La fabricación rentable de marcos de plomo: una comparación técnica

Las placas de conexión se utilizan en casi todos los encapsulados de semiconductores. La mayoría de los tipos de encapsulado de circuitos integrados se fabrican colocando el chip de silicio sobre una placa de conexión, uniendo luego el chip mediante soldadura por hilo a los conductores metálicos de dicha placa y, por último, recubriendo el chip con plástico. Este encapsulado sencillo y, por lo general, de bajo coste sigue siendo la mejor solución para muchas aplicaciones.

Por lo general, las placas de conexión se fabrican en forma de tiras largas, lo que permite procesarlas rápidamente en máquinas de montaje; para ello, se suelen emplear dos procesos de fabricación: el grabado químico (que a menudo se considera el más adecuado para la producción de volúmenes bajos a medios) y el estampado (que suele asociarse a series de producción de gran volumen).

En el diseño de marcos de contactos, no siempre existe una solución única válida para todos los casos, y con frecuencia se solicitan especificaciones y características personalizadas, diseños que mejoren las propiedades eléctricas y térmicas, y requisitos específicos en cuanto a tiempos de ciclo. Precision Micro cuenta con una amplia experiencia en la fabricación de marcos de contactos para una gran variedad de clientes mediante grabado químico, y este artículo detalla la naturaleza del trabajo de la empresa en este campo.

Diferentes tecnologías para la fabricación de marcos de contactos

Grabado químico

El grabado químico es uno de los métodos más populares y utilizados para la fabricación de marcos de plomo. Aunque quizá se perciba como un proceso con un alto coste unitario, el coste de las herramientas es muy bajo y resulta extremadamente rápido.

Las placas de plomo grabadas se fabrican en láminas planas, normalmente de cobre o de aleaciones de hierro y níquel (como la aleación 42), que presentan un coeficiente de dilatación muy bajo a temperatura ambiente.

Estas aleaciones de baja dilatación térmica se utilizan en aplicaciones modernas que requieren la unión de un metal con vidrio o cerámica, así como en ámbitos en los que es necesario que los materiales a unir tengan los mismos coeficientes de dilatación térmica, con el fin de evitar los problemas asociados a la zona de unión.

Ambas caras de las láminas de aleación planas se limpian y, a continuación, se recubren con fotorresina. A continuación, la fotorresina se expone al patrón requerido para el marco de conductores con ayuda de una fuente de luz ultravioleta y una película de patrón de precisión. La fotorresina se revela en las zonas que deben ser grabadas, mientras que la fotorresina restante protege las partes durante el proceso de grabado.

Por último, se retira la capa protectora de fotorresina de los marcos de contactos terminados, antes de que los paneles grabados se separen en tiras o se suministren en láminas para facilitar su manipulación, según los requisitos del cliente. Las tiras cortadas se limpian y se recubren, normalmente con plata en los contactos internos para facilitar la unión de los hilos. Las tiras recubiertas quedan entonces listas para la inspección final.

Estampado

El estampado es un proceso automatizado y de alta velocidad adecuado para grandes volúmenes de producción, lo que hace que los elevados costes iniciales de utillaje resulten aceptables. La chapa metálica —normalmente en rollos— se perfora a lo largo de ambos bordes para crear orificios de indexación que permiten posicionar la chapa durante el procesamiento posterior. Estos orificios de posicionamiento se utilizan para hacer avanzar la banda de chapa metálica a través de la máquina de estampado. También se requieren juegos de matrices y punzones específicos para la geometría del marco de conductores.

El proceso se lleva a cabo normalmente mediante una serie de operaciones de estampado que se van acercando progresivamente a la geometría final del marco de conexiones, dependiendo el número de pasos exclusivamente de la complejidad de dicha geometría.

¿Cuál es el método más adecuado para ti?

El volumen de producción de los marcos de conductores es un factor clave a la hora de elegir el proceso de fabricación; en términos generales, el estampado resulta más económico para volúmenes de producción muy elevados, mientras que el grabado químico es más adecuado para series de producción de escala baja a media.

Esto se debe casi exclusivamente a los respectivos costes de utillaje.

Las herramientas para el grabado químico son digitales, por lo que no es necesario empezar a cortar moldes de acero, que son caros y difíciles de adaptar. Esto significa que se pueden reproducir grandes cantidades de marcos de plomo sin ningún tipo de desgaste de las herramientas, lo que garantiza que la primera pieza y la número 500 000 sean exactamente iguales.

Además, dado que el utillaje es «virtual», puede adaptarse y modificarse con gran rapidez y a un coste muy reducido, lo que lo hace ideal tanto para series de prototipos como para series de producción a gran escala. Esto permite optimizar el diseño sin penalizaciones económicas y contribuye a garantizar una estrategia de entrada al mercado de bajo riesgo, además de facilitar la actualización de los productos. El tiempo de entrega con las herramientas fotográficas es aproximadamente un 90 % menor que el de los marcos estampados. El estampado requiere una inversión considerable en la fabricación de moldes, lo que no solo es costoso, sino que, en algunos casos, puede tardar entre seis y diez meses en completarse, en comparación con las pocas horas que requiere el grabado.

Pero, más allá de las diferencias en cuanto a tiempo y costes de fabricación de plantillas entre ambos procesos, hay otros aspectos inherentes al proceso de grabado químico que obligan a todos los fabricantes de marcos de conexión —ya sean de series de bajo, medio o gran volumen— a prestar especial atención.

Los marcos de contactos suelen ser extremadamente complejos y también muy frágiles. De hecho, en muchos casos, la complejidad geométrica y la necesidad de tolerancias y precisión extremadamente exigentes hacen que el grabado químico no sea solo un proceso de fabricación potencialmente deseable, sino que, de hecho, sea la única tecnología capaz de fabricar determinados marcos de contactos.

Analicemos más detenidamente el dilema de la complejidad

En el estampado de marcos de conductores, la complejidad aumenta los costes, ya sea en aplicaciones de bajo, medio o alto volumen. La complejidad del marco de conductores implica la necesidad de un molde complejo, y un utillaje complejo conlleva un aumento de los costes, un mayor riesgo de fallo del utillaje y plazos de entrega más largos para obtener un resultado satisfactorio.

En el grabado químico, la complejidad de la geometría de la pieza no influye en los costes ni en los plazos de entrega, ya que la imagen del componente se imprime directamente sobre la chapa metálica en un único proceso.

Además, el grabado químico permite fabricar marcos de conexión con tolerancias más estrictas y detalles más precisos que los que se consiguen mediante estampado, y todo ello con una degradación y deformación mínimas —o nulas— del metal procesado, así como con una probabilidad mínima o nula de que se produzcan rebabas o defectos. Las tasas de fallo son mínimas y, a diferencia del proceso de estampado, todos los marcos de conexión fabricados son absolutamente planos.

Sin embargo, es evidente que el estampado también tiene su lugar. Mientras que el punto fuerte del grabado químico reside en la fabricación de marcos de plomo complejos en tiradas de producción pequeñas o medianas, en tiradas de volumen extremadamente alto —en las que el gasto en utillaje resulta justificable— y en las que los diseños no son excesivamente complejos, el estampado suele ser un proceso más económico.

En esencia, el proceso de estampado es sencillo. Consiste en fabricar una estructura de conductores presionando un sustrato contra un molde y dándole una forma determinada, al tiempo que se va transfiriendo el sustrato de forma secuencial mediante un dispositivo de moldeo por transferencia secuencial. El grabado químico es un proceso mucho más complejo, de ahí su capacidad para aplicarse a geometrías complejas y alcanzar niveles de precisión muy exigentes. El mayor número de variables en el proceso puede aumentar el posible margen de error, pero esto puede mitigarse si se colabora con una empresa experta en el proceso de grabado químico, como Precision Micro.

Además, el grabado químico no se puede aplicar sobre tiras prechapadas. En estos casos, el estampado suele ser la opción más adecuada, ya que el grabado químico a través del recubrimiento puede provocar diferencias en el grabado e imprecisiones. Para poder utilizar el grabado con tiras chapadas, el proceso tendría que grabar primero y luego chapar después del grabado, lo que convierte un proceso de un solo paso en uno de dos pasos y, por lo tanto, aumenta los costes. Sin embargo, hay casos en los que el volumen de producción o la complejidad del marco de conductores hacen que incluso este proceso de dos pasos («grabar y chapar») resulte deseable.

El estampado también da forma a las patillas del marco de conexión al mismo tiempo que las piezas se recortan de la banda; de nuevo, al tratarse de un proceso de grabado químico, se trata de un proceso en dos fases que puede repercutir en la rentabilidad.

Fabricación de microcomponentes de precisión y marcos de conexión

Hasta ahora, este artículo ha analizado las consideraciones generales a la hora de elegir entre el estampado y el grabado químico en la fabricación de marcos de plomo. Sin embargo, hay otra variable que hay que tener en cuenta, y es la experiencia y los conocimientos técnicos del socio fabricante que elijas.

Tomemos, por ejemplo, el riesgo de un mayor margen de error debido al número de variables que intervienen en el proceso de grabado químico. Precision Micro, empresa europea líder especializada en grabado químico, cuenta con un método sólido y reproducible para la fabricación de marcos de conductores, fruto de años de experiencia en este ámbito, algo que otros proveedores de servicios de grabado químico no siempre pueden igualar. En gran medida, esta experiencia, que se remonta a más de cinco décadas, mitiga aquellos aspectos en los que, por lo general, se considera que el grabado químico tiene puntos débiles. La empresa ha realizado importantes inversiones en el control de procesos para reducir la variación, así como en la inspección óptica para lograr tasas de fallo de cero partes por millón.

Precision Micro cuenta con una experiencia sin igual en la fabricación de marcos de contactos a medida, en colaboración con algunas de las principales empresas de encapsulado de semiconductores del mundo. Los procesos de fabricación de la empresa, caracterizados por sus estrictas tolerancias, son adecuados para numerosas aplicaciones de marcos de contactos, pero resultan especialmente idóneos para la fabricación de marcos de contactos con un elevado número de contactos y un paso ultrafino.

Conclusión

En términos muy generales, es correcto afirmar que el estampado es más adecuado para la fabricación a gran escala de marcos de conexión sencillos, mientras que el grabado fotoquímico es más adecuado para la fabricación a escala pequeña o mediana de marcos de conexión complejos.

Sin embargo, Precision Micro está en constante evolución y desarrollo del proceso de grabado fotoquímico, por lo que su aplicabilidad a una amplia gama de usos crece día a día. La empresa es capaz de cuestionar los prejuicios del sector sobre el uso del grabado fotoquímico, y el ámbito de la fabricación de marcos de contactos es un ejemplo perfecto de ello.

Dadas las ventajas inherentes al proceso —su capacidad para fabricar piezas extremadamente complejas con tolerancias muy estrictas, así como la fácil adaptabilidad y la rentabilidad de las herramientas asociadas—, la experiencia de Precision Micro abre cada vez más posibilidades para los fabricantes de marcos de conexión.

Incluso la premisa de que el estampado es el único proceso rentable para la fabricación de marcos de plomo a gran escala está siendo cuestionada, ya que Precision Micro trabaja sin descanso en la automatización de los procesos.