Pruebas y verificación 20




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4.Automatización del proceso



En este apartado se tratara un caso de estudio concreto sobre un proceso automatizado de fabricación de placas base. Este caso concreto es el de la empresa Gigabyte Technology con su modelo de placa base P4 Titan. En esta fabrica se parte de PCB’s prefabricados por lo que el proceso automatizado de fabricación en este caso partirá a partir de ellos y el montaje de los componentes. Concretamente los pasos de la fabricación que se van a tratar son: Aplicación de la pasta de soldadura, posicionamiento de los componentes sobre el PCB, cadena de montaje manual, soldadura de los componentes y comprobación del hardware.
Al contrario de lo que se pueda pensar, este proceso de fabricación no esta totalmente automatizado y sigue siendo necesaria la intervención humana en algunos aspectos del proceso de fabricación para completar con éxito dicho proceso.

4.1.Aplicación de la pasta de soldadura

Para la aplicación de la pasta de soldadura sobre la placa de circuito impreso se utilizan unas maquinas denominadas Screen Printers (Fig. 4.1). Este tipo de maquinas extienden la pasta de soldadura sobre la placa utilizando unas plantillas perforadas diseñadas a partir del esquema del circuito impreso realizado durante el proceso de diseño.


Fig. 4.19 "Screen Printer" de DEK, modelo Infinity
Un ejemplo de Screen Printer es la DEK Infiinity. Esta maquina carga automáticamente las placas de circuito impreso, de un tamaño máximo de 508mm x 508mm, empleando una serie de raíles. Estos colocan correctamente la placa bajo la plantilla, ayudándose de una serie de sensores de posición. La pasta de soldadura se extiende sobre la placa, llegando únicamente a los lugares donde se montaran los componentes SMT, utilizando una espátula (Fig. 4.2). Estas espátulas son generalmente de acero inoxidable o latón y están controladas mecánicamente por la maquina, que ejerce la presión adecuada para que la pasta solo se cuele por los orificios de la plantilla y no llegue debajo de ella. Esta presión dependerá de la calidad y del tipo de pasta de soldadura que se aplique. Por medio del mismo sistema de raíles las placas se colocan sobre un “rack” donde esperaran a ser recogidas para comenzar con el montaje de los componentes.


Fig. 4.20 Aplicación de la pasta de soldadura

La duración de un ciclo es de 8 segundos y el proceso completo tarda unos dos minutos mientras recoge la placa, la coloca, esparce la pasta y la lleva al rack.
Esta maquina permite la comunicación través de una red basada en el bus de campo llamada ISCAN, que permite una comunicación muy sofisticada con la maquina, procesos de análisis y verificación, capacidades de diagnostico “on-board”, consultar toda la información online a través de DEK InterActiv™,…
Dispone además de una pantalla táctil que utiliza un software especifico de DEK, denominado Instinctiv™ V9 (Fig. 4.3). Este software permite la configuración de la maquina y muestra información sobre el proceso de fabricación, como por ejemplo, la duración actual del ciclo de producción, el numero de placas que han completado este proceso,… además de este software, la compañía ofrece módulos opcionales de hardware y software, como puede ser una cámara que reconoce cuando se esta acabando la pasta de soldadura y es necesario cambiarla, o cuando la espátula esta demasiado sucia y hay que limpiarla,… con solo analizar como se ha repartido la pasta de soldadura sobre la placa.


Fig. 4.21 Interfaz de Instinctiv™ V9
Video de funcionamiento de la DEK Infinity Youtube
4.2.Posicionamiento de componentes en el PCB
La tecnología SMT fue desarrollada por Siemens con el objetivo de reducir el tamaño de los componentes electrónicos por lo que también fue necesario desarrollar máquinas que automatizasen el proceso en el que intervienen dichos componentes. En los sistemas que implementan SMT se utiliza un tipo de máquinas denominadas Pick&Place. Estas máquinas son capaces de colocar entre 20.000 y 36.000 componentes por hora, es decir, entre 6 y 10 componentes por segundo (Fig. 4.4). Los parámetros que condicionan este factor serán explicados más adelante.
Una máquina de montaje consiste de componentes independientes que deben operar de forma sincronizada. Una cabeza de colocación de componentes unida a un brazo móvil recoge los componentes de una cinta transportadora (módulo de suministro) y los transporta a la posición de montaje. El paso que hay entre recoger los componentes y posicionarlos en el circuito integrado requiere una considerable cantidad de tiempo, por lo que cuanto más rápido se haga esta fase, más rápido se hará el producto.


Fig. 4.22 Segmento de una cabeza posicionadora
Otro elemento importante es el de suministro de componentes. Actualmente, los componentes son distribuidos empaquetados en “cinturones” mediante rollos (Fig. 4.5). Este principio es similar al clásico utilizado en fotografía (rollos de películas). El cinturón está provisto de unos pequeños bolsillos o compartimientos que contienen en su interior los componentes, y unos agujeros en los bordes que aseguran un transporte preciso. Los rollos de cinturón entran por una cinta transportadora de modo que siempre hay un componente listo para ser recogido por la cabeza de colocación. El suministro de componentes debe estar garantizado en todo momento, incluso cuando varios componentes, uno después de otro y desde el mismo cinturón, están involucrados.


Fig. 4.23 Cinturones de un modulo de suministro de componentes
La unidad de 20 segmentos de recogida y posicionamiento de componentes (20-segment Collect&Place unit) es como el corazón de la máquina. Primeramente, es un componente altamente dinámico utilizado en construcciones ultra-ligeras (con inercia despreciable). Por otro lado, debe mantener tantos componentes en cada momento como sea posible. Cuantos más componentes tenga por ciclo, menos veces tendrá que acudir hacia la cinta transportadora para recoger componentes y volver al circuito integrado, lo que resultará en una mayor velocidad de operación (Fig. 4.6). La cabeza es capaz de extraer y sostener los componentes en su lugar mediante presión negativa de las pipetas. Una cámara registra los componentes que están firmemente conectados a la pipeta, compara su posición con la posición destino y emite un comando al micro-motor de la pipeta de modo que se coloca en la posición correcta. La cabeza de 20 segmentos C&P, que tiene una forma ligeramente cónica para tener más espacio para los componentes, incluye veinte pipetas, cada una con su propio motor. Estos motores son brushless, es decir, sin escobillas, y tienen un diámetro de 8-9 milímetros incluyendo el sensor de posición.


Fig. 4.24 Unidad Collect&Place de 20 segmentos
Para hacer que la cabeza de 20 segmentos C&P trabaje con la mayor productividad posible, el suministro de componentes debe ser realizado con la mayor precisión posible, por lo que se utilizan cinturones de componentes en vez de cintas transportadoras por vibración. Hasta hace poco, esta unidad consistía en uno, dos o tres cinturones los cuales funcionaban al mismo tiempo como un todo, incluso cuando solo se cambiaba un componente. Para aumentar la eficiencia, fue necesario que todos estos cinturones incorporasen tres cintas transportadoras independientes.


Fig. 4.25 SIPLACE X Series de Siemens
Por último, como se puede observar en la imagen (Fig. 4.7), estas máquinas incorporan un terminal provisto de monitor y teclado a través del cual el operario puede visualizar y ajustar determinados parámetros del proceso. En la siguiente imagen (Fig. 4.8) se puede observar una aplicación de control basada en Windows tan sencilla que apenas requiere un entrenamiento previo por parte del operario.


Fig. 4.26 Software de control de una maquina pick&place para Windows

4.3.Cadena de montaje manual
Aunque este no es un proceso automatizado, se ha decidido hablar de el ya que si no el siguiente punto del proceso de fabricacion no se comprenderia totalmente.
Los componentes Through Hole de los que ya se ha hablado en puntos anteriores, requieren del montaje manual por parte de una serie de operarios. Estos componentes son en general mas grandes que los componentes SMT y por tanto mas faciles de montar. Entre estos componentes se encuentran los puertos de comunicación de E/S, condensadores, slots de memoria, socket de la CPU, …


Fig. 4.27 Operarias colocando los distintos componentes del PCB

Los PCB’s pasan delante de decenas de operarios por medio de una cinta transportadora. Cada operario se encargara de montar, de forma rapida y precisa, un componente en cada uno de los PCB’s que vayan pasando, en su posicion exacta a traves de los agujeros previamente perforados del PCB. La misma cita transportadora llevara los PCB’s hasta la siguiente fase de la fabricacion.


4.4.Soldadura de los componentes al PCB
Todo lo que se conectó al PCB en fases anteriores así como puertos, sockets, condensadores, etc, ahora debe ser soldado a la placa base. Si este proceso se hace de modo manual, se consumiría mucho tiempo por lo que se realiza un proceso especial de soldado llamado wave soldering. Aunque este concepto se define y se explica con más profundidad en la sección de Conceptos, a continuación se muestra una imagen en la que pueden apreciarse las “olas” de soldadura líquida (Fig. 4.10) a través de la cual pasarán los PCBs con los componentes colocados en su sitio.


Fig. 4.28 Ola de soldadura liquida
La empresa APS Novastar ofrece en su página Web un amplio catálogo de máquinas, entre ellas Wave solders, catalogadas por tamaños en función del tipo de trabajo a realizar (Fig 4.11). Si observamos con detenimiento las especificaciones técnicas de cada modelo podemos encontrar información relevante como la temperatura máxima de soldadura, el peso y tamaño máximo que soportan, etc.


Fig. 4.29 "Wave solder machines" de APS Novastar
Todos los modelos cuentan con pequeño terminal para configurar ciertas características del proceso (Fig. 4.12) por medio de un teclado de membrana. Estas máquinas gozan de un interfaz de comunicaciones RS-232 y hacen posible la conexión de un PC con un sistema operativo Microsoft Windows instalado.


Fig. 4.30 Keypad de una Wave Solder Machine
Algunas de las características representativas de cada máquina de este tipo son:

  • Ancho de la ola de fluido.

  • Máxima altura de la ola de fluido.

  • Capacidad del cubo de soldadura.

  • Velocidad máxima de la cinta transportadora.

  • Etc.



4.5.Comprobación del hardware
Aunque en esta fase no se utilizan máquinas automatizadas propiamente dichas, se utiliza un sistema que hace al operario que su trabajo sea más ameno y puedan centrarse en su función.
Cada operario posee su puesto de testeo que está habilitado con un rack (o estante) especial que es deslizado en sentido vertical reumáticamente, conectando de forma automática en el test las tarjetas PCI (Fig. 4.13) mientras que el técnico conecta los cables IDE, memoria, procesador y sistema de refrigerado manualmente. Aunque esto parece un proceso lento, no lo es, ya que el procesador se une al la parte inferior del refrigerador con adhesivo y, todo el bloque junto, se coloca en el socket de un movimiento rápido. Es importante observar que las tarjetas PCI y de vídeo se encuentra en la parte superior del rack.


Fig. 4.31 Rack neumático superior que conecta las tarjetas a los puertos PCI
Un segundo conector neumático se acopla en la parte derecha conectando los puertos paralelo, serie, PS/2 y USB, así como los jacks de la tarjeta de sonido y red, automáticamente de un solo movimiento (Fig. 4.14). El técnico conecta manualmente los discos duros, CDs y disqueteras.


Fig. 4.32 Placa base completamente conectada para comenzar con el test
Conectar todo esto a una placa base para testearla se hace en menos de un minuto. Una vez que todo está listo, se enciende la placa y se arranca un programa de testeo automatizado basado en DOS para confirmar la funcionalidad de cada periférico y componente.
Un ultimo proceso de testing que se realiza son las pruebas de estrés o Benchmarks. Este tipo de pruebas sirven para comprobar el rendimiento de las placas en las condiciones mas duras. Se emplean camaras donde se colocan las placas base y se conectan a un sistema de pruebas que realizara varias iteraciones de un Benchmark a temperaturas que rondan los 40ºC (Fig. 4.15). El software de Benchmark empleado por esta empresa es 3DMark 2001


Fig. 4.33 Placas base ejecutando el Benchmark
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