Cómo funciona el montaje de tarjetas de circuito: Componentes, procesos y desafíos
Cómo funciona el montaje de tarjetas de circuito: Componentes, procesos y desafíos
Los montajes de tarjetas de circuito (CCA, por sus siglas en inglés Circuit Card Assembly) son esenciales para la electrónica moderna, ya que permite fabricar dispositivos compactos y de alto rendimiento. Este tipo de fabricación requiere profesionales calificados para diseñar el esquema y luego ensamblarlo. Una de las principales ventajas de los CCA es su capacidad para soportar diseños más complejos en comparación con otros métodos de fabricación. Además, los CCA ofrecen una solución rentable, ya que su proceso de producción más rápido reduce tanto el tiempo como los costes. Este artículo se abordan algunas metodologías comunes, procedimientos de diseño y desafíos relacionados con el ensamblaje de tarjetas de circuito.
Elementos esenciales de un montaje de tarjeta de circuito (CCA)
Un montaje de tarjeta de circuito tiene varios aspectos que permiten el funcionamiento adecuado del circuito. Estos se pueden dividir en:
● Placa de circuito impreso (PCB)
● Componentes electrónicos
● Conectores a bordo (Onboard Connectors)
1. Placa de circuito impreso (PCB):
El montaje de circuitos está presente en todos los dispositivos electrónicos, y la PCB proporciona la plataforma base para el ensamblaje y cableado de componentes electrónicos. Los componentes básicos esenciales de una PCB son:
● Sustrato: Es la base sobre la que se ensamblan todos los componentes eléctricos. Los materiales del sustrato varían según el tipo de ensamblaje (PCBA), pueden ser placas flexibles, rígidos o placas de núcleo metálico. Generalmente, se utiliza fibra de vidrio en las PCBs rígidas, mientras que el poliimida es común en las PCBs flexibles.
● Copper Traces: Pistas de cobre: Son los caminos conductores que conectan los diferentes componentes de la PCB. El sustrato y la lámina de cobre se laminan juntos mediante calor. Dependiendo de las capas de la PCB, pueden grabarse varias capas de cobre según el esquema del circuito.
● Máscara de soldadura: Es una capa protectora delgada que cubre las partes conductoras del circuito para prevenir la corrosión y reducir el riesgo de cortocircuitos durante el proceso de la soldadura. También ayuda a los fabricantes a colocar los componentes con precisión en la PCB.
● Serigrafía: Es la capa superior de la PCB donde se encuentran los símbolos, valores y textos importantes. La serigrafía facilita la comprensión de la disposición y funcionalidad de la PCB.
2. Componentes electrónicos:
Los componentes electrónicos son la fuerza motriz de un montaje de tarjeta de circuito (CCA). Su ubicación es crucial para lograr un diseño y rendimiento óptimos. Aunque un CCA puede contener numerosos componentes, los siguientes son comúnmente encontrados en casi todos los ensamblajes.
Los circuitos electrónicos se diseñan utilizando componentes como resistencias, condensadores, inductores e circuitos integrados. El comportamiento de estos circuitos puede analizarse y predecirse utilizando la teoría de circuitos y modelos matemáticos. Puede consultar la guía detallada sobre componentes comúnmente utilizados y sus aplicaciones.
● Resistencias: Las resistencias son componentes que limitan el flujo de corriente eléctrica. Son fundamentales para controlar los niveles de corriente y dividir el voltaje dentro de un circuito. Las resistencias funcionan conforme a la ley de Ohm, que establece que "el voltaje aplicado a través de los terminales de una resistencia es directamente proporcional a la corriente que fluye a través de ella".
● Condensadores: Los condensadores almacenan y liberan energía eléctrica. Almacenan energía eléctrica en forma de campo eléctrico. Un condensador bloquea las señales de corriente continua (CC) y permite las señales de corriente alterna (CA). Los Condensadores también se usan con resistencias en circuitos temporizadores. Son comunes en aplicaciones de filtrado, suavizado y temporización.
● Inductores: Un inductor, también conocido como resistor de CA, almacena energía eléctrica en forma de energía magnética. Resiste los cambios en la corriente y la unidad de medida estándar de la inductancia es el henrio (Henry). Al pasar corriente a través de él, el inductor almacena energía en un campo magnético. Se utilizan en aplicaciones de filtrado, sintonización y almacenamiento de energía.
● Transistores: Un transistor es un dispositivo semiconductor de tres terminales. Principalmente se usa como dispositivo de conmutación y también como amplificador. Este dispositivo de conmutación puede ser controlado mediante voltaje o corriente. Al controlar el voltaje aplicado a un terminal, se controla el flujo de corriente a través de los otros dos terminales.
● Diodos: Los diodos permiten que el paso de corriente en una sola dirección, lo que los hace cruciales para funciones como la rectificación y la demodulación de señales. Tienen dos terminales, anodo y cátodo. Se usan principalmente en circuitos de conversión, como circuitos de CA a CC.
● Circuitos integrados (CI): Los CI son circuitos electrónicos miniaturizados que contienen múltiples componentes electrónicos, como transistores, resistencias y condensadores, fabricados en un solo chip de semiconductor. Son la base de la mayoría de los dispositivos electrónicos actuales, como teléfonos móviles, ordenadores, etc. Existen circuitos integrados tanto analógicos como digitales.
3. Conectores a bordo (Onboard Connectors):
Los conectores son una parte crítica en las tarjetas de circuito, ya que aseguran la conectividad entre la tarjeta y los componentes externos, permitiendo que las señales fluyan sin problemas hacia y desde el circuito. Los conectores interfazan el montaje de tarjeta de circuito con dispositivos externos como PCB, sensores u otros componentes. Además de la conectividad, estos componentes ayudan a lograr un enfoque modular en los circuitos electrónicos. Según su uso, existen varios tipos de conectores, como:
Conectores placa a placa - Permiten la conexión entre dos placas PCB. Estos son a menudo necesarios en sistemas donde una placa de circuito debe comunicarse con dos o más PCBs. Por ejemplo, los sistemas embebidos se conectan con varios módulos de sensores a través de pines de conectoresespecíficos.
Conectores de entrada/salida (I/O) - Estos conectores permiten la interfaz del CCA con componentes externos. Se utilizan para la transmisión de datos o potencia. Algunos ejemplos son los conectores USB, HDMI y Ethernet.
Conectores cable a placa - Estos conectores proporcionan conectividad entre cables de sensores, actuadores y la PCB. Estos conectores están diseñados para manejar la flexibilidad de los cables sin interrupción de la señal.
Conectores de alta frecuencia - Se utilizan para conectar señales de radiofrecuencia y microondas. Los conectores aseguran una pérdida mínima de señal, gracias a el uso de elementos dieléctricos, tolerancias ajustadas y blindajes avanzados.
Conectores FPC/FFC - Los conectores FPC (circuito impreso flexible) y FFC (cable plano flexible) atienden a componentes electrónicos flexibles. Los conectores FPC conectan placas de circuito impreso flexibles y delgadas, mientras que los conectores FFC conectan cables que son planos, extremadamente delgados, similares a una cinta, compactas y flexibles.
Tipos de montaje de tarjeta de circuito
1) Montaje en caja
Los montajes en caja, también conocidos como integración de sistemas, se refieren a un PCBA o CCA básico alojado dentro de una carcasa/gabinete. Un montaje de caja típico incluye tanto componentes electrónicos como electromecánicos, como conectores, fuentes de alimentación, conjuntos de cables personalizados, disipadores de calor y otros accesorios térmicos. Dado que la caja forma parte del diseño del sistema, su carcasa/gabinete también se diseña especialmente según el PCBA.
2) Montaje con tecnología de montaje superficial
La tecnología de montaje superficial (SMT, por sus siglas en inglés) se refiere a la aplicación de componentes electrónicos que se montan directamente sobre la superficie de la PCB. El proceso permite fabricar PCBs compactas y promueve la automatización. Los componentes no necesitan insertarse en orificios pasantes, ya que se sueldan directamente en los pads metálicos en la superficie de la placa, por lo tanto, SMT puede producir circuitos más complejos y compactos, lo que da lugar a la producción de PCB de alta densidad.
3) Montaje de orificio pasante
El ensamblaje de orificio pasante se refiere al uso de PCBs que tienen orificios perforados para permitir que los terminales de los componentes pasen a través de ellos, los cuales luego se sueldan en el lado opuesto de la placa. El montaje de orificio pasante ha evolucionado desde placas de una sola cara, a double cara y hasta placas multicapa aún se utiliza ampliamente en aplicaciones donde los componentes no son compatibles con el SMT, como en el caso de transformadores y condensadores electrolíticos.
¿Cuál es el proceso de ensamblaje de tarjetas de circuito?
El proceso de ensamblaje de tarjetas de circuito generalmente implica varios pasos, incluyendo diseño, fabricación de PCB, aplicación de pasta de soldadura, colocación de componentes, soldadura por reflujo e inspección. Aquí están los pasos detallados del ensamblaje:
1) Diseño de PCB: Este paso implica diseñar la PCB utilizando software CAD. El diseño especifica la posición y orientación de los componentes, así como las conexiones eléctricas entre ellos. Factores como la coincidencia de impedancia, reducción de la compatibilidad electromagnética (EMC) o la interferencia electromagnética (EMI) y disipación de energía son clave que se tienen en cuenta al diseñar la PCB.
2) Fabrication of PCB: Fabricación de PCB: El diseño se imprime en una placa recubierta de cobre mediante el proceso de fabricación de PCB. Para más detalles sobre este proceso, visite nuestra guía paso a paso sobre la fabricación de PCB.
3) Aplicación de pasta de soldadura: La pasta de soldadura se aplica a la placa utilizando una plantilla, lo que garantiza que la pasta se aplique en las ubicaciones correctas con densidad uniforme.
4) Colocación de componentes: Máquinas automatizadas o técnicos colocan manualmente los componentes SMD y de orificio pasante en la placa.
5) Soldadura por reflujo: La placa se calienta en un horno de reflujo donde se funde la pasta de soldadura y une los componentes a la placa. Se pueden utilizar diferentes técnicas de soldadura según las especificaciones de la placa.
6) Inspección: La placa se inspecciona para garantizar que todos los componentes estén correctamente soldados y que no haya defectos. Generalmente, se utilizan máquinas de Inspección Óptica Automatizada (AOI), rayos X y sondas voladoras para fines de inspección.
7) Recubrimiento conformal y embalaje: Dependiendo de la aplicación, el CCA puede recibir un recubrimiento conformal protector o ser encapsulado en resina para mayor protección contra factores ambientales y estrés mecánico. El CCA se monta en una carcasa, se conecta a otros componentes del sistema y se embala para su envío al usuario final.
Técnicas de soldadura empleadas en SMT::
Existen dos técnicas principales de soldadura utilizadas en el montaje en superficie:
Soldadura por reflujo:
1. Aplicar pasta de soldadura a la PCB.
2. Colocar los componentes utilizando máquinas pick-and-place.
3. Calentar en un horno de reflujo a través de las siguientes etapas: precalentamiento, remojo, reflujo y enfriamiento.
Es un proceso preciso, automatizado y adecuado para componentes SMD complejos. Sin embargo, existe el riesgo de estrés térmico y la posibilidad de que se formen vacíos en las juntas de soldadura.
Soldadura por ola:
1. Aplicar flux a la PCB.
2. Precalentar la PCB.
3. Pasar la PCB sobre una ola de soldadura fundida.
4. Enfriar para solidificar las juntas de soldadura.
Es una técnica muy eficiente para componentes de orificio pasante y algunos SMDs, ideal para producción en grandes volúmenes. Cuando el volumen de producción es alto y hay muchos componentes de orificio pasante, la soldadura por ola es la opción correcta. En el proceso se utiliza un baño de soldadura líquida para adherir las piezas metálicas al fondo de la placa. Una máscara de soldadura evita que la soldadura se adhiera a áreas donde no se requiere soldadura.
Sin embargo, debido a la menor precisión para componentes de paso fino, existe el riesgo de puentes de soldadura y defectos. Cada técnica se selecciona según el tipo de componentes, el volumen de producción y los requisitos específicos de la PCB.
Problemas comunes en el ensamblaje de tarjetas de circuito y soluciones
Existen varios problemas que pueden surgir durante el proceso de ensamblaje de tarjetas de circuito. Veamos algunos problemas comunes y sus soluciones:
1) Problemas de soldadura: Los problemas de soldadura pueden incluir juntas de soldadura incompletas, juntas de soldadura secas y exceso de soldadura. Estos problemas pueden ser causados por una aplicación incorrecta de pasta de soldadura y por configuraciones de temperatura incorrectas. Las soluciones incluyen ajustar las configuraciones de temperatura según las especificaciones indicadas en la pasta de soldadura proporcionada por el fabricante.
2) Problemas de colocación de componentes: Los problemas de colocación de componentes pueden incluir mal posicionamiento y desalineación de los componentes. Estos problemas pueden ser causados por una orientación incorrecta de los componentes o configuraciones incorrectas de la máquina. Las soluciones incluyen ajustar manualmente la posición de los componentes o ajustar las configuraciones de la máquina.
3) Problemas de diseño: Los problemas de diseño pueden surgir debido a especificaciones de diseño inexactas o huellas (footprints) de componentes incorrectas. Estos problemas pueden ser el resultado de errores en los archivos de diseño o datos de componentes inexactos. La solución sería actualizar los archivos de diseño o rectificar los datos de los componentes.
4) Gestión térmica: A medida que aumenta la densidad de componentes y el consumo de energía, el calor generado dentro del ensamblaje aumenta, lo que lleva al sobrecalentamiento de los componentes, reducción del rendimiento y disminución de la fiabilidad. La solución sería diseñar los componentes de potencia alejados entre sí y reservar más área para ellos.
Avances en la tecnología de CCA
La tecnología de CCA ha experimentado muchos avances desde su inicio. A lo largo de los años, los siguientes avances han revolucionado los conceptos de diseño para CCAs. Aquí están algunos de los puntos principales:
● PCBs de interconexión de alta densidad (HDI)
● Mayor densidad de componentes
● Mejora en las técnicas de empaquetado 3D
● Mejora en la gestión térmica
Obtenga su servicio de ensamblaje CCA en solo 3 pasos:
Subir: Suba sus archivos Gerber, BOM y CPL para obtener una cotización instantánea en JLCPCB.
Seleccionar: Select the parts and components to be placed for assembly. Assembly Prices start at a $8.00 setup fee and a minimal assembly fee of $0.0017 per joint.Seleccione las piezas y componentes para ensamblar. Los precios de ensamblaje comienzan con una tarifa de configuración de 8.00$ y una tarifa mínima de ensamblaje de 0.0017$ por junta.
Recibir: Un proceso optimizado desde el pedido, la adquisición de piezas y el prototipado de PCB que le permite iterar, mejorar y entregar a tiempo.
Conclusión
El ensamblaje de tarjetas de circuito CCA no es ideal para la producción en masa debido a su complejidad en comparación con otros métodos de fabricación, lo que hace que sea un desafío producir grandes cantidades de tarjetas de circuito de manera eficiente. Otra desventaja del CCA es que puede ser difícil replicar un diseño. Esto se debe a que el diseño se crea utilizando un programa informático. Si el diseño se pierde, puede ser muy difícil recrearlo.
Sin embargo, la tecnología CCA ha revolucionado la electrónica al permitir la creación de dispositivos compactos y de alto rendimiento en diversas industrias. Los CCAs son esenciales para sistemas que abarcan desde la electrónica de consumo hasta aplicaciones aeroespaciales, ofreciendo una funcionalidad y fiabilidad excepcionales dentro de factores de forma más pequeños. Innovaciones como las PCBs de interconexión de alta densidad (HDI) y las técnicas de empaquetado 3D continúan ampliando los límites de lo que es posible en diseño, mejorando al mismo tiempo el rendimiento de los dispositivos.
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