Marcadores de referencia en el diseño y montaje de placas de circuito impreso

En el diseño y montaje de placas de circuito impreso, lograr precisión es un reto importante. A medida que las placas se vuelven más complejas, ¿cómo nos aseguramos de que los componentes se colocan con precisión? Los marcadores de referencia, que a menudo se pasan por alto, son importantes para este proceso. Actúan como puntos de referencia para los equipos de montaje automatizados y desempeñan un papel fundamental en la fabricación.

En este artículo se describen las mejores prácticas, los factores de diseño y las preguntas más frecuentes sobre los marcadores de referencia para ayudarle a optimizar el proceso de diseño y montaje de placas de circuito impreso.

Prácticas recomendadas para la colocación de referencias en placas de circuito impreso

En lo que respecta a la colocación de marcas de referencia, seguir las mejores prácticas puede mejorar significativamente la precisión y la eficacia de su proceso de montaje de PCB. Examinemos los factores importantes para una colocación óptima de las marcas de referencia.

Número de Fiduciarios

El número de puntos de referencia que utilice puede suponer una diferencia sustancial en la precisión del montaje. Para obtener resultados óptimos, se recomienda utilizar tres puntos de referencia globales. Son los mejores puntos de referencia para que el equipo de montaje automático alinee correctamente la placa. Pero, ¿qué ocurre si hay poco espacio en la placa de circuito impreso?

En los casos en los que el espacio del tablero es limitado, es posible que se pregunte si bastaría con menos identificadores. Aunque lo ideal es tener tres, puede arreglárselas con al menos una referencia global si es necesario. Sin embargo, tenga en cuenta que esto puede reducir la precisión general de la colocación de componentes, especialmente en placas más grandes.

Para los puntos de referencia locales, que se utilizan para la alineación precisa de componentes específicos, la regla general es utilizar al menos dos. Deben colocarse en diagonal en el borde exterior del componente de montaje superficial. Esta colocación diagonal proporciona al equipo de montaje dos puntos de referencia para garantizar una orientación y colocación precisas del componente.

Curiosamente, aunque se podría pensar que un mayor número de puntos de referencia mejoraría la precisión, no siempre es así. De hecho, el uso de cuatro referencias puede confundir al sistema de visión por ordenador utilizado en el montaje automatizado. El sistema se basa en la comparación de las posiciones de las referencias con una esquina sin referencias, por lo que una cuarta referencia puede alterar este proceso.

Colocación

La colocación de los puntos de referencia es tan importante como su número. Para maximizar la precisión, los puntos de referencia deben colocarse hacia las esquinas de la placa de circuito impreso. Esta estrategia de colocación maximiza la distancia entre los puntos de referencia, lo que mejora la capacidad del equipo de montaje para detectar y corregir incluso pequeñas desviaciones angulares.

Los puntos de referencia globales deben colocarse en el borde de la placa. Sin embargo, es importante mantener una distancia mínima de 7,5 mm entre la referencia y el borde de la placa, excluida la zona libre. De este modo se garantiza que los fiduciales sean fácilmente detectables por el equipo de montaje y se evitan posibles problemas con la manipulación de la placa y los procesos de fabricación.

Es fundamental evitar colocar marcas de referencia idénticas una al lado de la otra. Esto puede confundir al equipo de montaje y provocar una alineación incorrecta. En su lugar, procure una colocación clara y diferenciada que proporcione puntos de referencia inequívocos.

En placas más grandes, la distancia entre los puntos de referencia es aún más importante. Una mayor separación entre los puntos de referencia mejora la detección de pequeñas desviaciones angulares, lo que permite colocar los componentes con mayor precisión en toda la superficie de la placa.

Casos especiales

Los diseños de placas de circuito impreso no siempre son sencillos, y en algunos casos hay que prestar especial atención a la colocación de las marcas de referencia. En el caso de las placas de circuito impreso no cuadradas, como las que tienen forma de T o de L, tendrá que adaptar su estrategia de colocación de marcas de referencia a la geometría específica. La clave es asegurarse de que los puntos de referencia proporcionen puntos de referencia claros para todas las áreas de la placa, lo que puede requerir más de los tres puntos de referencia estándar.

Cuando se trabaja con placas de 2 capas, entra en juego una consideración adicional. En estos casos, es fundamental asegurarse de que los puntos de referencia de las capas superior e inferior estén alineados directamente uno encima del otro. Esta alineación ayuda a mantener la coherencia entre las capas y garantiza la colocación precisa de los componentes en ambos lados de la placa.

Seguir estas prácticas recomendadas para la colocación de marcas de referencia puede ayudarle a mejorar significativamente la precisión y fiabilidad de su proceso de montaje de placas de circuito impreso. Recuerde que siempre es aconsejable consultar con el fabricante de PCB y la empresa de montaje para asegurarse de que su estrategia de colocación de marcas de referencia se ajusta a sus equipos y procesos específicos.

Reglas de diseño y consideraciones sobre los marcadores fiduciales

Aunque la colocación es esencial, el diseño de los propios marcadores fiduciales es igual de importante. A continuación se exponen las principales reglas y consideraciones de diseño que pueden ayudar a optimizar los marcadores fiduciales para obtener los mejores resultados de montaje posibles.

Forma

Cuando se trata de la forma de los marcadores fiduciales, la clave está en la sencillez y la universalidad. Las formas circulares son la regla de oro de los marcadores fiduciales. Pero, ¿por qué circulares? La respuesta está en su simetría y facilidad de reconocimiento por parte de los equipos de montaje automatizado.

Aunque las máquinas modernas son cada vez más sofisticadas y pueden reconocer diversas formas, las marcas de referencia circulares siguen siendo la opción preferida para el reconocimiento universal. Esto es especialmente importante si sus placas de circuito impreso pueden ensamblarse con distintos equipos o en diferentes instalaciones. Los marcadores de referencia circulares garantizan la compatibilidad en una amplia gama de procesos de montaje.

Talla

El tamaño es importante cuando se trata de marcadores fiduciales, y encontrar el equilibrio adecuado es crucial. El tamaño óptimo de un marcador suele oscilar entre 1 y 3 mm de diámetro. Esta gama ofrece un buen equilibrio entre visibilidad para el equipo de montaje y uso mínimo de espacio en el tablero.

El punto de referencia en sí es sólo una parte de la ecuación. Es igualmente importante mantener una zona libre alrededor de la referencia. Esta zona libre debe tener un diámetro similar al del propio marcador, lo que básicamente duplica la superficie total dedicada a cada fiducial. Algunos fabricantes incluso prefieren una zona libre con un diámetro tres veces superior al de la referencia.

Para la abertura de la máscara de soldadura, una buena regla general es hacerla del doble del diámetro del cobre desnudo para la referencia. Esta abertura más grande ayuda a garantizar que el fiducial sea claramente visible para el equipo de montaje, incluso si hay ligeras variaciones en el proceso de fabricación.

La coherencia es fundamental cuando se trata del tamaño de los puntos de referencia en la misma placa. Tanto los puntos de referencia globales como los locales deben tener un tamaño uniforme, con variaciones que no superen las 25 micras. Esta uniformidad ayuda a garantizar un reconocimiento y una alineación fiables en toda la placa.

Material y autorización

El material utilizado para los marcadores de referencia debe ser el mismo que el del resto de la placa, normalmente cobre. Así se garantiza la coherencia del aspecto y se evitan los problemas que podrían surgir al utilizar materiales diferentes.

Un aspecto crucial del diseño de los marcadores fiduciales es garantizar que el marcador no tenga máscara de soldadura ni esté cubierto por serigrafía. El cobre desnudo de la marca de referencia proporciona el mejor contraste para el reconocimiento óptico por parte del equipo de montaje. Para mejorar aún más este contraste, mantenga un área libre alrededor del marcador con un diámetro de al menos dos veces el tamaño de la almohadilla. Esta zona libre ayuda al equipo de montaje a distinguir fácilmente la marca de referencia de los elementos circundantes de la placa.

Relación de contraste

La eficacia de los marcadores fiduciales depende en gran medida de su visibilidad para los equipos de montaje automatizados. Para ello, es fundamental garantizar una elevada relación de contraste entre la marca de referencia y el fondo. Este alto contraste facilita al equipo la localización rápida y precisa de las marcas de referencia, lo que permite una colocación más exacta de los componentes.

Capa protectora

Aunque las marcas de referencia no son funcionales desde el punto de vista del circuito, su integridad es crucial para un montaje preciso. Para mantener la distinguibilidad de las marcas de referencia durante el procesamiento y la manipulación, considere la posibilidad de utilizar una capa protectora. Opciones como el niquelado/estañado o HASL (Hot Air Solder Leveling) pueden resultar eficaces.

El grosor de esta capa protectora es importante. Una capa de entre 5 y 10 micras suele ser suficiente, pero no debe superar las 25 micras. Esta capa protectora sirve para evitar la oxidación u otras formas de deslustre que podrían confundir los sistemas ópticos utilizados en el montaje automatizado.

El objetivo es proporcionar puntos de referencia claros y coherentes que permitan a los equipos automatizados colocar los componentes con la mayor precisión posible.

¿Son necesarios los fiduciarios locales en el montaje moderno de placas de circuito impreso?

En el campo del montaje de placas de circuito impreso, la necesidad de referencias locales es un tema de debate constante. A medida que avanza la tecnología, cabe preguntarse si las marcas de referencia locales siguen siendo importantes en el montaje moderno de placas de circuito impreso. En realidad, la respuesta depende de varios factores.

Tamaño del tablero

El tamaño de la placa de circuito impreso es importante para determinar la necesidad de referencias locales. En el caso de las placas pequeñas, los puntos de referencia globales suelen ser suficientes, ya que actúan como puntos de referencia locales debido a su menor superficie. En estos casos, la distancia entre cualquier punto de la placa y los puntos de referencia globales es relativamente pequeña, lo que permite una colocación precisa de los componentes en toda la placa.

A medida que aumenta el tamaño de las placas, la necesidad de referencias locales se acentúa. Las placas de más de 8×8 pulgadas suelen requerir referencias locales para una colocación precisa, especialmente cuando se trata de componentes de paso fino. Esto se debe a que las placas de mayor tamaño son más susceptibles de sufrir ligeras deformaciones o variaciones dimensionales, lo que puede dar lugar a errores acumulativos en la colocación de componentes a medida que aumenta la distancia desde los puntos de referencia globales.

Componentes específicos

Los tipos de componentes que utilice en su placa de circuito impreso pueden influir significativamente en la necesidad de referencias locales. Los componentes con un paso inferior a 1,0 mm, especialmente los BGA con pasos inferiores a 0,5 mm - 0,8 mm, suelen requerir referencias locales. Estos componentes de paso fino exigen una colocación extremadamente precisa, y las referencias locales proporcionan los puntos de referencia adicionales necesarios para alcanzar este nivel de precisión.

Los chips SMD más grandes y centralizados, como los BGA más grandes, tienen más probabilidades de necesitar referencias locales debido al mayor riesgo de desalineación. Incluso un ligero error angular puede provocar una desalineación significativa en los bordes de estos componentes de mayor tamaño.

Por otro lado, los componentes con un paso mayor (por ejemplo, 1,0 mm o más) pueden no necesitar referencias locales. A menudo, los equipos de montaje modernos pueden colocar estos componentes con precisión utilizando únicamente referencias globales, especialmente en placas pequeñas.

Avances tecnológicos

En los últimos años, la capacidad de las máquinas pick-and-place ha mejorado notablemente. A medida que estas máquinas se vuelven más precisas, algunos talleres de montaje están dejando de utilizar puntos de referencia locales, sobre todo en las placas más pequeñas. Estas máquinas avanzadas a menudo pueden alcanzar altos niveles de precisión utilizando sólo puntos de referencia globales, reduciendo la necesidad de puntos de referencia adicionales.

La decisión de omitir las referencias locales debe tomarse con cuidado. Deben tenerse en cuenta las capacidades específicas del equipo de montaje utilizado, así como la complejidad del diseño de la placa.

Comunicación del fabricante

Dada la variabilidad de los equipos y procesos de montaje, la comunicación con el fabricante es crucial. Antes de decidir si incluir o no marcas de referencia locales, comente con el fabricante el diseño y las especificaciones de la máquina de pick and place. Pueden proporcionarle información valiosa sobre sus capacidades y requisitos específicos.

Consulte siempre a su fabricante para conocer sus requisitos específicos en materia de marcadores de referencia. Algunos pueden tener directrices estrictas basadas en sus equipos y procesos, mientras que otros pueden ser más flexibles. Esta comunicación garantiza que el diseño de la placa se ajuste a las capacidades del fabricante, lo que permite obtener los mejores resultados de montaje posibles.

Reparación y reparación

Aunque el objetivo principal suele ser el montaje inicial, hay que tener en cuenta la posible necesidad de reparaciones o retoques en el futuro. Aunque los puntos de referencia locales no sean absolutamente necesarios para la colocación inicial, pueden ser beneficiosos en estos casos. Las referencias locales proporcionan puntos de referencia precisos que pueden ser cruciales a la hora de sustituir o realinear componentes durante los procesos de reparación.

Uso fiduciario en paneles y plantillas

Los marcadores de referencia son esenciales no sólo en las placas de circuito impreso individuales, sino también en los paneles y plantillas utilizados en el proceso de fabricación. Comprender cómo se utilizan las marcas de referencia en estos contextos puede ayudarle a optimizar su proceso de producción de PCB en general:

En el panel

Los paneles de placas de circuito impreso, que contienen varias placas individuales, requieren su propio conjunto de marcas de referencia para guiar el proceso de fabricación. Pero, ¿dónde se colocan exactamente estas marcas de referencia y en qué se diferencian de las de las placas individuales?

Las marcas de referencia de los paneles sirven para medir la orientación de todo el panel durante la fabricación. Suelen colocarse en los bordes del panel, cerca de los orificios de las herramientas, de forma similar a como se colocan en las placas de circuito impreso. Esta colocación permite al equipo de fabricación alinear y procesar con precisión todo el panel.

Curiosamente, los marcadores de panel pueden tener el mismo tamaño que los marcadores típicos de placa. Esta coherencia puede simplificar el proceso de fabricación y reducir la posibilidad de errores. Sin embargo, es importante tener en cuenta que cada placa individual dentro del panel seguirá teniendo sus propias marcas de referencia para la alineación después de la separación del panel.

En la plantilla

Las plantillas de pasta de soldadura, que se utilizan para aplicar pasta de soldadura a las placas de circuito impreso antes de colocar los componentes, también requieren marcas de referencia para una alineación precisa. Pero, ¿en qué se diferencian las marcas de los esténciles de las de las placas de circuito impreso?

Los esténciles suelen tener tres puntos de referencia globales, que coinciden con la colocación en la placa de circuito impreso. Esta coincidencia es crucial para garantizar que la pasta de soldadura se aplique con precisión en las zonas correctas de la placa. A diferencia de las placas de circuito impreso, los esténciles no suelen necesitar referencias locales, ya que las referencias globales proporcionan una alineación suficiente para todo el esténcil.

La alineación precisa entre el esténcil y la placa de circuito impreso es fundamental para garantizar que la pasta de soldadura se aplique sólo en las zonas previstas. Incluso una ligera desalineación puede provocar puentes de soldadura o soldadura insuficiente en las almohadillas de los componentes, lo que puede causar defectos de montaje.

Más allá de las plantillas fiduciales con dispensación automática

Aunque los esténciles son un método habitual para aplicar pasta de soldadura, existe un enfoque alternativo que está ganando adeptos en determinados escenarios: la dispensación automática de pasta. Cómo utiliza este método las marcas de referencia y cuándo puede ser preferible a la aplicación de esténciles?

Las máquinas dispensadoras de pasta automatizadas ofrecen una alternativa a los esténciles, ya que utilizan los puntos de referencia de la placa de circuito impreso para la alineación. Este método elimina la necesidad de herramientas de estarcido y limpieza, lo que puede ser especialmente ventajoso para prototipos o series de producción de bajo volumen.

El uso directo de los puntos de referencia de la placa de circuito impreso hace que la dosificación automatizada logre una colocación precisa de la pasta de soldadura sin necesidad de una plantilla independiente. Esto puede agilizar el proceso de producción, especialmente en placas con cambios de diseño frecuentes o para fabricantes que trabajan con una gran variedad de diseños de placas.

La dosificación automatizada suele tener un menor rendimiento en comparación con la aplicación de esténciles. Mientras que un esténcil puede aplicar pasta de soldadura a todos los pads simultáneamente, un dispensador automático debe aplicar pasta a cada pad individualmente. Por ello, la dosificación automática suele preferirse para trabajos de montaje de tiradas cortas y rotación rápida, en los que el menor tiempo de preparación compensa la menor velocidad de aplicación.

Preguntas frecuentes sobre la colocación de fiduciales

A medida que nos adentramos en el mundo de los marcadores fiduciales, surgen a menudo varias preguntas e inquietudes comunes. Vamos a abordar algunas de estas cuestiones clave para ayudarle a navegar por las complejidades de la colocación de marcadores fiduciales en sus diseños de PCB.

Colocación de componentes cerca del borde

Un problema frecuente es la colocación de componentes lejos de los puntos de referencia y cerca del borde de la placa de circuito impreso. ¿Por qué puede ser un problema y cómo solucionarlo?

Cuando los componentes se colocan lejos de los puntos de referencia y cerca del borde de la placa, aumenta el riesgo de desalineación durante el montaje automatizado. Esto se debe a que cuanto más lejos esté un componente de los puntos de referencia, mayor será la posibilidad de que se acumulen errores de posicionamiento.

Por ejemplo, consideremos un escenario en el que los componentes se colocan en una zona alejada de los fiduciales más cercanos, llamémosla zona "A". El equipo de montaje debe extrapolar la posición de colocación correcta basándose en referencias que están relativamente lejos. Cualquier ligera desalineación angular o deformación de la placa puede magnificarse a lo largo de esta distancia, lo que puede provocar una colocación menos precisa de los componentes.

Para mitigar este problema, considere las siguientes estrategias:

1. Si es posible, ajuste la disposición de la placa para mantener los componentes críticos más cerca de los puntos de referencia.
2. Para placas más grandes, considere la posibilidad de añadir puntos de referencia locales cerca de las áreas con colocación densa de componentes, especialmente si estas áreas están lejos de los puntos de referencia globales.
3. Comente esta cuestión con su empresa de montaje. Es posible que tengan recomendaciones específicas basadas en las capacidades de sus equipos.

Componentes de paso fino y recuento de fiduciales

Otra pregunta habitual gira en torno a la aparente contradicción de añadir más de las tres referencias recomendadas cuando se trata de componentes de paso fino, como BGA o QFN. No infringe esto la regla del "máximo de 3 fiduciales"?

La clave para entender esto es diferenciar entre fiduciales globales y locales. La regla del "máximo de 3 referencias" se aplica generalmente a las referencias globales, que se utilizan para la alineación general de la placa. Los puntos de referencia locales, en cambio, se utilizan para alinear con precisión componentes específicos y pueden añadirse cuando sea necesario.

En el caso de componentes de paso fino, como BGA o QFN de gran tamaño, la adición de referencias locales (normalmente dos, colocadas en diagonal) cerca del componente puede mejorar significativamente la precisión de colocación. Estas referencias locales funcionan conjuntamente con las referencias globales, proporcionando un punto de referencia adicional para que el equipo de montaje garantice la alineación precisa de estos componentes críticos.

Por lo tanto, aunque tenga tres puntos de referencia globales en la placa, puede añadir puntos de referencia locales cerca de los componentes de paso fino sin infringir la directriz general. La clave está en utilizar los puntos de referencia locales con criterio, añadiéndolos sólo cuando aporten una clara ventaja en términos de precisión de colocación.

Formas de PCB no cuadradas

Los diseños de placas de circuito impreso no siempre son simples rectángulos. ¿Qué ocurre con la colocación de referencias en placas de circuito impreso no cuadradas, como las que tienen forma de T o de L?

Las formas no estándar de las placas de circuito impreso plantean retos únicos a la hora de colocar las referencias. El principio clave que hay que recordar es que los marcadores deben proporcionar puntos de referencia claros para todas las áreas de la placa. En el caso de las placas en forma de T o de L, puede ser necesario colocar más de los tres puntos de referencia estándar.

Para estas formas no cuadradas, considere el siguiente enfoque:

1. Coloque los puntos de referencia en los extremos del tablero. En el caso de un tablero en forma de T, esto podría significar colocar puntos de referencia en los extremos del travesaño en forma de "T" y en la parte inferior del vástago.
2. Asegúrese de que todas las zonas importantes del tablero se encuentran a una distancia razonable de al menos dos puntos de referencia. Para ello, puede ser necesario añadir fiduciales adicionales además de los tres estándar.
3. Preste especial atención a las zonas que sobresalen del cuerpo principal de la placa. Estas zonas podrían beneficiarse de fiduciales locales si contienen componentes críticos o de paso fino.

Recuerde que el objetivo es proporcionar al equipo de montaje suficientes puntos de referencia para determinar con precisión la orientación y la posición de la placa, independientemente de su forma. Aunque esto puede requerir más de tres puntos de referencia, la mejora de la precisión en la colocación de componentes bien merece el espacio adicional de la placa.

En todos estos casos (componentes cerca de los bordes, componentes de paso fino y formas de placa no estándar), la comunicación con el fabricante de placas de circuito impreso y la empresa de montaje es crucial. Pueden ofrecer información valiosa basada en las capacidades específicas de sus equipos y pueden tener recomendaciones adicionales para garantizar los mejores resultados posibles para su diseño único de PCB.