INVESTIGACIÓN DE PROBLEMAS DE CALIDAD DE SOLDADURA EN COMPONENTE HDMI EN PLACA MADRE DE LAPTOP

Antonio da Silva Vieira1Robson Marques Costa1, Jandecy Cabral Leite2, Carlos Alberto de Oliveira Freitas3, Roberto Tetsuo Fujiyama1

1Programa de Pós Graduação em Engenharia Industrial-PPGEI/Universidade Federal do Pará - UFPA. Rua Augusto Correa 01 Guamá. Belém – Pará - Brasil.

2Instituto de Tecnologia e Educação Galileo da Amazônia - ITEGAM Praça Francisco Pereira da Silva, 149, Bola da Suframa – Distrito Industrial. Manaus – Amazonas – Brasil.

3Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica -PPGEE/Universidade Federal do Pará –UFPA. Rua Augusto Correa 01 Guamá. Belém – Pará - Brasil.

E-mail:1adasilvavieira@gmail.com,1robson_m_costa@hotmail.com,2jandecy.cabral@itegam.org.br, 3caofreitas@yahoo.com.br, 1fujiyama@ufpa.br

Resumen

Derivado de estudios realizados sobre las mejoras en los procesos de fabricación de productos de informática, en el investigación se presentan los resultados de un estudio de caso de naturaleza cualitativa y cuantitativa del proceso de soldadura de la placa madre de las laptop en una empresa del Polo Industrial de Manaus (PIM), en relación con los problemas de baja soldabilidad del componente Conector Higth Definition Media Interface (HDMI). Se aplicó la metodología del Plan, Do, Check y Acción (PDCA). Se demostró por medio del análisis metalográfico de corte transversal la calidad de la soldadura en cuanto a la soldadura de relleno en los terminales del componente por la tecnología de proceso de soldadura por reflujo (Tecnología SMT), lo cual cumple con los estándares internacionales (IPC), garantizando así la fiabilidad del producto. Los resultados obtenidos después de la aplicación de la investigación del proceso de soldadura de un dispositivo, en particular, en un ordenador portátil demostró seis meses después, que la tasa de defectos que era de 0,6059% bajo a 0,0271%, representando una mejora significativa, alcanzándose un 95% del indicador de calidad.

Palabras – clave: Soldadura por Reflujo, Laptop, Componente HDMI, PDCA y Corte Transversal Section.

Abstract

Derived from larger studies on improvements in the manufacturing process of products electrodes electronics and computer goods, this paper presents results through a case study of qualitative and quantitative nature conducted in a process of welding plates of Mother Board laptop of a company of the Industrial Pole of Manaus (PIM), related to a problem of due to poor solderability of component Connector Higth Definition Media Interface (HDMI).Applied the methodology of Plan, Do, Check and Action (PDCA). It has been shown by metallographic cross section to test the quality of welding as for meeting the welding in the componente HDMI terminals by reflow soldering process (SMT Technology), meets the standard International of Association Connecting Electronics Industries (IPC), thus ensuring the reliability of the product. The results obtained after application of research in the process of welding a particular device's laptop company during the period of six months it was revealed that the rate of defect, which was 0.6059% passed to 0.0271%, thus representing a significant 95% improvement of the quality indicator.

Key words: Welding Process, Laptop, HDMI component, PDCA and Cross Section.

1. INTRODUÇÃO

Las transformaciones recurrentes en los procesos de fabricación de productos electrónicos en los últimos años se han mostrado cada vez más dinámicas, tornando imprescindible el perfeccionamiento continuo por parte de las industrias las cuales adoptan diferentes metodologías, enfoques y herramientas para la implementación de una gestión de calidad, así como programas de mejora continua, buscando una oferta de productos con tecnología avanzada y de última generación, su vinculación con el aumento de la productividad, altos estándares de calidad, una mayor satisfacción del cliente y rentabilidad [1].

La mayoría de las herramientas, enfoques y técnicas que se utilizan en estos procesos ya son utilizadas por grandes empresas en todo el mundo por ser de fácil comprensión, pudiendo estas ser aplicadas en diversas organizaciones; es el caso del método e fácilmente, se pueden aplicar a cualquier número de organizaciones; en el caso del método - Plan, Do, Check, Act (PDCA), o el círculo de Deming [2]. El objetivo es mejorar la calidad de los procesos de fabricación, y en especial las actividades que satisfagan las necesidades de la organización, siendo este un esfuerzo continuo y permanente para lograr mejoras cuantificables en la eficiencia, eficacia, desempeño, responsabilidad, resultados y otros indicadores de calidad [3].

Para el proceso de fabricación de los dispositivos electrónicos, específicamente el montaje de placas de circuito impreso (PCI), se utiliza la Tecnología de Montaje Superficial (SMT), cuyo proceso se define básicamente en las siguientes etapas: aplicación de pasta de soldadura o pegamento al PCI, montaje de los componentes y soldadura por reflujo (reflow) [4]. La soldadura por reflujo es la unión de la pasta de soldadura con los componentes llamados Dispositivos Montados en Superficie (SMD), siendo fundidos en el horno de reflujo sin la adición de cualquier material de soldadura adicional.

Al investigar el proceso de fabricación de un producto Laptop en una empresa del Polo Industrial de Manaus (PIM), se constató que el mismo presentaba una problemática en la soldadura del Conector HDMI, ocasionando índices de defectos fuera de los patrones de aceptabilidad de la empresa. Siendo tal ítem tecnológico, ampliamente demandando en el mercado nacional e internacional, no debiendo el mismo, presentar anormalidad que por ventura acarree insatisfacción por parte del consumidor final. Se considera que un producto o servicio de calidad es aquel que atiende de forma confiable, accesible, segura y en el plazo, las necesidades del cliente. La investigación se realizó a través de un estudio de caso, cuyo objetivo fue analizar el proceso de fabricación de la laptop,

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Tecnología de Montaje SMT

Existen dos tecnologías que son utilizadas para el montaje automático de componentes SMD. La primera es el proceso de montaje usando cola (material a base de resina de epoxi) para asegurar los componentes en la PCI. En esta tecnología, la placa pasa por un horno de re fusión para curarla cola antes de seguir para la máquina de soldadura por onda (wave solder). La otra tecnología es el montaje utilizando la pasta de soldadura Tin lead o Lead free . En este proceso, los componentes son soldados por el derretimiento de la soldadura en el horno de reflujo.

La máquina aplicador de la pasta de soldadura está localizada al inicio de la línea de producción SMT y, tiene la función de transferir la pasta de soldadura para la PCI através de una tela. Después de la deposición de la pasta de soldadura, la PCI es transportada para la próxima etapa que es el montaje de los componentes através de las máquinas pick-and-place, en que los componentes son colectados y montados en una única operación.

Una vez que todas las piezas fueron montadas, la PCI está lista para la tercera etapa que es la soldadura de los componentes por medio del horno de reflujo (reflow). La soldadura de la PCI es más común utilizando um horno de reflujo [6]. El horno de reflujo tiene la función de calentar las placas a una temperatura apropiada por un período de tempo y tasa de calentamiento adecuada através de zonas de calentamiento (superior e inferior) y zonas de enfriamiento controlable y de forma independiente. Estas zonas de calentamiento transfieren calor para la placa por el sistema de convección forzada [7-8]. El flujo de las de los tecnologías es mostrado en la figura 1

Figura 1: Flujo de la Tecnología de Montaje en Superficie (SMT)

2.2 Proceso de Soldadura por Reflujo

El Proceso de soldadura por reflujo consiste en calentar los componentes de la PCI y la pasta de soldadura que fue depositada al inicio del proceso de montaje de modo de formar una junta de soldadura por medio del derretimiento de la pasta de soldadura [9]. El proceso de soldadura por reflujo está distribuido en cuatro etapas: o pre-calentamiento de las zonas de activación, calentamiento de las zonas, y zona de enfriamiento. Las ventajas de usar la convección forzada son: bajo precio, bajo costo de producción, todas las zonas de calor son uniformes. La transferencia controlada de calor elimina la posibilidad de dañar los componentes de la placa, ya que el pre-calentamiento ofrece una reflujo inadecuada [10]. Por tanto, el ajuste de la tasa de enfriamiento de las juntas soldadas debe ser suficientemente elevado para minimizar la formación de compuestos intermetálicos que debilitan as juntas soldadas [7].

Para distribuir las temperaturas de forma homogénea, de modo de asegurar una buena formación de las juntas de soldadura entre el isla de soldadura de la placa y el componente durante la soldadura. Es generado un perfil térmico para definir los parámetros de temperatura y control de los efectos del calentamiento de la PCI através de un gráfico tiempo-temperatura [11]. Portanto, el principal objetivo del perfil térmico es asegurar un proceso de soldadura con confiabilidad.

El proceso de soldadura de la PCI se inicia con el pre-calentamiento (pre-heater) de las zonas de temperatura. Después de un pase de la placa por la activación del flujo, la temperatura alcanza el punto de fusión de la aleación de la soldadura. La temperatura ideal de pico, que es el período en que la soldadura permanece en estado líquido, y la tasa de enfriamiento son factores que afectan la formación de una junta de soldadura de calidad. La tasa de enfriamiento de la soldadura es de suma importancia, pues, cuanto más rápida es la tasa, menor es el tamaño del grano de la soldadura y mayor es la resistencia a la fatiga [12-13].La figura 3 muestra un perfil térmico de reflujo por convección.

Figura 3. Perfil de temperatura para el Reflujo por Convección

Un cambio en los parámetros del perfil térmico ocurre por factores relacionados con las modificaciones al proyecto original de la PCI, con la incompatibilidad de temperatura en los componentes, o cuando el producto presenta defectos de soldabilidad después del pase de la placa por el horno de reflujo [14].

La soldadura lead free pose e características de temperaturas diferentes de la aleación de soldadura Tin lead. La principal diferencia entre las dos tecnologías consiste en el hecho de que para alcanzar el punto de fusión de la soldadura lead free son utilizadas temperaturas más elevadas en relación con la soldadura tin lead y por períodos más largos.

2.3 Ciclo PDCA

El PDCA es un método gerencial que busca la mejoría continua com basado en cuatro fases. Es uno de los métodos más usuales de análisis y solución de problemas debido al control de calidad de la organización, tornando las informaciones más confiables y de fácil comprensión, actúa en la mejoría de los procesos y en el control de error es lógicos en los análisis [15-16]. O diagrama en cuestión permite que las personas de la organización puedan aprender a distinguir los fines de los medios. Con el fin de promover una mejor comprensión de la estructura del diagrama, se propone la utilización de las"6 M Rs": Método, Mano-de-obra, Material, Medio Ambiente, Medida y Máquina [15].

El 5W2H es una herramienta para la organización de las informaciones en un plano de acción, Planeamiento y presentación de resultados. Tal herramienta considera que todas las tareas deben ser bien ejecutadas y seleccionadas de forma segura y objetiva, y que su implantación ocurra de forma organizada. Se deben responder las siguientes preguntas: What, Who, When, Where, Why, How, How much[17].

2.4 Norma IPC

La Association Connecting Electronics Industries (IPC) es una norma de la asociación comercial/global dedicada a la excelencia competitiva de sus empresas afiliadas al rededor del mundo. La IPC sirve a la industria de electro-electrónicos girada específicamente para los fabricantes relacionados de alguna forma al proceso de montaje de la PCI. Tal norma es reconocida como una organización de desarrollo de patrones. Esta norma está adoptada internacionalmente en la industria electrónica para definir criterios de aceptación. Para la investigación en cuestión fue adoptada la IPC-A-610D [18].

3. MATERIALES, MÉTODOS Y APLICACIÓN

3.1 Métodos – Aplicación del PDCA

En una planta de proceso, los resultados reales de una acción son en comparación con una meta o un ponto del proceso a ser resuelto. La diferencia entre lo planeado y lo ejecutados on entonces medidas correctivas a ser adoptadas y para verificar la gran disparidad existente. La naturaleza repetida o de kaizen sigue esta definición usual de control y es representado por el PDCA. Otra variación es la de Plan, Do, Study y Action (PDSA) [19-20], conforme se muestra en la figura 4.

Figura 4. Ciclo PDCA

3.2.1 Planeamiento

La Fase de planeamiento (PLAN) del ciclo PDCA, conforme se muestra en la figura 4 definió claramente la problemática, mediante una colecta de datos realizada in loco, en que se verificó la existencia de un índice de defectos fuera de los patrones de calidad de la empresa en el proceso de fabricación de la PCI MB de Laptop, en la fase de soldadura del Conector HDMI [17].

Observación y Análisis del problema- Mediante la realización de un Brainstorming entre los técnicos de procesos de la SMT y los técnicos de montaje manual, fue elaborado un diagrama de causa y efecto (Ishikawa), en que se analizaron las posibles causas del problema. Las causas presentadas en este diagrama fueron evaluadas y se identificaron aquellas que posibilitarían la mejora del proceso.

Elaboración del Plano de Acción -A partir de la definición de las causas probables del problema, así como de las posibles soluciones, fue elaborado el Plan de Acción através de la herramienta 5W2H para la implantación de la mejoría de la calidad en el proceso de fabricación de las PCI MB del modelo Laptop.

Acción/Ejecución- La fase DO fue realizada con la ejecución del Plan de Acción en la práctica, buscando alcanzar los mejores resultados posibles en conformidad con la norma - IPCA-610D [19]. El ciclo PDCA aparece en detalle en la referencia[20].En la fase de entrenamiento de la implantación DO, es posible incluir un ciclo de PDCA hasta que las cuestiones de implantación se an resueltas[17].

Verificación: en la Fase CHECK, se realizó la comparación entre los resultados obtenidos y los resultados anteriores mediante indicadores de los procesos establecidos [16-17].

Estandarización: en la Fase ACTION, se acompaña la estandarización através del Informe de Defecto, siendo monitoreado diariamente. Todas las veces que el proceso no alcanza las metas establecidas, son tomadas medidas correctivas [16-17].

4. ANÁLISIS, DISCUSIONES Y RESULTADOS

El soldadura del Conector HDMI son hechos manualmente por operadores de soldadura en la línea de montaje. La figura 5 muestra el conector HDMI soldado en la PCI MB de la Laptop y la figura 6 muestra los equipamientos utilizados para la realización del proceso.

Figura 5: a) PCI laptop; b) Conector HDMI

Figura 6: a) Dispositivo de Soldadura del Conector; b) Estación de soldadura.

Identificación del Problema: Indicadores del Proceso.Mediante los indicadores de calidad interno de la empresa se constató en el proceso de soldadura del

conector HDMI, un índice de defecto medio de 0, 6059%, lo que acarreaba costos internos y baja confiabilidad en el proceso del producto. El índice de aceptabilidad de defecto para la empresa es de 2. De acuerdo a los informes internos de calidad de la empresa, em el período de 01 de mayo a 01 de Octubre de 2013, Portanto, durante de seis meses, el total de producción de este modelo alcanzó la cantidad de 18.813 placas MB, de estas 114 presentaron fallas en el Conector HDMI durante las pruebas de funcionamiento.

En base a estos indicadores fue elaborado un levantamiento de costos que inciden sobre o proceso de re-trabajo del conector HDMI en lo que refiere específicamente a la mano de obra: El Costo/Hora del Técnico de reparación es de USD 10,73; la media de reparación diaria es de 18 PCI MB en 8,8 horas (0,4888 Hora/PCI); representando un costo total con mano de obra de USD 597,40/mes, y de USD 5.24/PCI. El índice de defecto, cantidad de operadores utilizados y costo con la mano de obra directa en el montaje del componente HDMI, son presentados en las tablas 1 y 2.

Observación y Análisis del Problema. ue constatado un alto índice de defecto funcional del equipo denominado “sin vídeo en el monitor HDMI”. En la evaluación da calidad de la soldabilidad del Conector HDMI mediante la test metalográfico de Corte Transversal, fue posible detectar insuficiencia de soldadura en el llenado de los terminales del conector, como muestra a figura7:

Figura7: Corte transversal del conector HDMI. Presentación Terminal de soldadura insuficiente

En esta condición,la soldabilidad manual del conector HDMI, tecnicamente no está adecuada para este produto. Conforme a la Norma Internacional IPC-A-610D, debe ser alcanzado un llenado del agujero de por lo menos el 75%, como muestra la figura 8.

Figura 8: Criterio de Aceptabilidad. Fuente: IPC-A-610D.

Fue elaborado un Diagrama de Causa - Efecto (Ishikawa) para analizar las posibles causas del problema y fue identificado que las causas señaladas en la guía Método son la causa raíz de la problemática. Las demás causas presentadas en el diagrama de causa-efecto fueron evaluadas y se concluyó que no estaban ocurriendo, es decir, estaban de acuerdo con el proceso de soldadura como se muestra en la figura 9.

Elaboración del Plan de Acción: Mejoría del proceso de Fabricación A partir de la identificación de la causa apuntada en la guía Método del Diagrama de Causa y Efecto fue elaborado el plano de acción a través de la herramienta de calidad 5W2H para la implantación de la mejoría en el proceso de fabricación, de acuerdo a lo presentado en la tabla 1.

Tabla1. Herramienta 5W2H

Qué Hacer(What)

Porqué Hacer(Why)

Cómo Hacer(How)

Cuando Hacer

(When)

Dónde Hacer

(Where)

Quién va a Hacer(Who)

Cuánto Cuesta Hacer

(How Much)Inversión de las fases de montaje SMT de la placa MB

Viabilizar la soldadura del Conector

Modificar el programa de la máquina SMT.

A partir de Octubre de 2013

En la fase SMT del proceso de fabricación da Placa

Antonio, Carlos, Robson e Equipe de programación

Cero, considerándose que se utilizó mano de obra interna.Confección de

dispositivos específicos para atender la nueva fase de montaje SMT.

Viabilizar a Inversión de las Fases de montaje SMT.

Desarrollar dispositivos junto al abastecedor externo especializado.

A partir de Septiembre de 2013

En la fase SMT del proceso de fabricación de la Placa MB.

Antonio, Carlos, Robson y abastecedor externo.

USD 16.666,66

Confección de nuevos modelos para la línea SMT reconfigurada

Viabilizar la soldadura del Conector através de la máquina de soldadura SMT

Desarrollar modelos junto al abastecedor externo especializado.

A partir de Septiembre de 2013

En la fase SMT del proceso de fabricación de la Placa MB.

Antonio, Carlos, Robson y abastecedor externo.

USD 916,66

Acción de Mejoría en el Proceso de Fabricación. Las acciones definidas en el plano de acción fueron implementadas y los nuevos índices de defecto en la

soldadura del componente HDMI que se redujo a 0,0271.

Verificación de la Mejoría en el Proceso de Fabricación

Evaluando la soldadura del Conector HDMI mediante la test metalográfico de Corte Transversal es posible detectar la calidad de la soldadura y del llenado de la soldadura en los terminales del Conector como se muestra en la figura10:

Figura10: a) y b) Corte transversal del componente. Presentación terminal de soldadura suficiente

Según la IPC-A-610D, un llenado de por lo menos un 75% del agujero debe ser alcanzado (figura 8). En esta condiciónla soldabilidad del conector HDMI tecnicamente está adecuada para este produto eletro-electrónico.

4.1 Estandarización del Proceso.

La estandarización se acompaña através del Informe de Defecto de la Empresa, siendo monitoreado diariamente buscando el seguimiento de la mejoría realizada. Esta modificación se extendió para otros productos que también utiliza el mismo componente electrónico e. El desarrollo de un nuevo modelo de fase de montaje para el sistema de manufactura de la empresa elevó la confiabilidad y redujo costos del proceso de fabricación de la PCI MB de la Laptop. Los resultados obtenidos son presentados en los siguientes indicadores de la tabla 1

Tabla 1. Reducción del índice de Calidad de 0,6059%para 0,0271%. Mejoría de 95% del indicador

Modelo Antes Después Reducción

PCI MB Laptop 0,6059% 0,0271% 95%

5. CONCLUSIONES

Se puede verificar por los resultados presentados en las tablas 6, 7y8, que a implementación de mejoría en la soldadura del Conector HDMI en el proceso de fabricación da Placa MB de la Laptop realizada y comprobada en el estudio de caso presentado, donde la empresa redujo el porciento de defectos de 0,6059% a0,0271%,la cantidad de mano de obra directa de 4 colaboradores para cero, dando una ganancia financiera semestral en este proceso de soldadura del HDMI de USD 6.260,19, consiguiendo en un período de aproximadamente seis meses el retorno sobre el capital invertido.

Cuantitativamente el valor economizado, substrayéndose la inversión realizada, no es numéricamente elevado, sin embargo, el proceso de fabricación obtuvo una mejoría del 95% en el índice de defecto en la soldadura del Conector HDMI, cumplimentando satisfactoriamente la norma internacional IPC-A-610D en cuanto al requisito de llenado del agujero de los terminales del conector, de esta forma, posibilitando que la empresa suministre para sus clientes un producto con mayor confiabilidad, sin grandes inversiones y reduciendo la mano de obra.

Portanto, las economías en Costo y mejoría del proceso se reflejan en mejores condiciones tanto de competitividad, como de atención a los clientes, por tanto, esta investigación puede demostrar para la empresa en studio que se puede internamente conseguir mejores resultados con los equipamientos/recursos existentes, tomándose como referencia para trabajos futuros de la organización.

6. AGRADECIMIENTOS

Al Instituto de Tecnología José Rocha Sérgio Cardoso ( ITJC)por el apoyo en la realización de la Investigación, a la Universidad Federal del Pará (UFPA)y al Instituto de Tecnología Galileo de la Amazonia (ITEGAM).

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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