Consejos y trucos de ensamblaje

Después de haber finalizado tu diseño de PCB en Altium y de que las PCBs han llegado, es momento de pensar en cómo ensamblar las tarjetas para su verificación. Ya sea para producción masiva o propósitos de prototipado, un diseñador debe estar consciente de las técnicas de ensamblaje. Debería ser parte del proceso de revisión del diseño para asegurar que la tarjeta ha sido revisada contra problemas de Diseño para el Ensamblaje (DFA). El enfoque principal de este artículo será el ensamblaje manual, así que compartiré varios consejos y trucos de mi experiencia, como la selección de plantillas y pasta de soldar, desafíos de delta de temperatura, soldadura de componentes, etc.

Crear una Plantilla de Pasta de Soldar

En primer lugar, usar una plantilla para esparcir la pasta de soldar es un enorme ahorro de tiempo comparado con dispensarla con una jeringa. Casi todas las casas de fabricación de prototipos de circuitos impresos en el mundo ofrecen plantillas sin marco ultra baratas, o algunas compañías ofrecen servicios independientes para producir prototipos de bajo costo. Dicho esto, vale cada centavo no tener que soldar a mano cada componente de montaje superficial, y es mucho más fácil al mismo tiempo.

Aunque hay diferentes procesos o materiales para la producción de plantillas, simplemente se trata de tener aperturas de tierra de soldadura en una lámina de metal delgada, generalmente acero inoxidable. Dependiendo del tamaño mínimo de paso en el arte, se podrían usar plantillas químicamente grabadas o cortadas por láser. El grabado químico es óptimo si tu diseño tiene componentes de paso muy fino. Los tamaños de pad más pequeños también determinan el grosor de la lámina de metal para que se pueda preservar la relación de aspecto correcta para la cantidad correcta de disposición de pasta de soldar. La prototipación y la producción de lotes pequeños generalmente no requieren un marco alrededor de la plantilla a menos que planees usar máquinas de ensamblaje, así que optar por una plantilla sin marco reducirá el costo.

Desde una perspectiva diferente, si estás más inclinado al bricolaje y tienes acceso a un cortador láser, incluso puedes producir una plantilla a partir de transparencias de impresora láser.

Puede que hayas intentado cortar una lámina con láser. Puede que no haya ido muy bien, resultando en un desastre derretido. Sin embargo, aquí es donde entran en juego las transparencias de impresora láser, donde las hojas de acetato pueden manejar temperaturas más altas y tienen aproximadamente el grosor correcto. Todo se trata de la gestión térmica, y hay algunos trucos para mejorar la operación de corte láser de una plantilla. Primero, ya que las hojas de acetato son ligeras, no querrás cortar directamente en la cama del láser ya que podrían moverse fácilmente durante el proceso. Mi solución preferida es usar una sección plana de caja de cartón empapada en agua para la primera capa, que se cubre con una hoja de papel de copia también empapada en agua. Encima de esto se añade la hoja de transparencia y otra hoja de papel de copia empapada en agua. Uno podría pensar que es mucha agua para empapar las cosas, pero un haz de láser no tiene problema con el agua; al contrario, mantiene todo agradable y fresco para que la plantilla no se derrita. Puedes disminuir la asistencia de aire a un nivel mínimo que no seque el papel y mantenga la lente limpia.

Mantén tu velocidad de movimiento baja a menos que cuentes con una máquina de alta gama como Trotec o Epilog. Algunos láseres pueden rebotar de las correas, resultando en esquinas imprecisas y destruyendo las pequeñas láminas entre los pads de componentes de paso fino. Como último ajuste, el nivel de potencia debe establecerse para cortar la primera capa de cartón pero no completamente, asegurando que tienes suficiente potencia para cortar limpiamente sin calor innecesario.

Fijación y Aplicación de Pasta

Después de tener la plantilla, es crucial alinearla precisamente encima de la placa de circuito. Mi solución hasta hace poco era usar cinta adhesiva para fijar placas de circuitos antiguos en mi escritorio formando un marco, hasta que recientemente corté una lámina de acrílico con láser para hacer mis esténciles. No necesariamente tiene que ser una superficie cortada con láser, pero cualquier cosa rígida y plana, como un portapapeles o una tabla de cortar, debería hacer el mismo trabajo.

En lugar de usar PCBs sobrantes para sostener la placa en mi lámina de acrílico, también he impreso en 3D bordes para la placa con un labio que asegura que la plantilla no se asiente en nada más alto que la superficie de la placa. Tener la plantilla reposando suavemente en la superficie superior de la placa ayudará a reducir el efecto de manchado manteniendo la placa en contacto con la plantilla durante todo el proceso. También he encontrado útil pegar la plantilla a otro elevador de plástico que actúa como una bisagra, permitiéndonos levantarla limpiamente. No temas usar cinta adhesiva extra en el borde opuesto de la plantilla para evitar cualquier desplazamiento, ya que la alineación durante la aplicación es vital. Hay muchas maneras de lograr una alineación precisa por ti mismo, especialmente después de la revolución de la impresión 3D, y esta es solo una de ellas.

El siguiente paso es aplicar la pasta de soldar, pero debes tener la pasta adecuada. Prefiero usar la serie GC10 de Henkel Loctite en tamaño de malla T4 o T5, donde mientras más fina la malla, mejor la aplicación en pads pequeños. Esta pasta es perfecta para prototipos por un par de razones. Primero, tendrás más de 8 horas de tiempo de ensamblaje antes de que la pasta se deteriore. Además, para que sea estable a temperatura ambiente, no necesita necesariamente ser almacenada en el refrigerador. Aunque la pasta de soldar de buena calidad es costosa, un bote de ella te servirá bien más allá del final de su vida útil. No te preocupes si la pasta ha expirado - como un truco salvavidas, en lugar de desechar la pasta expirada que es difícil de esténcilar, puedes simplemente añadir algo de flujo en gel a la pasta. SMD291 de CHIPQUICK es de lejos la mejor elección para mí sobre cualquier otro flujo en gel, y no puedo pensar en un dúo mejor que pasta expirada mezclada con flujo expirado.

Ahora que tienes pasta en todas las almohadillas, es hora de colocar los componentes. Las pinzas curvas son mis favoritas porque ofrecen mejor visibilidad y precisión al colocar los componentes. Sin embargo, aconsejo fuertemente evitar a toda costa las pinzas baratas de paquetes múltiples: no valen la pena. Estás buscando acero inoxidable o cerámica ESD en un patrón 7SA. También me encanta tener mangos acolchados, ya que son mucho más cómodos durante largas sesiones de ensamblaje.

Mantén el Seguimiento de las Partes con el Asistente de Ensamblaje

Imprimir el dibujo de ensamblaje es una opción para rastrear qué parte va a dónde. Recientemente he probado Altium 365 Assembly Assistant, que es mucho más práctico que las impresiones. Es fácil seguir el progreso del ensamblaje por la población virtual de la placa y las funciones de búsqueda con buen feedback visual. Haz clic en el enlace si te gustaría probarlo; es posible que no quieras volver a las impresiones.

Cuando haces el reflujo de la placa, obtienes algo de ayuda de la tensión superficial, lo que te da cierta libertad en la precisión de colocación. Mientras los terminales del componente toquen la pasta, la pieza se enderezará durante el reflujo, facilitando tu vida al colocar componentes pequeños como el paquete 0201. Cuando se trata de la colocación de ICs, solo asegúrate de que los terminales estén alineados con la pasta y no toquen una almohadilla adyacente, luego deja el resto a la tensión superficial. No hay necesidad de preocuparse si no está colocado correctamente durante el reflujo; si no estás seguro, da al IC un pequeño empujón mientras el soldador aún está líquido, y este volverá a su lugar o saltará fuera de alineación. Si está fuera de alineación, puedes recogerlo y colocarlo de nuevo.

Una simple estación de retrabajo de aire caliente controlada por temperatura generalmente es adecuada para el reflujo de la mayoría de las placas. La estación de retrabajo estilo 858D ha servido bien el propósito durante más de una década en mi laboratorio; es barata y hace el trabajo lo suficientemente bien. Solo ten en cuenta que tu banco y la alfombrilla ESD podrían derretirse durante el reflujo. Uso hojas de silicona estilo pirámide para mantener la placa caliente y aislar la parte superior de mi banco. No necesitas ir al gasto de un horno tostador para un reflujo; sin embargo, si eliges, revisa picoReflow, que es un proyecto de código abierto que toma control de tu horno.

El proceso de reflujo puede complicarse un poco si tienes una placa con mucha masa térmica, como núcleos de metal o muchas capas de cobre de gran peso. Hacer que la placa alcance la temperatura adecuada puede llevar más tiempo, provocando que el flujo se evapore antes de que la soldadura se haya refluído completamente. Podrías necesitar considerar el uso de un precalentador, ya que la estación de reflujo por sí sola podría no ser suficiente. Si estás dispuesto a asumir el costo, JBC fabrica algunos de los mejores precalentadores profesionales. Yo utilizo la alternativa de bajo costo Quick 854, que tiene un área calentada limitada y control. Alternativamente, una sartén eléctrica barata o una parrilla Teppanyaki es una alternativa económica para precalentadores profesionales; sin embargo, tienen un control de calor deficiente que alterna entre sobrecalentamiento o no proporcionar suficiente calor.

Si tu laboratorio tiene un precalentador, puedes pensar en usarlo para todo el proceso de reflujo. Aunque son capaces, prefiero no usarlos para reflujo. En su lugar, me gusta usarlos para calentar la placa a la temperatura de remojo de la pasta, luego usar mi estación de aire caliente para calentar selectivamente la placa – una área a la vez, lo que me permite monitorear el derretimiento de la soldadura. Hacer esto también reduce mi tiempo de rework para problemas de ensamblaje, ya que puedo corregir cualquier problema sobre la marcha. No es un reemplazo completo para un horno de reflujo industrial de múltiples zonas. Sin embargo, solo un pequeño porcentaje de mis placas presentan problemas como el tombstoning o la colocación desalineada.

Las partes de montaje a través del orificio son las últimas en el proceso de ensamblaje. Deberías comenzar el ensamblaje a través del orificio tan pronto como la placa se haya enfriado lo suficiente para manipularla, especialmente si tu placa tiene mucha masa térmica. Trabajar con la placa caliente disminuirá el delta de temperatura y hará tu vida más fácil durante el soldado. Vale la pena mencionar que una estación de soldadura de buena calidad te ayudará mucho, además de seleccionar la geometría de punta correcta. Prefiero las puntas de cincel en lugar de las cónicas, que generalmente son más dolorosas de lo que valen. Si tienes componentes de montaje a través del orificio con mucha masa térmica (como bloques de terminales), calentar el terminal es más desafiante que calentar la placa. Considera usar una punta especializada con una sección cóncava para manejar esos. No importa si la punta es más grande que el componente o el terminal; la tensión superficial te ayudará enormemente. Yo uso felizmente una punta de 3 mm de ancho para rework en partes 0402.

Con todos estos consejos y trucos, prototipar con componentes de montaje superficial sería mucho más fácil y rápido que prototipar con partes de montaje a través del orificio. Intenta hacer prototipos internos; no toma mucho tiempo siempre y cuando mantengas el número de componentes dentro de límites manejables por ti mismo. También es una especie de meditación, y lo encuentro bastante relajante. Sigue para más consejos de ensamblaje para un gran número de componentes, ensamblaje pick-and-place, y así sucesivamente.

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