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Fabricación 4.0: la tendencia ESD en las máquinas para SMD

Los impactos ESD sobre la producción electrónica, en los inicios de la aplicación del concepto Industria 4.0, son siempre más significativos con el fin de mejorar la actividad productiva. La integración de sistemas es esencial para hacer frente a estos importantes problemas

La innovación es siempre un conductor esencial tanto para el que opera en un mundo tecnológico como en los equipamientos para la producción electrónica. En el pasado la innovación ha estado vinculada frecuentemente al producto que viene realizado con estos equipos: productos siempre más pequeños en dimensiones han llevado a los componentes a niveles de tamaño verdaderamente muy pequeños. La atención a la carga estática en este punto no es solo ligada al problema de roturas que el fenómeno ESD puedan hacer al dispositivo, sino impacta incluso sobre las características de las líneas de producción. En la implantación de la Fábrica 4.0 un aspecto importante es identificar el producto. Verán examinados los impactos ESD tanto de los sistemas de marcado láser como los de aplicadores de etiquetas.

La introducción de las fábricas 4.0 representa también por primera vez que la innovación viene vinculada a la posibilidad de integración entre los sistemas. En el mundo de la producción electrónica tenemos muchos sistemas desarrollados pero no integrados entre ellos. Veremos como la logística de los materiales llegará a ser un aspecto clave de la fábrica del futuro y como el impacto ESD está presente en esta evolución.

El marcado en la industria electrónica

Hoy los sistemas de identificación son muy utilizados en la industria electrónica. En particular en la producción de placas electrónicas se encuentran tres tipologías de sistemas de identificación del producto:

  • Colocación de etiquetas
  • Marcado por medio de láser
  • Marcado por medio de sistemas inkjet
  • Identificación wireless con etiqueta a radiofrecuencia En pocas palabras, cada sistema tiene sus ventajas y sus desventajas.

Los más utilizados son el sistema de aplicación de etiquetas y el marcado láser. El láser ofrece un marcado de calidad de alta resolución, con un costo no elevado y permitiendo hacer el marcado en línea por lo que en algunos sectores de aplicación, como el automóvil, lo solicitan cada vez más. Desde el punto de vista ESD es una tecnología sin contacto, por lo cual el sistema no altera la situación ESD del producto.

La máquina para el marcado láser

La máquina para el marcado láser utilizado en la producción SMD es comúnmente un láser CO2 de potencia relativamente baja, que permite marcar en el circuito todos los datos necesarios para garantizar la trazabilidad. Los datos son generalmente marcados con un barcode o un datamatrix, según lo prefiera el cliente, y permiten la identificación de manera inequívoca y permanente del circuito y los trabajos en él realizados. Tratándose de un trabajo sin contacto, la operación de marcado en sí, no genera descarga electrostática y por tanto no está directamente implicada en el fenómeno ESD. Analicemos rápidamente algunos temas referentes al marcado sobre circuitos impresos.

El láser CO2, de potencia adecuada, permite efectuar un marcado con el solo viraje de color de la mascarilla, y de este modo se evita realizar un marcado más profundo, evitando el problema de oxidación del cobre a largo plazo (problema que sí se presenta utilizando tecnología láser diferente al CO2); así mismo aseguramos un óptimo contraste entre el color de la mascarilla (solder) y el marcado láser. Un marcado de óptimo nivel debe poder asegurar una óptima definición incluso en áreas mínimas (ejemplo 3 x 3 mm.), un contraste adecuado y debe posiblemente poder ser efectuado velozmente, en modo de reducir el tiempo de ciclo para marcar por ejemplo un panel de múltiples circuitos. La solución ideal para poder marcar velozmente un panel completo es un láser capaz de marcar una amplia área, mayor que la dimensión estándar de 100 x 100 mm. En el mercado existen varias soluciones capaces de marcar una amplia área, por ejemplo de 300 x 300 mm.; esta dimensión es suficiente para poder efectuar un marcado completo de varios paneles, de modo que todos los componentes vienen marcados sin tener que mover el láser, tal solución permite una clara reducción del tiempo de ciclo y al no haber movimiento el láser no sufre mecánicamente, aumentando su tiempo de vida.

El marcado en áreas amplias comporta no obstante algunos problemas causados por la variación de la distancia entre la fuente láser y en la superficie de marcado, entre el centro y los bordes del área misma. Esta criticidad, inherente al marcado en un área amplia, como en aquella sobre 3D, es debida al control del láser sobre solo dos ejes X e Y, y después a la creación de parte de las lentes de un plano artificial. El diámetro del spot (foco) al centro resulta que es diferente al del borde del marcado; a este límite tradicionalmente se obviaba con la técnica de desfocalización, imponiendo esto el láser de marcado tiene una altura respecto al plano y por tanto no al foco. Esta técnica comporta pero, dos consecuencias negativas en particular:

  • El carácter de marcado no está perfectamente enfocado si se marca sobre el borde, y resulta también de unas dimensiones mayores respecto al marcado del centro. La posición de carácter sobre el borde no es correcta, porqué está afectada tanto mayor cuanto mayor es la distancia del centro del área de marcado. En este modo resulta difícil, sino imposible, realizar un marcado satisfactorio si la necesidad es un marcado de precisión (p.e. un datamatrix de 3 x 3 mm) en un área limitada (p.e. de 4 x 4 o 5 x 5 mm) (fig.4). El problema está magníficamente resuelto por Keyence, que ha realizado el primer (y hasta la fecha único) láser CO2 de amplia área con control de láser sobre 3 ejes, utilizando un escáner para cada eje X, Y, también Z. Este nuevo control simultáneo del láser de tres ejes permite obtener una calidad y una precisión sin igual.

Se tiene a disposición una longitud focal variable sobre 42 mm. de altura; de este modo el sistema de control del láser individualiza la distancia de marcado y el diámetro del foco (spot) ideal, manteniendo perfectamente constante la dimensión del spot de marcado, y por consiguiente las dimensiones de los caracteres sobre toda el área de marcado (fig.5). Viene así eliminado todos los errores de dimensión, nitidez y posicionamiento de los caracteres sutiles, espesos, superficiales o profundos, sin deber aportar ninguna corrección ficticia a las coordenadas ó a las dimensiones del código a marcar. Este láser está en grado de poder marcar sobre un área de 300 x 300 mm. individualizando la longitud focal exacta dentro de un campo de 42 mm. de altura; siendo así posible efectuar un marcado perfecto en términos de dimensiones, posicionamiento, nitidez y contraste, manteniéndole perfectamente constante sobre toda el área de trabajo de 300 x 300 mm.

Es así posible evitar el movimiento del láser, con las evidentes ventajas sobre la vida del láser debido a la ausencia de necesidades mecánicas y sobre el costo de la máquina; y además es posible evitar todo sistema para la regulación de la altura del láser. Poder marcar en una sola fase, sin movimiento del láser, permite también una intuible reducción del tiempo total de marcado para todos los PCBs de un panel; este aspecto, asociado a la elevadísima velocidad de marcado del láser Keyence (hasta 12000 mm/seg.), hace posible una notable reducción del tiempo del ciclo necesario para marcar todo el panel. Otra notable ventaja consecuencia del control del láser sobre tres ejes, es la corrección automática de las eventuales distorsiones o cambios que pudieran ser causados por un ligero desalineación del láser que pudiera realizarse durante la instalación; en este modo hay la certeza de un marcado preciso y perfecto evitando largos tiempos de instalación y complejos dispositivos mecánicos de alineamiento.

También el láser puede incidir sobre 3D; es posible así marcar caracteres perfectamente precisos y nítidos sobre un falso plano, sobre planos inclinados, cilindros, conos, esferas (fig. 6a y 6b). Gracias al control del láser sobre tres ejes, hemos podido ver como puede ser simplificada una máquina para marcar perfectamente un PCB en un área de 300 x 300 mm. en una sola fase.

La solución

Es por ello que partiendo de estas consideraciones ha nacido la Quik- Mark, la marcadora láser en línea para PCBs fabricada por Mancini Enterprise (fig.7) La máquina está constituida principalmente de un transportador (conveyor), de un láser marca Keyence CO2 Wide Area y del sistema de gestión de la propia máquina. En relación al fenómeno ESD, el marcado láser no es un trabajo de contacto, por tanto no hay problemas directamente inherentes al propio marcado. Se necesita pero, realizar un conveyor en modo adecuado, donde la guía de transporte del circuito debe ser realizada en material conductivo; del mismo modo la cubierta de protección del conveyor debe ser realizada en materiales ESD. Estas máquinas están disponibles en versión on-line con protocolo SMEMA y están en grado de implantar procesos de trazabilidad en la óptica de la Industria 4.0. Un particular aspecto a señalar con respecto a la máquina de marcado es la limpieza de la placa con aire ionizado. Aprovechando las experiencias en otras máquinas que utilizan la ionización para reducir el riesgo de llegada de fenómenos ESD, ha estado realizado un sistema que limpia la placa con aire ionizado después del marcado. En este caso obviamente el sistema no tiene el objetivo de reducir el riesgo de descarga electroestática, pero es una óptima solución para remover el polvillo y limpiar completamente la placa después del marcado láser.

Existe pues un modelo de altas prestaciones denominado KuboMark. Ambas máquinas que han sido descritas han estado ejecutadas siguiendo la misma filosofía de proyecto, vale decir que la realización de una máquina para el marcado sobre PCB tiene las siguientes características:

  • Fuente láser de primer nivel.
  • Máxima calidad de marcado disponible
  • Gran flexibilidad productiva
  • Elevada simplicidad de instalación
  • Máxima atención a la problemática relativa a la seguridad del operario
  • Igualmente sobre la problemática ESD para garantizar la integridad del producto
  • Integración con la línea SMD e interacción con el proceso empresarial para la trazabilidad en la óptica Industria 4.0

Las etiquetas

Las etiquetas son la solución histórica para la función de identificación. Son aplicadas manualmente al producto, o bien en modo automático. En el mundo de la producción electrónica las etiquetas vienen frecuentemente colocadas por máquinas automáticas. Estas pueden ser autónomas, o bien formar parte de una máquina de proceso, por ejemplo una pick & place, que utiliza sistemas colocación de etiquetas preimpresas. Si se considera todo bajo el punto de vista ESD existen diversos problemas, dado que la etiqueta entra en contacto directo con el producto. En particular se debe prestar mucha atención en el diseño de la cabeza de aplicación de la etiqueta, para que esta no genere cargas estáticas por frotación. Ulteriores puntos de atención son la cinta de la que suministra la etiqueta y la propia etiqueta. Eligiendo un material adecuado es normalmente posible resolver completamente las problemáticas ESD.

Logística de materiales e Industria 4.0

Un punto de fuerza para la implantación del concepto Industria 4.0 es la integración entre los procesos. Si analizamos la industria electrónica podemos encontrar como hoy en día tenemos procesos altamente automatizados y procesos realizados aún en un modo totalmente manual. La logística de los materiales en el interno de las fábricas es hoy uno de los aspectos que están menos automatizados y que permitiría la utilización de la tecnología tipo Industria 4.0. Las operaciones de carga/ descarga de racks y la alimentación de los materiales a la línea son hoy realizadas manualmente, pero podrían automatizarse. Existen ya en la actualidad quien opera de manera automática con carros guiados por cable o incluso autónomos. En este caso los aspectos clave para el desarrollo de los sistemas son:

  • Integración con la logística (almacenes automáticos)
  • Integración con el ERP (gestión ordenes de trabajo y acopio de materiales)
  • Identificación de las partes a ensamblar
  • Embalajes adecuados a movimentación automática
  • La estandarización En estos procesos la parte ESD reviste un función importante y necesitan soluciones que van de la gestión de los embalajes a la identificación / marcado seguro. El proceso de automatización de la logística será un elemento clave del futuro de la fábrica electrónica y la tecnología de marcado consentirá la identificación y el routing del producto incluso a refugio de la problemática disimulada como aquella inducida de los fenómenos electroestáticos.

Conclusiones

El marcado de los productos pueden haber dos aspectos distintos:

  • en los sistemas sin contacto el impacto ESD es verdaderamente bajo;
  • en la aplicación de etiquetas, habiendo contacto directo con el material, este aspecto debe evaluarse con atención. Soluciones existen y son aplicables a todos los tipos de producción. Para un correcto enfoque se necesita considerar los aspectos ESD tanto en la proyectación de las máquinas como de los materiales usados en las aplicaciones. Para una correcta solución es siempre fundamental, de todo modo, el análisis de las aplicaciones y afrontar en modo crítico el problema, sin incurrir en el riesgo de la subvaloración.


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