de la hoja que podemos configurar en cada uno de nuestros proyectos de forma diferenciada desde el menú Diseño de la pestaña 'Esquema electrónco".

 

 

Las variables disponibles las podemos encontrar en la ayuda para el diseño del esquema con ISIS.

 

 

Para encontrarla fácilmente en la ayuda, la forma más sencilla es seleccionar la pestaña 'indice' y buscar la palabra clave 'header'. Pulsando sobre el resultado 'Header (for design)' nos situamos en el bloque de ayuda que nos interesa.

 

 

Y ahí encontramos todas las variables disponibles.

 

 

Para este truco partimos de un caso sencillo de una placa rectangular en la que hemos definido una superficie de disipación que cubra completamente la capa inferior, pero como es lógico el funcionamiento es igual aunque la superficie de disipación sea más compleja.

 

 

Nuestro objetivo es dejar un área libre de cobre dentro de la superficie de disipación que acabamos de crear. Para hacerlo seleccionamos en la barra de herramientas el modo superficie de disipación

 

 

Dibujamos el área que deseamos dejar libre de cobre con las herramientas de dibujo. Al terminar de hacerlo nos aparece la ventana de diálogo de configuración de la superficie de disipación.

 

 

Es importante que elijamos la misma capa donde está ya situada nuestra superficie de disipación. Debemos elegir como 'tipo' la opción 'empty'.

 

 

Y ya tenemos un área sin cobre dentro de nuestra superficie de disipación.

Los 'mordiscos de ratón' son los bordes afilados que quedan en las placas de circuito impreso cuando las fabricamos utilizando paneles y para separar unas de otras usamos una fila de taladros. Los 'mordiscos de ratón' son una linea de pequeños orificios similares a los que tienen en sus bordes los sellos postales. Al partir las placas por estos agujeros aparecen unos bordes ásperos. 

 

Frente a esta técnica las placas panelizadas usando ranuras en V muestran un aspecto  mucho más suave. Los 'mordiscos de ratón' pueden resultar un procedimiento más económico que las ranuras en V en determinadas circunstancias. Pero el resultado final es mucho mejor con las ranuras en V.

 

 

 

Muchas veces es necesario crear un taladro en nuestra PCB para que sirva para situar en él algún tipo de soporte. En muchos casos no importará si ese taladro es metalizado y podemos utilizar cualquier 'pad' estandar que tengamos definido en Proteus. Pero hay muchas razones que nos pueden conducir a desear que no el taladro no sea metalizado.

 

 

Para hacerlo, podemos seguir los siguiente pasos.

 

Primero colocamos en nuestra placa un pad circular estandar del tamaño deseado.

 

 

Si vemos la vista 3D observaremos que es un taladro metalizado y que no hay ninguna pista conectada a él.

 

 

Seleccionamos el taladro y abrimos el menú contextual para selecciona la opción 'editar las propiedades'

 

 

Seleccionamos como capa 'drill hole' y como taladro 'unplated'

 

 

Veremos que la representación del taladro ha cambiado. Ya no aparece una almohadilla para soldar y sólo se muestra un círculo con una cruz en el interior para seleccionar el centro.

 

 

Si ahora volvemos a la vista tridimensional podemos observar que nuestro taladro ahora sólo es un agujero y no está metalizado.