UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL

Transcrição

1 UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS Curso de Pós Graduação Lato Sensu em Engenharia Industrial JONATAN ANTONIO WEILER PROJETO DE VIABILIDADE DE COMPRA DE EQUIPAMENTOS PARA LINHA DE MONTAGEM SMT Panambi/RS 2015

2 JONATAN ANTONIO WEILER PROJETO DE VIABILIDADE DE COMPRA DE EQUIPAMENTOS PARA LINHA DE MONTAGEM SMT Monografia do Curso de Pós Graduação Lato Sensu em Engenharia Industrial apresentado como requisito parcial para obtenção de título de Especialista em Engenharia Industrial Orientador: Prof. Dr. Gil Eduardo Guimarães Panambi/RS 2015

3 JONATAN ANTONIO WEILER PROJETO DE VIABILIDADE DE COMPRA DE EQUIPAMENTOS PARA LINHA DE MONTAGEM SMT Monografia defendida e aprovada em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora Banca examinadora Prof. Dr. Gil Eduardo Guimarães - Orientador Profª. Msc. Patrícia Pedrali Panambi, 30 de abril de 2015

4 DEDICATÓRIA Dedico este trabalho a meu filho Artur, que acabara de nascer, trazendo luz e alegria a nossas vidas.

5 AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus, pelo milagre da existência, sem ele nada seríamos. A minha esposa Juliana e meu filho Artur, que são meu motivo e meu combustível diário. A esta universidade, seu corpo docente e demais colaboradores, que oportunizaram o desenvolvimento do curso de Pós-Graduação em Engenharia Industrial Ao professor orientador Dr. Gil Eduardo Guimarães que disponibilizou seu tempo para correções e sugestões, auxiliando na estruturação deste trabalho, tendo somado valores imensuráveis para o bom andamento do trabalho. Aos meus pais, pelo amor incondicional. A empresa pelo incentivo e pelo curso a mim oportunizado.

6 RESUMO Com a enorme evolução do segmento industrial nas últimas décadas, se torna imprescindível que as empresas realizem constantes modernizações em seu parque fabril, bem como estejam atentas às inovações do mercado. Existem vários casos de empresas que acabaram fechando as portas, pois não acompanharam a evolução e não inovaram seus produtos. Este trabalho aborda um projeto de viabilidade de implantação de uma linha de soldagem SMT em uma fabricante de equipamentos de soldagem, a qual busca produzir internamente seus produtos, não mais necessitando de terceiros. Serão apresentados quadros comparativos entre os diferentes tipos de configurações, as peculiaridades do processo, bem como os equipamentos envolvidos, dando ênfase ao equipamento de inserção de componentes (Pick and Place) e a impressora (Printer). O presente trabalho busca ainda, trazer para a empresa uma base mais ampla de conhecimento na área, trazendo confiabilidade no investimento e certeza na tomada de decisão, no que diz respeito ao tipo de equipamento a ser escolhido e valores envolvidos no projeto. Assim são apresentados cálculos de valores, comparativos de preços e de configurações, estudo de depreciação até chegar ao final com a tomada de decisão que tenha representado o melhor caminho e o melhor investimento para a empresa. Palavras Chave: Soldagem SMT, Pick and Place, confiabilidade.

7 ABSTRACT With the huge development of the industrial sector in recent decades, it is essential that companies upgrades in an innovations in your industrial parks, and stay alert to market innovations. There are several cases of companies that have just "closing the door", because it did not follow the evolution and did not innovate their products. This article discusses an implementation of a welding line feasibility project SMT in a welding equipment manufacturer, which seeks to internally produce their products, no longer requiring third parties. Comparative tables between different types of settings are presented the peculiarities of the process and the equipment involved, emphasizing the component insertion equipment (pick and place) and the printer (Printer). This study aims to further bring to the company a broader base of knowledge in the area, bringing reliability and certainty in the investment decision-making, with regard to the type of equipment to be chosen and values involved in the project. So are presented values calculations, comparative prices and configurations, depreciation study until reach the end with the decision-making that has represented the best way and the best investment for the company. Keywords: SMT Soldering, Pick and Place, reliability

8 LISTA DE FIGURAS Figura 1- Placa de Circuito Impresso de Fenolite Figura 2- Placa de Circuito Impresso de Fibra de Vidro Figura 3- Placa de fenolite de múltiplas camadas Figura 4- Componente PTH e forma de montagem Figura 5- Componentes SMD e forma de montagem Figura 6- Carretel de resistores SMD Figura 7 encapsulamentos SMD mais comuns nas montagens Figura 8- Encapsulamento SOIC Figura 9 - Configuração SMD semiautomática ou de baixo volume Figura 10- Configuração de linha SMD Automática ou de alto volume Figura 11- Imagem Placa Fonte Figura 12- PCI da placa fonte e diagrama dos pads do stencil Figura 13- Placa Inversor face superior, lado dos componentes PTH Figura 14- Placa inversor face inferior, lado dos componentes SMD Figura 15- protótipo e arquivo gerber Figura 16 Placa de controle Figura 17- Protótipo e diagrama de pads da placa de controle Figura 18- Modelo de Insersora Multi-head da fabricante Mirae Figura 19- Esquemático do processo de aplicação da cola ou pasta de solda na PCI Figura 20- Modelo de stencil para aplicação de pasta ou cola Figura 21- Impressora manual com detalhe do processo Figura 22- Impressora semiautomática Figura 23- Modelo de impressora automática... 44

9 Figura 24- Forno de refusão com quatro zonas de aquecimento e uma zona de resfriamento 45 Figura 25- Carregador de placas com sistema de limpeza Figura 26- Transportador de ligação Figura 27- Descarregador de placas Figura 28- Gráfico com os percentuais de defeito por processo Figura 29- Proposição de layout para linha SMT semiautomática Figura 30- Proposta de layout para linha automática Mirae e SJ Figura 31- Proposta de layout linha automática Juki e GSD Figura 32 - Gráfico comparativo da evolução de produção X terceirização... 72

10 LISTA DE TABELAS Tabela 1- Valores de referência para Resistores SMD padrão em polegadas Tabela 2- Resumo dos dados construtivos da placa fonte Tabela 3- Resumo dos dados construtivos da placa do Inversor Tabela 4- Levantamento de dados da placa de controle Tabela 5- Levantamento de dados gerais com somatório dos três modelos Tabela 6- Calculo da necessidade produção mensal Tabela 7- Comparativo entre três modelos de Insersoras de componentes Tabela 8- Análise da capacidade produtiva dos três modelos Tabela 9- Projeção de incremento para os próximos dois anos Tabela 10- Controle visual da análise dos critérios Tabela 11- Comparativo entre impressoras (printers) Tabela 12- Custos para instalação linha SMT marca TWS Tabela 13- Custos para instalação linha automática Mirae & SJ Tabela 14- Custos para instalação de linha automática Juki e GSD Tabela 15- Cálculo de depreciação dos equipamentos Tabela 16- Calculo do gasto mensal para a Opção Tabela 17- Calculo do gasto mensal para a Opção Tabela 18- Calculo do gasto mensal para a Opção Tabela 19- Comparativo Produção Própria X Terceirização e projeção de crescimento... 71

11 LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS BNDES BGA CPH FIEE MELF PCB PCI PTH SMENA SMT SOIC SOT TSOP Banco Nacional do Desenvolvimento Ball Grid Array Componentes por Hora Feira Internacional da Indústria Elétrica, Eletrônica, Energia e Automação Metal Electrode Face Bounded Printed Circuit Board Placa de Circuito Impresso Plated Trough Hole Suface Mount Equipment Manufactures Association Surface Mounting Technology Small Outline Integrated Circuit Small Outline Transistor Thin Small Outline Package

12 SUMÁRIO INTRODUÇÃO CONCEITOS BÁSICOS SOBRE AS TECNOLOGIAS DE MONTAGEM DE PLACAS PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO (PCI`S) Placas de circuito impresso de Fenolite Placas de circuito impresso de Fibra de Vidro Demais tipos de placas de circuito impresso Tecnologias atuais em PCI`s TIPOS DE COMPONENTES ELETRONICOS Componentes PTH Componentes SMD Tipos de encapsulamento em componentes SMD EQUIPAMENTOS ENVOLVIDOS EM UMA LINHA DE MONTAGEM SMT Linha de montagem Semiautomática Linha de montagem Automática DEFINIÇÕES E ANALISE DE PROJETO PROJETO DAS PCI S Placa Fonte Placa do inversor Placa de controle RESULTADO DA ANÁLISE DAS PLACAS ESTUDO SOBRE EQUIPAMENTOS PARA MONTAGEM SMT... 37

13 3.1 TIPOS DE INSERSORAS DE COMPONENTES (PICK AND PLACE) Insersora de Entrega Dupla (dual-delivery) Insersora Multiestação (multistation) Insersora tipo Torre (turrent type) Insersora Multi cabeça (Multi-head) MÁQUINAS IMPRESSORAS (PRINTER) Impressora Manual Impressora Semiautomática Impressoras automáticas FORNO DE REFUSÃO (REFLOW OVEN) DEMAIS ITENS ENVOLVIDOS NA MONTAGEM Carregador de placas (loader) Transportador de ligação (conveyor) Descarregador de placas (magazine unloader) COTACOES E COMPARATIVOS ENTRE EQUIPAMENTOS COMPARATIVO ENTRE INSERSORAS Critérios de seleção do equipamento Resumo da análise dos critérios COMPARATIVO ENTRE IMPRESSORAS (PRINTER) CONFIGURAÇÕES POSSÍVEIS PARA A LINHA SMT LINHA SEMIAUTOMÁTICA COM PICK AND PLACE TWS OPÇÃO LINHA AUTOMÁTICA COM PICK AND PLACE MIRAE E PERIFÉRICOS - OPÇÃO LINHA AUTOMÁTICA COM PICK AND PLACE JUKI E PERIFÉRICOS CHINA - OPÇÃO ANÁLISE DA VIABILIDADE DO INVESTIMENTO CONCEITOS BÁSICOS SOBRE DEPRECIAÇÃO CÁLCULOS DE VIABILIDADE DO INVESTIMENTO Cálculo para a opção Cálculo para a opção Cálculo para a opção

14 6.3 ANÁLISE DAS OPÇÕES DE COMPRA DEFINIÇÕES APARTIR DOS RESULTADOS CONCLUSÃO TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 76

15 14 INTRODUÇÃO Com o desenvolvimento industrial e tecnológico, a indústria vem passando ao longo dos anos por uma imensa transformação, principalmente aquelas que possuem área de atuação dentro da eletrônica, onde produtos de grande porte tem sido transformados em equipamentos pequenos, praticamente portáteis. Tudo isso é possível devido a tecnologia embarcada nestes equipamentos, a qual possibilita flexibilização e miniaturização dos mesmos. Um dos segmentos de mercado que está passando por um processo desta natureza é o setor de equipamentos para solda, onde equipamentos grandes, pesados, sem eficiência, sem versatilidade, veem perdendo mercado para fontes de soldagem eletrônicas. Estas permitem que ocorra uma redução expressiva no peso dos equipamentos, maior economia de matériaprima, maior conforto ao operador, maior eficiência energética e uma série de outros fatores positivos. Para que as empresas possam realizar estas transformações, se faz necessário um grande investimento em pesquisa e inovação de processos e produtos. Onde, além de profissionais com alta capacidade em desenvolvimento necessita-se de equipamentos específicos para produção das placas eletrônicas. Existem hoje muitas empresas que perceberam este nicho de mercado e acabaram investindo em equipamentos, que realizam a montagem das placas eletrônicas. Estes são chamados de terceirizados. Existem no mercado empresas terceirizadas de excelência, com alta tecnologia, porem a contratante está sempre sujeita a atrasos no tempo de entrega, problemas de falta de qualidade, e ainda a manutenção do sigilo industrial dos projetos. Outra forma de se realizar a produção é investir em equipamentos necessários e internalizar este processo, ou seja, fazer uma série de investimentos e montar suas próprias placas eletrônicas.

16 15 Esta monografia está estruturada em 8 capítulos e trata do estudo de viabilidade de compra de uma linha de montagem de placas eletrônicas em um fabricante de máquinas de solda. No capítulo 1 são apresentados os conceitos básicos sobre placas eletrônicas e componentes eletrônicos, as tecnologias possíveis e presentes no mercado, termos e detalhes do processo pretendido. Traz ainda os modelos de equipamentos disponíveis no mercado bem como suas especificações e possíveis configurações de compra. O capítulo 2 traz as definições e análise do projeto a ser implantado, realizando levantamento de dados das PCI`s e resultados obtidos. No Capítulo 3 é estudado de forma mais aprofundada e especifica os equipamentos envolvidos em uma linha SMT, apresentando detalhamento dos mesmos. Já o capítulo 4 apresenta as cotações dos equipamentos e quadros comparativos entre equipamentos do mesmo gênero, além de critérios a serem observados no momento da tomada de decisão. Isto posto, o capítulo 5 mostra as possíveis configurações para a linha SMT, dando três opções, onde também faz-se um comparativo de qualidades versus valor de ambas opções. As análises de viabilidade do investimento são apresentadas no capítulo 6, que traz ainda os cálculos de depreciação dos bens. O capítulo 6 mostra também quais as decisões da empresa baseado neste estudo. No último tópico, que envolve as considerações finais, um resumo dos objetivos bem como as dificuldades encontradas e sugestões para trabalhos e implementações futuras. O objetivo principal deste projeto é trazer a tona dentro da empresa o assunto sobre a compra de equipamentos de montagem de placas eletrônicas, apresentando alguns conceitos genéricos sobre os equipamentos e as características dos equipamentos SMT, mas principalmente apresentar aos gestores da empresa cálculos e comparativos que comprovem ou não a viabilidade de investir neste projeto. É objetivo ainda, realizar um estudo sobre a instalação e implantação da linha de montagem dentro da empresa, analisando possibilidades de layout, requisitos mínimos para instalação e acompanhamento dos treinamentos iniciais, porem o principal objetivo é realizar o estudo para analisar se há viabilidade de compra por parte da empresa ou não, e qual tipo de equipamento a ser adquirido.

17 16 1 CONCEITOS BÁSICOS SOBRE AS TECNOLOGIAS DE MONTAGEM DE PLACAS Este capítulo irá apresentar conceitos básicos sobre tecnologias e formas de montagem de placas de circuito impresso (PCI) ou do inglês PCB (Printed circuit board). Quais as suas principais formas construtivas, materiais empregados, tentando mostrar de forma bem resumida a evolução histórica deste componente. O capitulo traz ainda um estudo sobre os tipos de componentes, suas diferenciações, tipos diferentes de encapsulamento além de mostrar de forma muito resumida os conceitos de linhas de montagem SMT. 1.1 PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO (PCI`S) Segundo (MEHL) o circuito impresso foi inventado em 1936 por Paul Eisler, que descobriu um método de corroer uma camada de cobre depositada sobre uma superfície isolante, a invenção tinha por finalidade fazer a ligação entre componentes, substituindo o emaranhado de fios que interligavam os mesmos, porém a expressão de circuito impresso vem do ano de 1925, onde um pesquisador norte-americano chamado Charles Ducas propunha depositar tinta condutiva sobre um material isolante. Ainda de acordo com (MEHL) as placas de circuito impresso (PCI`s) tiveram seu uso intensificado com o advento da II Guerra Mundial, onde a robustez dos equipamentos era essencial, desta forma teve seu uso principalmente em rádios e equipamentos de comunicação. Após isso com a invenção do transistor que, com seus benefícios comprovados passou a ser a principal forma de confecção de placas eletrônicas, perdurando até os dias de hoje como a forma mais econômica e tecnológica Placas de circuito impresso de Fenolite As placas de circuito impresso inicialmente foram confeccionadas em fenolite, a qual é composta com a mistura de resina fenólica com cargas de madeira ou serragem, as quais são misturadas e prensadas a quente em forma de laminas de diferentes espessuras. Este material é muito utilizado hoje em dia por empresas fabricante de transformadores, porem em ambientes

18 17 úmidos, acaba trazendo problemas para o circuito eletrônico, pois é um material com característica higroscópica, absorvendo umidade do ar perdendo propriedades mecânicas e isolantes. Esse material em questão pode ser visualizado na Figura 1 a seguir. Figura 1- Placa de Circuito Impresso de Fenolite Disponível em: < Acesso em: 13 out Hoje em dia as placas de fenolite são utilizadas em projetos artesanais ou de baixo volume de produção, onde ocorre a fabricação de protótipos e montagem manual Placas de circuito impresso de Fibra de Vidro Por volta dos anos 60 após muitas pesquisas, desenvolveu-se a placa de circuito impresso de Fibra de Vidro, a qual é hoje o modelo mais difundido em todo o mundo. São produzidas com resina epóxi com uma fina camada de tecido de fibra de vidro em seu interior, apresentando uma excelente resistência mecânica a não absorção de água e também são resistentes ao fogo, garantindo uma melhor qualidade ao produto. Em contra partida são PCI`s que, por apresentarem uma maior dureza a qual é comparada com o granito, são mais difíceis de serem trabalhadas, sendo necessário o uso de ferramentas especiais para furacão, corte e usinagem das mesmas, alem disso são cerca de 20% mais caras que as PCI`s de fenolite. As PCI`s de Fibra de vidro possuem geralmente uma coloração verde e em alguns casos podem ser nas cores azul, vermelha ou preta. Como pode ser visualizado na Figura 2, além das vantagens técnicas já citadas, as placas de Fibra de Vidro possuem um acabamento muito superior as placas de fenolite, trazendo ao projeto uma maior profissionalização.

19 18 Figura 2- Placa de Circuito Impresso de Fibra de Vidro Fonte: Autor A Figura 2 mostra um caso típico de PCI de Fibra de Vidro, que na grande maioria dos casos apresenta-se na cor verde Demais tipos de placas de circuito impresso Além dos tipos já citados, existem ainda alguns tipos de PCI`s utilizados em projetos específicos, onde podemos citar placas de Teflon, Poliéster e óxidos de alumínio. Estes tipos de PCI`s são utilizados em projetos onde se exija uma altíssima frequência, também em notebooks, celulares, onde se necessite circuitos impressos flexíveis, praticamente maleáveis, e ainda em conversores de alta potencia. Estes modelos de placa não fazem parte do nosso estudo e terão maior ênfase em uma próxima oportunidade Tecnologias atuais em PCI`s A tecnologia empregada na fabricação de PCI`s evoluiu muito nos últimos anos, principalmente nas últimas três décadas, incluindo a gama das placas de circuito impresso os modelos multilayers (multicamadas), as quais possibilitam uma redução ainda maior dos

20 19 circuitos. (MELO; RIOS; GUTIERRES, 2001) descrevem o processo de fabricação deste tipo de placas da seguinte forma: Para a obtenção de placas multilayer, a etapa inicial consiste na fabricação de camadas mais internas, o que normalmente é feito pelo processo subtrativo. A etapa seguinte envolve a prensagem sob determinada temperatura e pressão dessas camadas, intercaladas com material isolante, comercialmente conhecido como prepreg (pre-impregnated composite fibers). Depois, são agrupados diversos painéis (camadas internas mais prepreg) para a etapa de furação, cujos orifícios têm por objetivo promover o contato elétrico entre as várias camadas da PCI. Ao fim dessa etapa, procede-se à verificação do número de furos de cada conjunto, além de escovação mecânica com o intuito de remover cavacos. Devem ser agregadas também a esse conjunto as faces mais externas, de cobre, efeito obtido por imersão em banho químico, que resulta na deposição desse metal. Um exemplo da fabricação destas PCI`s é apresentado na Figura 3 seguir. Figura 3- Placa de fenolite de múltiplas camadas (a) (b) Disponível em: < %20Montagem%20em%20Superf%C3%ADcie%20%20SMT.pdf> Acesso em: 13 out As placas multilayers são confeccionadas em alguns casos com até 16 layers ou mais, no modelo da Figura 3 (a) está sendo representado um esquemático de fabricação de uma PCI de 6 layers. Estes modelos de placas foram fundamentais para o processo de minituarização que os equipamentos sofreram, principalmente telefones celulares, notebooks e demais

21 20 equipamentos eletrônicos. No modelo da Figura 3 (b) é mostrado este modelo de PCI e suas camadas (lâminas) que a compõe. 1.2 TIPOS DE COMPONENTES ELETRONICOS Durante o desenvolvimento de projetos, os técnicos, engenheiros e projetistas podem optar por duas tecnologias de montagem, sendo elas os métodos PTH (Plated Trough Hole) e a metodologia SMD (Surface Mount Technology), o que irá definir qual a metodologia a ser usada está relacionada com fatores como quantidade a ser produzida, acessibilidade aos componentes, custos de projeto, espaço disponível dentre outros fatores Componentes PTH Os componentes PTH representam uma das tecnologias mais antigas relacionadas a montagem de placas eletrônicas, mas mesmo assim são utilizados até hoje, principalmente em aplicações onde a quantidade de peças a ser produzida não é muito grande, onde se exige potencias elevadas no circuito e ainda quando o espaço não é problemático, conforme mostrado na Figura 4 a seguir. Figura 4- Componente PTH e forma de montagem Fonte: Autor A tecnologia PTH apresenta pinos nos componentes, os quais são inseridos em furos disponíveis na PCI, conforme pode ser visualizado na Figura 4. Esta metodologia de montagem não permite uma grande automação, e em quase todos os casos a inserção dos

22 21 componentes é feita de forma manual tendo que ocorrer a solda manual ou através de solda por processo de onda Componentes SMD Componentes SMD representam uma evolução da tecnologia PTH, onde as principais vantagens são a alta capacidade de automação da montagem e um alto controle de qualidade do produto, através de processos de inserção automática. O processo de inserção automática possibilita que todo o processo seja automatizado, começando pela alimentação da PCI na linha de montagem, até o processo de solda e armazenamento da placa pronta em magazines. Uma imagem de componentes montados através da tecnologia SMT e mostrado na Figura 5 a seguir. Figura 5- Componentes SMD e forma de montagem Fonte: Autor A montagem do componente SMD é realizada através de solda na própria superfície da PCI, não sendo necessários furos na mesma, como pode ser visto na Figura 5 somente são necessários pads, também conhecidas por ilhas. Neste trabalho vamos chamar de pads, pois não existe uma tradução correta para este termo neste tipo de aplicação. O Pad nada mais é o local em que ocorre a aplicação da pasta para solda, onde posteriormente o componente eletrônico irá ser alocado, realizando a fusão do componente com o circuito através de aquecimento.

23 Tipos de encapsulamento em componentes SMD Os componentes apresentam-se nos mais variados tipos e formatos, sendo fundamental que o projetista tenha um bom conhecimento sobre estas diferenças, principalmente no momento da definição do tamanho dos pads para que os mesmos tenham uma boa soldabilidade. Outro cuidado que se deve ter é qual o padrão que está se adotando, pois existem padrões métricos e polegadas. No nosso caso, trataremos de encapsulamentos com padrão em polegada, pois são mais conhecidos no mercado desta forma. Atualmente programas utilizados para projetos eletrônicos, como por exemplo, o Altium Designer, já apresenta em sua biblioteca todas as informações necessárias no momento do projeto, apresentando interface com fabricantes, tornando a vida do projetista um pouco mais fácil. As principais diferenças referem-se a formato e tamanho do encapsulamento, que variam muito dentre as diversas faixas de potencia, sendo as mesmas diferenciadas por uma nomenclatura numérica e não por cores como é o caso dos resistores PTH Encapsulamento resistores e Capacitores Visto que existe um grande número de tipos diferentes de encapsulamentos, vamos explicar os mais usuais, iniciando pelo mais simples que é chamado de Flat Chip, os quais possuem quatro dígitos na nomenclatura. Conforme (AGOSTINI) os dois primeiros dígitos indicam o comprimento do componente entre terminais. Os dois últimos dígitos referem-se a largura do componente, se os dois primeiros dígitos do código são 12, então o comprimento do flat chip é.12. Se o código é na unidade métrica, o 12 refere-se a 1.2 mm. Na Tabela 1 a seguir, são apresentadas as faixas de potência da classe dos resistores, com suas dimensões e nomenclatura.

24 23 Tabela 1- Valores de referência para Resistores SMD padrão em polegadas Código (referência) Tamanho em polegadas Comprimento (mm) Largura (mm) Potencia (Watts) x ,6 0,3 1/ x ,0 0,5 1/ X 0,03 1,6 0,8 1/ X ,0 1,25 1/ X ,2 1,6 1/ X ,2 2,6 1/ x ,6 3,0 1/ X ,08 2,6 3/ X ,35 3, X ,14 4,06 2 Disponível em: < Acesso em 15 nov Mas deve-se ficar atento, já que alguns fabricantes utilizam valores de potência diferentes dos anotados na tabela. Neste caso, somente consultando o manual do fabricante para ter certeza dos valores. Estes componentes geralmente são fornecidos em carretéis plásticos que permitem a instalação diretamente na insersora de componentes. Um modelo de carretel pode ser visualizado na Figura 6 a seguir. Figura 6- Carretel de resistores SMD Fonte: Autor

25 24 A quantidade de peças em um carretel varia conforme o tamanho do mesmo, o qual pode ser de 4, 7 e 13. Na Figura 7 é mostrado um carretel de 7 o qual possui resistores com encapsulamento Quanto maior o carretel, maior é a quantidade componentes, consequentemente menos trocas são geradas durante a produção, porém os padrões mais usuais no mercado é o carretel plástico de Encapsulamento de Transistores e Diodos Os diodos possuem três tipos de encapsulamento, Melf, MiniMelf e SOT. De acordo com (AGOSTINI) componentes MELF são mais populares no Japão e Europa do que nos Estados Unidos. MELF significa Metal Electrode Face Bounded e consiste em dois terminais unidos a um corpo cilíndrico. Ainda segundo (AGOSTINI) a grande desvantagem do MELF é sua tendência de rolagem para fora da área de soldagem durante a montagem e apesar dos resistores e capacitores tipo MELF serem mais baratos que os flat chips, requerem um manuseio especial durante a montagem. O encapsulamento SOT é também aplicado a diodos, porem tem sua maior aplicação nos transistores, sendo o tipo mais popular o tipo SOT23, existindo ainda SOT89, SOT143 e SOT223 Figura 7 encapsulamentos SMD mais comuns nas montagens Fonte: Autor

26 25 Os formatos indicados na Figura 7 consistem nos formatos dos encapsulamentos mais usados nas montagens SMD. Os diodos e transistores também são fornecidos em carretéis de 4 e 7 sendo que a quantidade varia de peças a peças respectivamente Encapsulamento de circuitos integrados Os tipos de encapsulamento para circuitos integrados em tecnologia SMD podem ser agrupados em famílias. A tecnologia mais antiga é a flat pack. O Quad flat pack, o TSOP e o BGA são os mais recentes tecnologicamente. Cada família apresenta certas características em comum como o tipo de terminal, passo do terminal, tamanho do encapsulamento e materiais. O encapsulamento mais conhecido é o SOIC (Small Outline Integrated Circuit), pois apresenta uma maior variação na quantidade de terminais, conforme mostrado na Figura 8 a seguir, começando em oito terminais podendo chegar até quarenta terminais. Figura 8- Encapsulamento SOIC-8 Disponível em: < Acesso em: 15 nov A Figura 8 apresenta um modelo de circuito integrado com encapsulamento SOIC, no caso específico com oito terminais (SOIC 8). Existem ainda muitas outras nomenclaturas e tipos diferentes de componentes SMD, porem os modelos citados nos tópicos anteriores são os mais conhecidos e também seguem a linha de pesquisa deste trabalho.

27 EQUIPAMENTOS ENVOLVIDOS EM UMA LINHA DE MONTAGEM SMT Existem inúmeras configurações possíveis para implementação de uma linha de montagem SMT, tanto no que tange diferentes modelos de equipamentos, bem como diferentes configurações do processo. De forma geral adotamos uma nomenclatura para classificar em duas metodologias, automática e semiautomática, ou ainda para médio a alto volume e para baixo volume respectivamente, onde o que difere uma da outra é a quantidade de equipamentos, qualidade, produtividade e preço. Ambas serão detalhadas nos tópicos a seguir Linha de montagem Semiautomática Também chamada de linha para baixo volume, uma linha SMT nesta configuração apresenta basicamente três equipamentos, conforme apresentado na Figura 9. Figura 9 - Configuração SMD semiautomática ou de baixo volume Disponível em: < Acesso em 15 nov A Figura 9 mostra três equipamentos necessários para a implementação de uma linha SMT de baixo volume, sendo a Figura 9 (a) a impressora (printer) que tem a função de aplicar a pasta de solda ou cola sobre os pads da PCI através de um rodo e um stencil. A Figura 9 (b) representa a insersora de componentes (pick and place) a qual tem a função de colocar os componentes em suas respectivas posições, conforme projeto, e por fim na Figura 9 (c) tem-se o forno de refusao (reflow Oven), que é o agente que irá fundir a pasta de solda no componente, através do aquecimento do conjunto. Esta configuração é indicada para aplicações de baixo volume, pois toda a movimentação é realizada manualmente entre os equipamentos, ou seja, entre cada etapa do

28 27 processo se faz necessário a intervenção de um operador para levar as PCI`s para a próxima etapa, fato que pode trazer problemas de qualidade devido a manipulação humana. Também é altamente recomendada para prestadores de serviço que possuam uma grande gama de produtos que geralmente são produzidos em pequenos lotes, uma vez que o setup é mais rápido quando comparado com uma linha automática Linha de montagem Automática São linhas que apresentam uma maior complexidade, envolvendo um grande numero de máquinas, que realizam todas as etapas do processo de soldagem, manipulação e inspeção em cada etapa crítica. Uma linha de montagem Automática é também conhecida como linha de médio ou alto volume, para tal, agrega alguns equipamentos além dos já mencionados nos detalhes da linha semiautomática, conforme pode ser visualizado na Figura 10 Figura 10- Configuração de linha SMD Automática ou de alto volume Disponível em: < Acesso em 15 nov A Figura 10 apresenta o esboço de uma linha automática, sendo que a Figura 10 (a) refere-se ao carregador de PCI`s (loader), o qual tem a função de receber as placas empilhadas e alimentá-las uma a uma na impressora, neste caso representada pela imagem Figura 10 (b). A impressora tem a função de aplicar a pasta de solda ou a cola sobre a PCI, em posições pré-definidos no projeto, para isso conta com um rodo metálico e um gabarito em inox chamado de Stencil. Finalizado este processo a placa passa pelo transportador de inspeção (conveyor), ilustrado na imagem da Figura 10 (c). Feito isso, a PCI entra na insersora de componentes (pick and place), imagem da Figura 10 (d) para que os componentes SMD sejam inseridos em suas respectivas posições. Como esta é teoricamente a etapa mais demorada do ciclo, uma linha automática permite a instalação de mais de uma Pick and place, cortando o tempo desta etapa pela

29 28 metade. Após a inserção, novamente há um transportador chegando assim ao forno de refusão (reflow oven) mostrado da Figura 10 (e), que irá aquecer os substratos e realizar a fusão dos componentes eletrônicos com os pads da placa. A última etapa chamada de descarregamento (unloader), representada pela Figura 10 (f) recebe a PCI após solda e armazena as mesmas em magazines plásticos ou metálicos, e desta forma as placas estão prontas para os testes, para venda ou para a próxima etapa do processo. Nos capítulos a seguir será comentado com maiores detalhes cada etapa do processo em questão.

30 29 2 DEFINIÇÕES E ANALISE DE PROJETO O capítulo 2 irá tratar das definições e detalhamento do projeto, dando base técnica para as tomadas de decisões. Tendo conhecimento de quais os produtos a serem fabricados, dos principais equipamentos, tipos de componentes e dos fatores envolvidos, passou-se a fase de levantamento de dados das placas eletrônicas. Não será explicado neste capítulo o principio de funcionamento de cada placa, somente será dado ênfase as características que devem ser levadas em consideração para nosso projeto, como o tipo de componente, quantidade dos mesmos e dimensionais. 2.1 PROJETO DAS PCI S A primeira etapa do projeto foi o desenvolvimento das placas eletrônicas para um novo modelo de equipamento de soldagem, projetado pela empresa para substituir os atuais e tradicionais transformadores convencionais, alterando a metodologia de construção convencional onde se usa bobinas de fio de cobre ou alumínio com aço silício por PCI`s. De posse dos dados das placas eletrônicas iniciou-se assim a fase de levantamento de dados de ambas, passando-se a analisar vários fatores determinantes para que toda a escolha de equipamento e toda decisão tomada estejam coerentes e condizentes com as possibilidades da empresa. Neste projeto em questão serão analisadas três placas, mas o projeto com um todo leva em consideração as perspectivas de crescimento da empresa e incrementos de novos modelos que seguem o mesmo padrão deste analisado Placa Fonte A placa fonte, denominada desta forma neste estudo, tem a finalidade de reconhecer a tensão de entrada da rede e comutar os relés para a correta tensão de alimentação do circuito de entrada do inversor. É uma das placas mais simples do projeto, mas nem por isso menos importante que esta representada na Figura 11 a seguir.

31 30 Figura 11- Imagem Placa Fonte Fonte: Autor Como pode ser visualizada na Figura 11, esta placa apresenta miscigenação entre componentes SMD e PTH, sendo considerada em uma primeira análise de fácil construção. Para realizar o levantamento dos componentes na placa fez-se necessário a utilização do arquivo Gerber gerado pelo programa Altium Designer 15. O arquivo Gerber é definido por (VICTOR, 2008) como: Um formato padrão universal de arquivo composto de uma combinação de comandos gráficos utilizados por equipamentos tipo fotoploter para a formação das imagens da placa de circuito impresso, é que pode ser gerado a partir de qualquer programa para projeto de PCI. Quando geramos os arquivos Gerber, cada layer do arquivo é automaticamente separado dos demais, possibilitando que seja visualizado layer a layer em qualquer tipo de editor. Através destes dados foi possível contabilizar a quantidade de componentes SMD. De posse do arquivo Gerber torna-se possível a geração do diagrama dos pads, o qual é utilizado para fabricação do stencil servindo também para conferencia dos componentes da PCI. Tanto o diagrama quanto o protótipo podem ser visualizado na Figura 12 a seguir. Figura 12- PCI da placa fonte e diagrama dos pads do stencil (a) Fonte: Autor (b)

32 31 A Figura 12 (a) ilustra o protótipo da PCI, onde todos os pontos de solda de componentes SMD foram marcados em vermelho. Esta marcação serviu para conferência de todos os pontos em relação ao stencil. A Figura 12 (b) mostra o resultado gerado pelo arquivo gerber, sendo este a marcação dos pontos do Stencil. Com isso tornou-se possível o levantamento correto dos dados da placa, apresentados na Tabela 2 a seguir. Tabela 2- Resumo dos dados construtivos da placa fonte Modelo Placa Tipo de Montagem Dimensões Externas de uma placa (C x L) (mm) Quantidade de componentes Quantidade de componentes PTH (pçs) SMD (pçs) Fonte SMD e PTH 80 x Fonte: Autor A Tabela 2 retrata de forma resumida os dados básicos para cálculo de tempo de montagem e especificações mínimas dos equipamentos de montagem. Esta será de grande valia no momento da definição de compra das máquinas, pois estes dados são irrelevantes para se tomar a melhor decisão Placa do inversor A placa do inversor é a placa que contempla os componentes de potencia do equipamento, incluindo chaves (Diodos e IGBT`s) e dissipadores de calor. Por este motivo, por serem componentes de tamanho elevado, quando comparado aos SMD`s, exige que o processo de montagem seja realizado por processo de solda onda, porém o processo de soldagem por onda não será alvo do nosso projeto, por não se configurar como um equipamento com características para componentes SMD.

33 32 Figura 13- Placa Inversor face superior, lado dos componentes PTH Fonte: Autor Devido ao fato de se tratar da placa de potencia, necessitando assim de mais área de dissipação, é a placa que apresenta a menor densidade de componentes. Este modelo tem por característica ainda ser dupla face, onde os componentes PTH estão montados na face superior da placa, mostrado na Figura 13, ficando os componentes SMD na face inferior, os quais são mostrados na Figura 14 a seguir. Figura 14- Placa inversor face inferior, lado dos componentes SMD Fonte: Autor Da mesma forma que para caso da placa Fonte, apresentada no item utilizou-se o arquivo gerber e a marcação dos pads para o levantamento da quantidade de componentes, que estão representados na Figura 15 a seguir.

34 33 Figura 15- protótipo e arquivo gerber (a) Fonte: Autor (b) Através das imagens da Figura 15 fez-se a construção da Tabela 3 com o levantamento dos dados apresentado a seguir. Tabela 3- Resumo dos dados construtivos da placa do Inversor Modelo Placa Tipo de Montagem Dimensões Externas de uma placa (C x L) (mm) Quantidade de componentes Quantidade de componentes PTH (pçs) SMD (pçs) Inversor SMD e PTH 261 x Fonte: Autor Como mencionado anteriormente, este modelo apresenta uma série de componentes que necessitam de montagem manual, por possuir o acoplamento de dissipadores de calor parafusados à placa e demais componentes como espaçadores, conectores, dentre outros. Em virtude disto, se faz necessário a criação de uma linha de retrabalho onde será realizada a referida montagem, com soldagem manual e testes de funcionamento, porém do mesmo modo que para o caso da placa fonte, vamos nos deter a análise dos componentes SMD Placa de controle Assim denominada, a p1aca de controle é o cérebro do equipamento, é ela que recebe todas as informações e que controla as respostas. Nesta placa está aplicada a eletrônica mais

35 34 fina onde são utilizados microcontroladores, optoacopladores e demais componentes SMD, sendo desta forma a placa que apresenta a maior quantidade deste tipo componente. Os componentes montados nesta placa são os que requerem maior precisão do equipamento de inserção, pois como apresentam maior quantidade de pinos o posicionamento dos mesmos se torna mais complexo, principalmente relacionado ao ângulo de inserção. Um detalhamento da placa de controle é apresentado na Figura 16 a seguir. Figura 16 Placa de controle Fonte: Autor Seguindo a mesma lógica, analisou-se o arquivo Gerber e o diagrama de pads mostrados na Figura 17 a seguir. Figura 17- Protótipo e diagrama de pads da placa de controle (a) Fonte: Autor (b)

36 35 Assim sendo, através da Figura 17 foi possível realizar o levantamento de dados da placa de controle, conforme Tabela 4 a seguir. Tabela 4 - Levantamento de dados da placa de controle Modelo Placa Tipo de Montagem Dimensões Externas de uma placa (C x L) (mm) Quantidade de componentes Quantidade de componentes PTH (pçs) SMD (pçs) Controle SMD e PTH 70 x Fonte: Autor Com a Tabela 4, conclui-se a análise dos três modelos de placas, permitindo desta forma uma visão mais ampla da quantidade de componentes envolvidos, bem como as complexidades envolvidas. 2.2 RESULTADO DA ANÁLISE DAS PLACAS Após o levantamento dos dados iniciais, tornou-se possível a construção de uma tabela que apresente de forma simplificada e objetiva o resumo dos mesmos, contemplando as três analises já realizadas, assim se construiu a Tabela 5 a seguir. Tabela 5- Levantamento de dados gerais com somatório dos três modelos Modelo Placa Tipo de Montagem Dimensões Externas de uma placa (C x L) (mm) Quantidade de componentes SMD (pçs) Quantidade de componentes PTH (pçs) Fonte SMD e PTH 80 X Inversor SMD e PTH 261 X Controle SMD e PTH 70 X TOTAL DE COMPONENTES Fonte: Autor A Tabela 5 apresenta o total de componentes SMD e PTH envolvidos no processo, sendo que somam 168 e 80 respectivamente, ou seja, este é o total de componentes que terão de ser montados para construção de uma unidade do novo modelo de máquina projetado.

37 36 Juntamente com a área comercial da empresa definiu-se o numero total de maquinas que devem ser comercializadas durante o período de um mês. Tendo este numero definido, bastou multiplicá-lo pela quantidade necessária para a produção de uma unidade do modelo, construindo-se assim a Tabela 6. Tabela 6- Calculo da necessidade produção mensal Componentes Total para uma unidade (pçs) Estimativa Inicial de vendas Mensais (pçs) Total de componentes/mês (pçs) SMD PTH Fonte: Autor A Tabela 6 retrata a quantidade total de componentes SMD que devem ser inseridos através da Pick and Place. Vale lembrar que este número de venda mensal é uma estimativa baseada na experiência da área comercial da empresa, podendo o mesmo sofrer variações positivas ou negativas, mas foi usado como referência e ponto de partida para os cálculos e análises, porém somente isso não define e não justifica a compra dos equipamentos.

38 37 3 ESTUDO SOBRE EQUIPAMENTOS PARA MONTAGEM SMT Este capítulo irá apresentar e aprofundar um pouco mais o conhecimento sobre as principais tecnologias envolvidas na montagem de componentes SMD, dando ênfase principalmente para as diferenças entre os equipamentos, valores e tecnologias envolvidas. Uma vez que já conhecemos o produto e temos em mãos números concretos sobre quantidades de componentes, seus dimensionais e demais itens, torna-se plausível e possível investigar sobre quais os equipamentos disponíveis no mercado nacional ou internacional. O primeiro passo para isso foi realizar visitas a feiras específicas do setor eletroeletrônico. Uma das feiras mais conhecidas e que está voltada para este segmento de mercado é a FIEE (Feira Internacional da Indústria Elétrica, Eletrônica, Energia e Automação), que acontece em período bianual em São Paulo. Na oportunidade foram levantadas possibilidades de fornecedores e conhecido os equipamentos. De todas as análises e estudos realizados, chegou-se a conclusão que as partes mais importantes do processo são a Insersora de componentes (Pick and Place) e a impressora (Printer). Sendo assim iniciou-se um estudo mais aprofundado sobre este tipo de equipamento. 3.1 TIPOS DE INSERSORAS DE COMPONENTES (PICK AND PLACE) Existem diversos fabricantes de máquinas de montagem de componentes eletrônicos, sendo que para (OLIVEIRA, FILHO, & COSTA, 2009) cada fabricante desenvolve diversos modelos que atendem a diferentes necessidades dos clientes. Desta forma, há máquinas que possuem apenas uma cabeça para montagem e outras que possuem múltiplas cabeças. Há também aquelas que possuem um magazine com alimentadores de componentes em formato linear e outras com formato circular. Existem também, modelos de máquinas nas quais há um dispositivo denominado de Dispositivo de Troca de Ventosas, DTV. Nestes, são encaixadas as ventosas que por sua vez serão encaixadas nas extremidades das cabeças de inserção. Estas ventosas capturam os componentes a serem montados sobre a PCI sendo que há uma ventosa específica para os diferentes componentes, função do peso e do tamanho do mesmo, pode ocorrer porém de dois componentes diferentes usarem o mesmo tipo de ventosa.

39 38 Para (BORGES, 2009), não existe um consenso quanto ao tipo de classificação das maquinas pick and place, o sabido é que existem muitos modelos, os quais podemos citar: Dupla entrega (dual delivery), multiestação (multistation), tipo torre (turrent-type), multi cabeça (multi head), e carga e inserção sequencial (sequential pick-and-place). Mesmo com todos estes modelos, para (AYOB, 2003) as insersoras apresentam quatro características básicas que, independente da classificação estão presentes em todos os equipamentos, são elas: a) Uma cabeça insersora, com uma ou mais pinças a vácuo utilizadas para carregar os componentes SMD, sendo esta cabeça fixa ou móvel. O formato e tamanho das pinças presentes na cabeça de inserção dependem do tipo de componente a ser inserido, isso faz necessário com que se tenha um mecanismo automatizado para troca das pinças, caso a máquina opere com componentes de diversos tamanhos; b) Uma mesa para fixação da PCI, podendo esta ser fixa ou móvel; c) Um ou mais grupos de alimentadores automáticos de componentes, subdivididos em Slots, sendo cada um destinado ao cada tipo de componente. Estes por sua vez também podem ser fixos ou móveis; d) O alimentador de ferramentas também é comum a todos os tipos, é nele que ficam armazenadas as diferentes pinças a vácuo, necessárias para carregar os componentes. O alimentador de ferramentas costuma ser fixo na grande maioria dos modelos de máquinas Insersora de Entrega Dupla (dual-delivery) Este modelo de equipamento possui duas cabeças de inserção, permitindo que ambas trabalhem de forma independente, ou seja, enquanto uma está colocando os componentes sobre a PCI, a outra cabeça está fazendo a retirada do componente nos alimentadores. Cada cabeça de alimentação possui um conjunto específico de alimentadores. Como as cabeças possuem somente movimentação no eixo Y, a mesa possui liberdade de movimentos em X e Y. Para que ocorra a pega dos componentes, estes se movimentam através do eixo X.

40 Insersora Multiestação (multistation) O modelo de insersora multiestação possui uma sequencia de duas ou mais cabeças de inserção, as quais estão dispostas de forma seriada e os cabeçotes trabalham de forma paralela. Esta configuração tem o mesmo efeito da instalação de mais de uma máquina em linha, pois cada cabeça faz uma parte da montagem de uma PCI. Todo o trabalho deve ser feito de forma sincronizada, pois a finalização da montagem se dá quando a ultima cabeça de inserção coloca o ultimo componente Insersora tipo Torre (turrent type) As insersoras com esta tecnologia apresentam uma cabeça de inserção em formato arredondado, muito parecido com um carrossel, onde ficam dispostas as pinças de inserção. Esta cabeça de inserção recebe o nome de torre e o único movimento que lhe é permitido é o giro, tendo a posição de pega do componente e posição de inserção fixas, sendo assim ocorre a movimentação dos componentes através do eixo X e ainda o movimento em X e Y da PCI Insersora Multi cabeça (Multi-head) Os modelos Multi-head são os mais versáteis do mercado, pois permitem uma maior movimentação do cabeçote de inserção, sendo possíveis movimentos nos eixos X e Y. Apesar de ser chamada de Multi-head, na maioria das configurações ela apresenta somente um cabeçote de inserção, mas este pode contar com duas ou mais pinças a vácuo, permitindo uma maior agilidade na montagem e diminuindo substancialmente os movimentos do equipamento. Na Figura 18 (a) é apresentado um modelo de Insersora de componentes na configuração Muti-head com uma cabeça de inserção. Na Figura 18 (b) é mostrado com detalhe o cabeçote do equipamento que neste caso apresenta quatro pinças de alimentação de componentes.

41 40 Figura 18- Modelo de Insersora Multi-head da fabricante Mirae (a) (b) Disponível em: < Acesso em 08 nov Algumas marcas dispõem de configurações Mutli-head em cabeçotes com até nove pinças de alimentação e outros ainda apresentam dois cabeçotes onde os mesmos possam trabalhar de forma independente, ou seja, podem-se montar dois modelos de placas ao mesmo tempo. A configuração Multi-Head mostrada na Figura 18 apresenta equipamentos que iniciam com valores que partem de CPH (componentes por hora) chegando até configurações de CPH. Todo este leque de opções faz das insersoras deste modelo as mais procuradas do mercado. 3.2 MÁQUINAS IMPRESSORAS (PRINTER) Não tão importante quanto a Pick and Place, mas ainda assim com uma grande influência sobre a qualidade final do produto, as impressoras tem a finalidade de aplicar a pasta de solda ou a cola sobre a PCI. Existem três configurações de impressoras, impressora manual, semiautomática e automática, mas em ambos os casos para que seja possível a aplicação dos insumos é necessária a utilização do estêncil (stencil). O stencil é uma folha metálica perfurada, construída em latão ou inox disposta dentro de um quadro metálico, onde os furos são feitos exatamente onde estão localizados os pads dos componentes SMD. É através destes furos que a pasta de solda irá ser transferida para a

42 41 superfície da PCI. Para que ocorra a transferência da pasta, a printer conta com um rodo que faz pressão sobre a mesma fazendo com que escoe pelos furos do stencil. Na Figura 19 é mostrado um esquemático do processo de impressão. Figura 19- Esquemático do processo de aplicação da cola ou pasta de solda na PCI Disponível em: < Acesso em 08 nov Como pode ser visualizado na Figura 19 o rodo é o responsável por levar a pasta de solda até as aberturas no stencil, as quais necessitam coincidir exatamente com os pads. A qualidade da impressora e do stencil neste caso são muito importantes, a impressora por ter que manter uma pressão constante durante o processo, e o stencil pela precisão que necessita ter e não apresentar desgastes prematuros. Uma visão de um modelo de stencil pode ser visualizado na Figura 20. Figura 20- Modelo de stencil para aplicação de pasta ou cola Disponível em: < Acesso em 08 nov. 2014