Tecnología de montaje en superficie

La tecnología de montaje superficial ( SMT ), originalmente llamada montaje planar , ^{[ 1 ]} es un método en el que los componentes eléctricos se montan directamente sobre la superficie de una placa de circuito impreso (PCB). ^{[ 2 ]} Un componente eléctrico montado de esta manera se denomina dispositivo de montaje superficial ( SMD ). En la industria, este enfoque ha reemplazado en gran medida al método de construcción de montaje de componentes mediante tecnología de orificio pasante , principalmente porque la SMT permite una mayor automatización de la fabricación, lo que reduce los costos y mejora la calidad. ^{[ 3 ]} También permite que quepan más componentes en una determinada área del sustrato. Ambas tecnologías pueden utilizarse en la misma placa, aunque la tecnología de orificio pasante se suele utilizar para componentes que no son adecuados para el montaje superficial, como transformadores grandes y semiconductores de potencia con disipador de calor.

Un componente SMT suele ser más pequeño que su equivalente de orificio pasante, ya que tiene terminales más pequeños o carece de ellos. Puede tener pines cortos o terminales de diversos tipos, contactos planos, una matriz de bolas de soldadura ( BGA ) o terminaciones en el cuerpo del componente.

La tecnología de montaje superficial se desarrolló en la década de 1960. Para 1986, los componentes de montaje superficial representaban como máximo el 10 % del mercado, pero estaban ganando popularidad rápidamente. ^{[ 4 ]} A finales de la década de 1990, la gran mayoría de los ensamblajes de circuitos impresos electrónicos de alta tecnología estaban dominados por dispositivos de montaje superficial. Gran parte del trabajo pionero en esta tecnología fue realizado por IBM . El enfoque de diseño demostrado por primera vez por IBM en 1960 en una computadora de pequeña escala se aplicó posteriormente en la computadora digital del vehículo de lanzamiento utilizada en la unidad de instrumentos que guiaba todos los vehículos Saturno IB y Saturno V. ^{[ 5 ]} Los componentes se rediseñaron mecánicamente para tener pequeñas pestañas metálicas o tapas terminales que podían soldarse directamente a la superficie de la PCB. Los componentes se volvieron mucho más pequeños, y la colocación de componentes en ambos lados de una placa se volvió mucho más común con el montaje superficial que con el montaje de orificio pasante, lo que permitió densidades de circuitos mucho mayores y placas de circuito más pequeñas y, a su vez, máquinas o subconjuntos que contenían las placas.

A menudo, la tensión superficial de la soldadura es suficiente para mantener las piezas en la placa; en casos excepcionales, las piezas en la parte inferior o "segunda" cara de la placa pueden fijarse con adhesivo para evitar que los componentes se caigan dentro de los hornos de reflujo . ^{[ 6 ]} A veces se utiliza adhesivo para sujetar componentes SMT en la parte inferior de una placa si se utiliza un proceso de soldadura por ola para soldar simultáneamente componentes SMT y de orificio pasante. Alternativamente, los componentes SMT y de orificio pasante pueden soldarse en la misma cara de una placa sin adhesivo si las piezas SMT se sueldan primero por reflujo, y luego se utiliza una máscara de soldadura selectiva para evitar que la soldadura que sujeta esas piezas en su lugar se vuelva a fundir y las piezas floten durante la soldadura por ola. El montaje superficial se presta bien a un alto grado de automatización, lo que reduce el costo de mano de obra y aumenta considerablemente las tasas de producción.

Por el contrario, la tecnología SMT no se presta bien a la fabricación manual o con baja automatización, que resulta más económica y rápida para la creación de prototipos únicos y la producción a pequeña escala; esta es una de las razones por las que todavía se fabrican muchos componentes de orificio pasante. Algunos componentes SMD se pueden soldar con un soldador manual con control de temperatura, pero aquellos que son muy pequeños o tienen un paso de pines demasiado fino suelen ser prácticamente imposibles de soldar manualmente sin equipos costosos.

En la fabricación se utilizan distintos términos para describir los componentes, la técnica y las máquinas empleadas. Estos términos se enumeran en la siguiente tabla: ^{[ 3 ]}

En la zona donde se colocan los componentes, la placa de circuito impreso suele tener almohadillas planas de cobre , generalmente chapadas en estaño -plomo, plata u oro, sin orificios, llamadas almohadillas de soldadura . La pasta de soldadura , una mezcla pegajosa de fundente y pequeñas partículas de soldadura, se aplica primero a todas las almohadillas de soldadura con una plantilla de acero inoxidable o níquel mediante un proceso de serigrafía . También se puede aplicar mediante un mecanismo de impresión por chorro, similar a una impresora de inyección de tinta . Tras la aplicación de la pasta, las placas pasan a las máquinas de colocación de componentes , donde se colocan en una cinta transportadora. Los componentes que se van a colocar en las placas suelen entregarse a la línea de producción en cintas de papel/plástico enrolladas en carretes o en tubos de plástico. Algunos circuitos integrados grandes se entregan en bandejas antiestáticas. Las máquinas de colocación de componentes de control numérico retiran las piezas de las cintas, tubos o bandejas y las colocan en la PCB.

Las placas se introducen en el horno de soldadura por reflujo . Primero, pasan por una zona de precalentamiento, donde la temperatura de la placa y de todos los componentes aumenta de forma gradual y uniforme para evitar el choque térmico. A continuación, las placas entran en una zona donde la temperatura es lo suficientemente alta como para fundir las partículas de soldadura de la pasta, uniendo así los terminales de los componentes a las almohadillas de la placa de circuito impreso. La tensión superficial de la soldadura fundida ayuda a mantener los componentes en su lugar. Si la geometría de las almohadillas de soldadura está correctamente diseñada, la tensión superficial alinea automáticamente los componentes en sus almohadillas.

Existen diversas técnicas para la soldadura por reflujo. Una de ellas consiste en utilizar lámparas infrarrojas , lo que se conoce como reflujo infrarrojo. Otra técnica utiliza convección de gas caliente . Otra tecnología que está volviendo a popularizarse son los líquidos fluorocarbonados especiales con altos puntos de ebullición, que emplean un método denominado reflujo en fase de vapor. Debido a preocupaciones medioambientales, este método estaba cayendo en desuso hasta que se introdujo la legislación sobre soldadura sin plomo, que exige controles más estrictos en la soldadura. A finales de 2008, la soldadura por convección era la tecnología de reflujo más popular, utilizando aire o nitrógeno gaseoso estándar. Cada método tiene sus ventajas y desventajas. Con el reflujo infrarrojo, el diseñador de la placa debe disponerla de forma que los componentes cortos no queden ocultos por los componentes altos. La ubicación de los componentes es menos restrictiva si el diseñador sabe que se utilizará soldadura por reflujo en fase de vapor o soldadura por convección en la producción. Tras la soldadura por reflujo, ciertos componentes irregulares o sensibles al calor pueden instalarse y soldarse manualmente o, en sistemas automatizados a gran escala, mediante haz infrarrojo focalizado (FIB) o equipos de convección localizada.

Si la placa de circuito impreso es de doble cara, este proceso de impresión, colocación y reflujo puede repetirse utilizando pasta de soldadura o pegamento para fijar los componentes. Si se utiliza soldadura por ola , las piezas deben pegarse a la placa antes del procesamiento para evitar que se desprendan al fundirse la pasta de soldadura.

Tras la soldadura, las placas se pueden lavar para eliminar los residuos de fundente y cualquier partícula de soldadura suelta que pudiera provocar un cortocircuito entre los terminales de los componentes cercanos. El fundente de colofonia se elimina con disolventes fluorocarbonados, disolventes de hidrocarburos de alto punto de inflamación o disolventes de bajo punto de inflamación, como el limoneno (derivado de la cáscara de naranja), que requieren ciclos adicionales de enjuague o secado. Los fundentes solubles en agua se eliminan con agua desionizada y detergente, seguido de un chorro de aire para eliminar rápidamente el agua residual. Sin embargo, la mayoría de los ensamblajes electrónicos se fabrican mediante un proceso "sin limpieza", en el que los residuos de fundente se dejan en la placa de circuito impreso, ya que se consideran inocuos. Esto ahorra costes de limpieza, acelera el proceso de fabricación y reduce los residuos. No obstante, se recomienda lavar el ensamblaje, incluso cuando se utiliza un proceso "sin limpieza", si la aplicación utiliza señales de reloj de muy alta frecuencia (superiores a 1 GHz). Otra razón para eliminar los residuos de la soldadura sin limpieza es mejorar la adhesión de los recubrimientos de conformación y los materiales de encapsulado. ^{[ 7 ]} Independientemente de si se limpian o no esas PCB, la tendencia actual de la industria sugiere revisar cuidadosamente un proceso de ensamblaje de PCB donde se aplica "No-Clean", ya que los residuos de fundente atrapados debajo de los componentes y los blindajes de RF pueden afectar la resistencia de aislamiento superficial (SIR), especialmente en placas de alta densidad de componentes. ^{[ 8 ]}

Ciertos estándares de fabricación, como los establecidos por la IPC (Asociación que conecta las industrias electrónicas), exigen la limpieza independientemente del tipo de fundente de soldadura utilizado para garantizar una placa completamente limpia. Una limpieza adecuada elimina todo rastro de fundente de soldadura, así como la suciedad y otros contaminantes que pueden ser invisibles a simple vista. Los procesos de soldadura sin limpieza u otros procesos de soldadura pueden dejar "residuos blancos" que, según la IPC, son aceptables "siempre que estos residuos hayan sido calificados y documentados como inocuos". ^{[ 9 ]} Sin embargo, si bien se espera que los talleres que cumplen con los estándares de la IPC se adhieran a las normas de la Asociación sobre el estado de la placa, no todas las instalaciones de fabricación aplican los estándares de la IPC, ni están obligadas a hacerlo. Además, en algunas aplicaciones, como la electrónica de gama baja, estos métodos de fabricación tan rigurosos resultan excesivos tanto en costo como en tiempo requerido.

Finalmente, las placas se inspeccionan visualmente para detectar componentes faltantes o mal alineados y puentes de soldadura. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Si es necesario, se envían a una estación de retrabajo donde un operario humano repara cualquier error. Luego, generalmente se envían a las estaciones de prueba ( pruebas en circuito y/o pruebas funcionales) para verificar que operen correctamente.

Los sistemas de inspección óptica automatizada (AOI) se utilizan comúnmente en la fabricación de PCB . Esta tecnología ha demostrado ser altamente eficiente para la mejora de procesos y el logro de la calidad. ^{[ 12 ]}

Las principales ventajas de SMT sobre la técnica de orificio pasante son: ^{[ 13 ] [ 14 ]}

• Ensamblaje automatizado más rápido. Algunas máquinas de colocación son capaces de colocar más de 136.000 componentes por hora.
• Mayor densidad de componentes (componentes por unidad de área) y muchas más conexiones por componente.
• Los componentes pueden colocarse en ambos lados de la placa de circuito impreso.
• Mayor densidad de conexiones, ya que los orificios no bloquean el espacio de enrutamiento en las capas internas, ni en las capas posteriores si los componentes están montados en un solo lado de la placa de circuito impreso.
• Los pequeños errores en la colocación de los componentes se corrigen automáticamente, ya que la tensión superficial de la soldadura fundida los alinea con las almohadillas de soldadura. (Por otro lado, los componentes de orificio pasante no pueden estar ligeramente desalineados, puesto que una vez que los terminales atraviesan los orificios, los componentes quedan completamente alineados y no pueden desalinearse lateralmente).
• Mejor rendimiento mecánico en condiciones de choque y vibración (en parte debido a una menor masa y en parte debido a una menor flexión).
• Menor resistencia e inductancia en la conexión; en consecuencia, menos efectos no deseados de la señal de RF y un rendimiento de alta frecuencia mejor y más predecible.
• Mejor rendimiento EMC (menores emisiones radiadas) debido a la menor área del bucle de radiación (debido al menor tamaño del paquete) y a la menor inductancia de los terminales. ^{[ 15 ]}
• Se necesitan menos agujeros. (Perforar placas de circuito impreso es laborioso y costoso).
• Menor coste inicial y menor tiempo de puesta en marcha para la producción en masa mediante el uso de equipos automatizados.
• Muchos componentes SMT cuestan menos que los componentes equivalentes de montaje superficial (PATH).
• Componentes más pequeños.

• El SMT puede no ser adecuado como único método de fijación para componentes sometidos a esfuerzos mecánicos frecuentes, como los conectores utilizados para interactuar con dispositivos externos que se conectan y desconectan con frecuencia. ^{[ 16 ]}
• Las conexiones de soldadura de los componentes SMD pueden dañarse debido a los ciclos térmicos a los que se someten los compuestos de encapsulado .
• El ensamblaje manual de prototipos o la reparación a nivel de componentes es más difícil y requiere operadores capacitados y herramientas más costosas, debido a los pequeños tamaños y espaciamientos de los terminales de muchos SMD. ^{[ 17 ]} El manejo de pequeños componentes SMT puede ser difícil, requiriendo pinzas, a diferencia de casi todos los componentes de orificio pasante. Mientras que los componentes de orificio pasante se mantienen en su lugar (por gravedad) una vez insertados y se pueden asegurar mecánicamente antes de soldar doblando dos terminales en el lado de soldadura de la placa, los SMD se mueven fácilmente de su lugar con un toque de un soldador. Sin la habilidad desarrollada, al soldar o desoldar manualmente un componente, es fácil volver a fundir accidentalmente la soldadura de un componente SMT adyacente y desplazarlo involuntariamente, algo que es casi imposible hacer con componentes de orificio pasante.
• Muchos tipos de encapsulados de componentes SMT no se pueden instalar en zócalos , que facilitan la instalación o el intercambio de componentes para modificar un circuito y el reemplazo de componentes defectuosos. (Prácticamente todos los componentes de orificio pasante se pueden montar en zócalos).
• Los SMD no se pueden usar directamente con placas de prototipado enchufables (una herramienta de prototipado rápido y sencillo), lo que requiere una PCB personalizada para cada prototipo o el montaje del SMD sobre un soporte con pines. Para prototipar en torno a un componente SMD específico, se puede usar una placa adaptadora más económica. Además, se pueden usar placas de prototipado tipo stripboard , algunas de las cuales incluyen almohadillas para componentes SMD de tamaño estándar. Para prototipar, se puede usar el prototipado en placa de pruebas " dead bug ". ^{[ 18 ]}
• Las dimensiones de las uniones de soldadura en SMT se reducen rápidamente a medida que se avanza hacia la tecnología de paso ultrafino. La fiabilidad de las uniones de soldadura se convierte en una preocupación mayor, ya que se permite cada vez menos soldadura en cada unión. La formación de huecos es un defecto común en las uniones de soldadura, especialmente al volver a fundir la pasta de soldadura en aplicaciones SMT. La presencia de huecos puede deteriorar la resistencia de la unión y, finalmente, provocar su fallo. ^{[ 19 ] [ 20 ]}
• Los componentes SMD, al ser generalmente más pequeños que los componentes de orificio pasante equivalentes, tienen una superficie menor para el marcado, lo que obliga a que los códigos de identificación de las piezas o los valores de los componentes marcados sean más crípticos y pequeños, y a menudo requieran aumento para su lectura. En cambio, un componente de orificio pasante de mayor tamaño puede leerse e identificarse a simple vista. Esto supone una desventaja para la creación de prototipos, la reparación, la reelaboración, la ingeniería inversa y, posiblemente, para la configuración de la producción.

Los componentes de montaje superficial defectuosos pueden repararse utilizando soldadores (para algunas conexiones) o un sistema de retrabajo sin contacto. En la mayoría de los casos, un sistema de retrabajo es la mejor opción, ya que trabajar con componentes SMD utilizando un soldador requiere mucha habilidad y no siempre es factible.

La reelaboración generalmente corrige algún tipo de error, ya sea generado por humanos o por máquinas, e incluye los siguientes pasos:

• Derrita la soldadura y retire el/los componente(s).
• Elimine los restos de soldadura (puede que no sea necesario para algunos componentes).
• Imprima la pasta de soldadura en la placa de circuito impreso, directamente o mediante dispensación o inmersión.
• Coloca el nuevo componente y vuelve a generar el flujo.

En ocasiones, es necesario reparar cientos o miles de piezas idénticas. Si el error se debe al ensamblaje, estos fallos suelen detectarse durante el proceso. Sin embargo, surge un nivel de retrabajo mucho mayor cuando el fallo de un componente se descubre demasiado tarde, y puede pasar desapercibido hasta que el usuario final del dispositivo lo experimenta. El retrabajo también puede utilizarse si productos de valor suficiente para justificarlo requieren revisión o rediseño, por ejemplo, para modificar un único componente basado en firmware. El retrabajo en grandes volúmenes requiere una operación diseñada específicamente para ello.

Existen fundamentalmente dos métodos de soldadura/desoldadura sin contacto: la soldadura por infrarrojos y la soldadura con gas caliente. ^{[ 21 ]}

Los componentes de montaje superficial suelen ser más pequeños que sus homólogos con terminales y están diseñados para ser manipulados por máquinas en lugar de por personas. La industria electrónica ha estandarizado las formas y tamaños de los encapsulados (el principal organismo de estandarización es JEDEC ).

Los tamaños de caja más pequeños disponibles a partir de 2024.Después del 0201 están el 01005, el 008005, el 008004, el 008003 y el 006003. ^{[ 22 ]}

Resistencias

Para resistencias SMD de precisión del 5%, sus valores de resistencia suelen estar marcados con tres dígitos: dos dígitos significativos y un dígito multiplicador. Generalmente, se utilizan letras blancas sobre fondo negro, aunque también se pueden usar otros colores de fondo y letras. Para resistencias SMD de precisión del 1%, se utiliza un código, ya que tres dígitos no proporcionarían suficiente información. Este código consta de dos dígitos y una letra: los dígitos indican la posición del valor en la serie E96 , mientras que la letra indica el multiplicador. ^{[ 23 ]}

condensadores

Los condensadores no electrolíticos generalmente no están marcados y el único método fiable para determinar su valor es extraerlos del circuito y medirlos posteriormente con un medidor de capacitancia o un puente de impedancia. Los materiales utilizados para fabricar los condensadores, como el tantalato de níquel, presentan diferentes colores que permiten estimar la capacitancia del componente. Generalmente, el tamaño físico es proporcional a la capacitancia y al voltaje para el mismo dieléctrico. Por ejemplo, un condensador de 100 nF y 50 V puede venir en el mismo encapsulado que uno de 10 nF y 150 V. Los condensadores SMD (no electrolíticos), que suelen ser condensadores cerámicos monolíticos, presentan el mismo color en las cuatro caras no cubiertas por las tapas. Los condensadores electrolíticos SMD, generalmente de tantalio, y los condensadores de película se marcan como las resistencias, con dos cifras significativas y un multiplicador en unidades de picofaradios o pF (10⁻¹² ^faradios ).

Inductores

Los inductores más pequeños con capacidades de corriente moderadamente altas suelen ser del tipo de perlas de ferrita. Son simplemente un conductor metálico enrollado a través de una perla de ferrita y son casi iguales a sus versiones de orificio pasante, pero poseen tapas SMD en lugar de terminales. Tienen un aspecto gris oscuro y son magnéticos, a diferencia de los condensadores con un aspecto gris oscuro similar. Este tipo de perlas de ferrita están limitadas a valores pequeños en el rango de nanohenrios (nH) y se utilizan a menudo como desacopladores de rieles de fuente de alimentación o en partes de alta frecuencia de un circuito. Los inductores y transformadores más grandes pueden, por supuesto, montarse en orificio pasante en la misma placa. Los inductores SMT con valores de inductancia mayores a menudo tienen vueltas de alambre o una tira plana alrededor del cuerpo o incrustados en epoxi transparente, lo que permite que el alambre o la tira sean visibles. A veces también está presente un núcleo de ferrita . Estos tipos de inductancia más altos a menudo están limitados a capacidades de corriente bajas, aunque algunos de los tipos de tira plana pueden manejar unos pocos amperios. Al igual que con los condensadores, los valores de los componentes y los identificadores para los inductores más pequeños no suelen estar marcados en el propio componente; Si no están documentados o impresos en la placa de circuito impreso, la única forma de determinarlos es mediante medición, generalmente fuera del circuito. Los inductores más grandes, especialmente los de tipo bobinado en encapsulados de mayor tamaño, suelen tener el valor impreso en la parte superior. Por ejemplo, "330", que equivale a un valor de 33 μH . 

Semiconductores discretos

Los semiconductores discretos, como diodos y transistores, suelen estar marcados con un código de dos o tres símbolos. Un mismo código, presente en diferentes encapsulados o en dispositivos de distintos fabricantes, puede corresponder a diferentes dispositivos. Muchos de estos códigos, utilizados debido a que los dispositivos son demasiado pequeños para ser marcados con los números tradicionales empleados en encapsulados más grandes, se corresponden con números de pieza tradicionales más conocidos al consultar una lista de correlación. GM4PMK, en el Reino Unido, ha elaborado una lista de correlación , y también está disponible una lista similar en formato PDF , aunque estas listas no son exhaustivas.

circuitos integrados

Por lo general, los encapsulados de los circuitos integrados son lo suficientemente grandes como para imprimir el número de pieza completo, que incluye el prefijo específico del fabricante, o un segmento significativo del número de pieza y el nombre o logotipo del fabricante .

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