Problemas de ensamble de tarjetas de circuitos impresos

Las compañías de manufactura de equipos electrónicos pretenden lograr volúmenes de producción muy altos en el menor tiempo posible. Por esta razón es que invierten una gran cantidad de recursos con el fin de que sus procesos sean automáticos, mediante la integración de sistemas electrónicos en sus plantas de manufactura, lo que involucra tener técnicas eficientes para facilitar el control de la producción. 

Hoy en día, la manufactura de tarjetas de circuitos impresos (PCB por sus siglas en inglés) basa sus tareas en el uso de máquinas de manufactura. Estas máquinas se programan de acuerdo a las características de las PCB que se están ensamblando al momento.

La tarea de manufactura de PCB requiere que los componentes que se montarán en ellas se tomen en sus respectivas ubicaciones de sujeción y se coloquen en sus sitios correspondientes en las PCB. Para lograr los objetivos de producción, las máquinas necesitan ser configuradas y/o programadas eficientemente con el fin de, por ejemplo, reducir el consumo de energía o minimizar el tiempo de ensamble. Esto último da lugar a que surjan algunos problemas de optimización combinatoria que se tienen que resolver y a los cuales se tiene que dar solución.

Si a la diversidad del tipo de máquinas se suma que éstas pueden ensamblar uno o varios tipos de PCB a la vez, resulta en que la dificultad varía para la solución de los problemas relacionados con este proceso.

Los problemas de ensamble de PCB varían desde decidir la secuencia de colocación de componentes, hasta problemas de cómo poner en operación la planta entera para una producción eficiente. Debido a la gran variedad de problemas de planeación y control, la descomposición jerárquica es un enfoque extensamente utilizado para resolver estos problemas. Los problemas se relacionan unos con otros, de tal forma que para resolver los problemas más complejos se requieren las soluciones de los menos complejos1.

El incremento en el número de componentes a ser colocados en una sola tarjeta ha hecho que la reducción del tiempo de ensamble sea probablemente el objetivo más importante para reducir los costos de producción y aumentar la productividad2. En la actualidad existe una gran diversidad de máquinas de manufactura que permiten lograr este objetivo. Aun cuando se tratan de diferentes tipos de máquinas, el proceso de manufactura en ellas es similar. 

La funcionalidad de una máquina tipo pick and place es la siguiente. Una PCB se transporta dentro de la máquina sobre una banda y está fija en una posición predeterminada para su manufactura. Existen uno o dos anaqueles alimentadores que están localizados a los lados de la banda transportadora y cada uno tiene cierto número de ranuras disponibles. Los carretes contienen los componentes que van a ser montados en la PCB y cada uno de ellos contiene sólo un tipo de componente. Cada ranura puede alojar un carrete, mientras que un carrete puede ocupar una o más ranuras.

La máquina cuenta con un brazo mecánico, que puede tener una o varias cabezas. Las cabezas levantan los componentes de los anaqueles alimentadores y los colocan en la tarjeta. Cada cabeza puede sujetar un componente a la vez. Estas cabezas son independientes para sujetar, levantar, girar y colocar. A las cabezas se les colocan unas herramientas de sujeción que sostienen un componente hasta que se coloca en la tarjeta. Cada tipo de componente puede ser sujetado por un subconjunto de estas herramientas, es decir, una cabeza con una herramienta dada sólo puede sujetar componentes de un conjunto limitado de tipos de componentes. Las herramientas se cambian automáticamente en el cambiador automático de herramientas cuando éstas no pueden sujetar al componente requerido.

El proceso de ensamble se puede dividir en dos fases. En la primera, el brazo se mueve hacia el anaquel alimentador y las cabezas sujetan secuencialmente los componentes a ser montados. En la segunda, el brazo se mueve hacia la PCB y las cabezas colocan secuencialmente los componentes en sus respectivas ubicaciones. En caso de que se requiera hacer un cambio de herramienta, se hace antes de la fase inicial.

Los problemas de manufactura de PCB se pueden clasificar, de acuerdo al número de tipos de tarjetas que se van a manufacturar y al número de máquinas de manufactura que se utilizarán para ello, en los siguientes tipos1:
  • Un tipo de PCB y una máquina (problema 1-1). Esta clase comprende problemas de optimización en una sola máquina, que involucran la ubicación de los componentes dentro del anaquel alimentador y la secuencia de colocación de los mismos.
  • Un tipo de PCB y varias máquinas (problema 1-V). Esta clase se concentra en la asignación de componentes a máquinas secuenciales de manufactura, donde el objetivo es equilibrar la carga de trabajo en las máquinas.
  • Varios tipos de PCB y una máquina (problema V-1). En esta clase de problemas se determina la estrategia de arreglo del anaquel alimentador (estrategia de colocación de carretes en las ranuras) para una sola máquina, esto con el fin de minimizar el número de cambios a realizar en el anaquel alimentador.
  • Varios tipos de PCB y varias máquinas (problema V-V). Ésta es una clase de problemas de calendarización que principalmente se concentra en la asignación de tareas a líneas de producción y la secuencia de las líneas de producción.

1 M. Johnsson y J. Smed. Observations on PCB assembly optimization. Electronic Packaging and Production, 41(5):38-42, 2001.
2 E. K. Burke, P. I. Cowling y R. Keuthen. New models and heuristics for component placement in printed circuit board assembly. En 1999 IEEE International Conference on Information, Intelligence and Systems, pp. 133-139. IEEE Press, 1999.