Los sectores de las telecomunicaciones, Internet y la automoción están impulsando un cambio hacia componentes más grandes, pesados y complejos, lo que plantea nuevos retos a los fabricantes de productos electrónicos.
En las infraestructuras de telecomunicaciones y los centros de datos,

los switches y las tarjetas de servidor están adoptando procesadores personalizados para satisfacer las demandas de servicios que requieren una gran capacidad de cálculo y la aceleración de la IA. Los motores de cálculo FPGA adaptables más grandes de la actualidad se alojan en encapsulados BGA de hasta 55 mm x 55 mm, y los procesadores ASIC multichip pueden ser significativamente más grandes, especialmente con interconexiones fan-out.

La electrónica automovilística también está creciendo, ya que los sistemas embebidos requieren un mayor suministro de corriente para procesadores más potentes y una E/S ampliada para gestionar canales de cámara, radar, lidar, ToF y sensores inerciales. Los sistemas de control necesitan conectores más grandes para gestionar canales de datos y potencia adicionales, y ahora se están adoptando por necesidad encapsulados grandes con terminación inferior, como los BGA, que antes se evitaban debido a los retos que planteaban en materia de inspección.

El reto para la fabricación
Los fabricantes de equipos que prestan servicio a estos mercados deben ser capaces de colocar componentes grandes y pesados con precisión, a alta velocidad y con un alto rendimiento. Esto requiere una recogida fiable y segura de las bandejas o palés, un posicionamiento rápido y una alineación precisa antes de colocar el componente. Las piezas con orificios pasantes, como algunos tipos de conectores y transformadores, necesitan una solución fiable para el ajuste a presión. Los componentes pueden ser grandes, altos y voluminosos, mientras que el montaje de componentes de ajuste a presión requiere una alineación precisa de los pines antes de la inserción. Históricamente, retos como estos, que implican componentes tan grandes, han superado las capacidades típicas de los equipos habituales de colocación de montaje superficial.

Es preferible una solución en línea, para ayudar a los montadores a mantener la eficiencia y la productividad. Mejor aún, el uso de máquinas de montaje superficial estándar para colocar BGA grandes y conectores de ajuste a presión ahorra la inversión en equipos especiales o la realización de operaciones como el montaje de conectores fuera de línea.

Colocación flexible
El diseño de una solución para colocar componentes grandes y pesados a gran velocidad exige algunos cambios críticos en el montaje SMD estándar. Las adaptaciones del cabezal de colocación se encuentran entre las más importantes.

Las boquillas de sujeción que combinan succión con pinzas son extremadamente eficaces para sujetar de forma segura componentes inusuales. Hasta ahora, la adquisición de boquillas de este tipo requería que los ensambladores se pusieran en contacto con sus proveedores de equipos para diseñar una pinza personalizada.

A medida que se utilizan cada vez más encapsulados de CI y conectores más grandes y pesados, así como inductores, transformadores y componentes de potencia, las boquillas de sujeción ya no pueden considerarse un artículo especializado. Se necesita un enfoque más eficiente. La estandarización de los diseños de las pinzas y las placas de soporte alivia las presiones de tiempo y coste que conlleva un proyecto de ingeniería personalizado. Yamaha Robotics ha estandarizado una gama de pinzas y placas de soporte (figura 1) que permiten 60 configuraciones diferentes para manejar diversos tipos y tamaños de componentes. La elección de una combinación adecuada permite a los fabricantes ampliar sus capacidades de colocación de componentes de forma rápida y sencilla.



Figura 1. Boquilla de sujeción configurable con pinzas y placas de soporte estandarizadas

Por otro lado, las boquillas con almohadilla de goma pueden proporcionar una forma asequible y eficaz de recoger circuitos integrados grandes aplicando succión directamente a la superficie superior del paquete. Yamaha está desarrollando boquillas de goma en una variedad de tamaños de hasta 25 mm de diámetro para levantar los componentes más pesados. También se están desarrollando boquillas específicas para piezas diseñadas para recoger componentes como los zócalos de expansión de módulos de memoria DIMM para tarjetas de servidor.


Figura 2. Boquilla para conectores DIMM

Ejes R y Z
Antes de la colocación, el componente debe orientarse correctamente girando la boquilla. Al colocar componentes pequeños y ligeros, el motor del eje R puede accionar la boquilla directamente a alta velocidad de rotación. Por el contrario, la mayor inercia asociada a los componentes grandes y pesados exige un control más cuidadoso del movimiento para evitar que el componente se desprenda de la boquilla. Aunque una solución obvia es utilizar un engranaje reductor accionado por el motor, el juego en los sistemas de engranajes convencionales puede afectar a la precisión. El engranaje de tijera de Yamaha está especialmente diseñado para evitar la holgura y permite alinear componentes como los circuitos integrados BGA con una precisión de 0,005 grados.
Para manejar componentes más altos, basta con aumentar la carrera del eje Z unos pocos milímetros para ampliar significativamente la gama de piezas que se pueden manipular. Una carrera ampliada de 40 mm es suficiente para que la máquina pueda manejar los actuales conectores para automoción más altos.


Fuerza de colocación
Por otro lado, algunos conectores requieren un ajuste a presión, en particular las conexiones montadas en placa para aplicaciones automovilísticas que están expuestas a fuertes vibraciones y golpes. En el montaje SMD normal están diseñadas con un control de la fuerza de colocación de hasta unos 30 N. Se necesita un control preciso de hasta 100 N para garantizar la inserción correcta de conectores con un elevado número de pines, lo que requiere cambios en el diseño y mayores capacidades de detección y medición.

El sistema de control también debe proteger el componente durante la inserción. La detección de alineación (figura 3) puede detectar si uno o más pines están desalineados cuando el conector se presenta a la placa y evitar aplicar fuerza de colocación, lo que podría dañar el componente.

Figura 3. La detección de alineación verifica la alineación correcta antes de aplicar la fuerza de ajuste a presión

También deben mejorarse los sistemas de visión artificial e iluminación utilizados para comprobar la alineación. Los sistemas de iluminación estándar basados en LED que se utilizan normalmente para la comprobación y alineación de componentes tienden a iluminar por igual el cuerpo del componente y toda la longitud de cada pin o terminal. En estas condiciones, el sistema de visión puede tener dificultades para distinguir con precisión la punta del pin y evaluar si está listo para su inserción. Un sistema láser puede proporcionar una iluminación controlada y direccional para iluminar selectivamente sólo las puntas de los pines y, así, permitir que el sistema de visión verifique que todos los pines estén correctamente alineados con sus respectivos orificios para que se pueda proceder a la inserción.
Además, para soportar el aumento de la fuerza de colocación y mantener la precisión posicional, también deben reforzarse la estructura de soporte de la placa subyacente y el mecanismo de empuje de los pines.


Interfaz del cabezal de montaje
Yamaha ha diseñado su último cabezal de colocación LM para manipular circuitos integrados más grandes, componentes más altos y piezas de ajuste a presión más difíciles, así como para colocar chips SMD y otros componentes pequeños a alta velocidad. Las características especiales tanto del hardware como del software implementan el control ampliado del eje R, el control del eje Z, el control de la fuerza de colocación y la detección de alineación descritos en este artículo. Las nuevas boquillas y una sección de sujeción especialmente diseñada se adaptan a componentes más grandes, y los usuarios pueden seguir acoplando sus boquillas existentes para colocar piezas en encapsulados SMD, SOP y QFP normales. Una nueva función de comprobación del estado de las boquillas permite a los usuarios automatizar la inspección y limpieza periódicas y, de este modo, garantizar un mantenimiento regular y adecuado para maximizar el rendimiento al final de la línea y evitar tiempos de inactividad no planificados.

El cabezal LM se adapta a las máquinas YRM utilizando la misma interfaz que otros cabezales. Por otro lado, el nuevo software de reconocimiento de características para la multicámara YRM aumenta el tamaño máximo reconocible de los encapsulados de CIs de 55 mm a 130 mm, y el número máximo de bolas BGA de 4.000 a 20.000. Se trata de una mejora importante que permite al sistema reconocer y alinear encapsulados FPGA y ASIC de gran tamaño.


Figura 4. Cabezal de colocación para componentes grandes de hasta 130 mm x 200 mm.


Conclusión
Para satisfacer las últimas demandas de clientes importantes en los mercados de las telecomunicaciones, los centros de datos y la automoción, los fabricantes de equipos deben ampliar sus capacidades para manipular componentes grandes y pesados. El aumento de la flexibilidad de las montadoras SMD actuales permite a las fábricas adaptarse rápidamente y colocar todas las piezas, desde pequeños componentes pasivos SMD hasta ASIC multichip y conectores de ajuste a presión con un elevado número de pines, con gran velocidad y eficiencia. El cabezal de colocación es el punto central del cambio, ya que requiere adaptaciones en las boquillas y las pinzas, el control de la fuerza, la visión, la iluminación y el control del movimiento en los ejes Z y R. Un cabezal ultraflexible que incorpore estos cambios supone una solución rentable para que los fabricantes aprovechen las oportunidades que se avecinan.

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