La mecánica del borde limpio: una guía para engastes confiables

La diferencia entre un módulo funcional y un prototipo desechado a menudo se reduce al filo microscópico de la placa. Cuando llega un envío de placas hijas, el primer paso de inspección no debería ser una prueba de continuidad; debería ser una revisión visual bajo una lupa de 30x. Si el revestimiento del borde parece haber sido mordido por un animal impreciso, la placa ya está comprometida. Una “rebaba” en este contexto no es meramente cosmética. Es un peligro estructural: una astilla de cobre, desgarrada del sustrato, esperando para conectar dos pads o levantarse completamente durante el reflujo.

Este modo de falla rara vez resulta de una “mala suerte” o de un “lote defectuoso” de laminado. Casi siempre, es una falla de geometría e instrucción. Los diseñadores a menudo suponen que colocar un via en el contorno de la placa en su herramienta CAD —ya sea Altium, KiCad o Eagle— es suficiente para generar una castellación. No lo es. Mientras que la pantalla CAD muestra un semi-círculo perfecto, la realidad en la fábrica implica una broca de router de acero de alta velocidad ejerciendo un torque significativo sobre una lámina delgada de cobre apenas pegada a la trama de fibra de vidrio. Si ese cobre no está anclado mecánicamente, o si la broca entra en el ángulo incorrecto, el revestimiento se desgarrará.

Este desgarro provoca puentes de soldadura durante el ensamblaje. Si el borde es irregular, la pasta de soldadura tiene una mecha que puede recorrerlo, conectando pads adyacentes destinados a mantenerse aislados. Resolver el corte mecánico resuelve el cortocircuito eléctrico.

La Física de la Lágrima

Para diseñar una castellación robusta, debes visualizar la trayectoria de la herramienta. Una broca de router para PCB estándar —a menudo de 2.0 mm o 2.4 mm de diámetro— gira a aproximadamente 40,000 RPM. A medida que se mueve a lo largo del borde del panel para liberar la placa, mecaniza una combinación de epoxy, fibra de vidrio y cobre. La dirección de rotación importa tremendamente.

Si la broca gira en sentido horario y la trayectoria de la herramienta se desplaza de modo que la arista de corte golpea la laminación antes de el cobre, el material de respaldo soporta la lámina. La cortadora corta el cobre contra la pared sólida de FR-4. Sin embargo, si el camino se invierte, o si la broca entra en la castellación desde la “interior” del agujero empujando hacia afuera, no hay soporte detrás del revestimiento. La broca agarra el labio y lo tira. Dado que la fuerza adhesiva del cobre sobre el FR-4 es finita (típicamente alrededor de 1.4 N/mm para materiales estándar), la fuerza rotacional supera fácilmente la fuerza de unión. El resultado es una pad levantada que ondea en el viento, o una rebaba comprimida en el lado de la placa.

Este manejo especializado es la razón por la cual las casas de fabricación cobran un “recargo por castellación”. No están talando por el simple hecho de hacerlo; muchas veces están ejecutando una rutina CNC completamente separada. En lugar de un corte de perfil estandarizado continuo, deben emplear una secuencia de “inserción y corte” o una estrategia específica de entrada/salida para cada agujero, asegurando que la broca siempre empuje el cobre hacia la placa, no fuera de ella. Si una cotización regresa sin ese recargo, desconfía. Usualmente significa que pretenden realizar un paso de perfil estándar y el resultado será un desastre irregular.

El Imperativo del Anclaje

Confiar únicamente en la unión química de la lámina de cobre es una apuesta que los ingenieros profesionales no deberían hacer. La capa adhesiva entre el cobre y el dieléctrico es el eslabón más débil en la pila. Para evitar que la almohadilla se levante, el diseño debe introducir un bloqueo mecánico—un anclaje.

El método más efectivo utiliza la estructura vertical del PCB mismo. Una almohadilla de castellación no debería ser solo cobre en la parte superior e inferior; necesita estar sujeta con vias dedicadas. Colocando una o dos vías pequeñas (0,3 mm es un tamaño de taladro mecánico estándar) cerca del borde interior de la almohadilla—efectivamente "detrás" de la línea de corte—las capas superior e inferior están remachadas juntas a través del núcleo. Incluso si la fresa ejerce suficiente fuerza para delaminar el borde de la almohadilla, la desgarra no puede propagarse más allá de estas vías de anclaje. El cobre está bloqueado mecánicamente con la estructura interna.

Estas vías de anclaje cumplen una doble función. Durante el reflujo secundario—cuando el módulo se solda en la placa base—el estrés térmico en las almohadillas de los bordes es inmenso. Sin anclas, el desajuste de expansión térmica puede hacer que las almohadillas floten o se despeguen, especialmente si se intenta rehacer a mano. La vía de anclaje actúa como disipador de calor y remache. Aunque algunos diseños de densidad ultra alta podrían tener dificultades para ajustar estas anclas, omitirlas invita a fallos en el campo. Si la almohadilla se levanta, no hay reparación; el módulo se desecha.

Acabado de superficie como variable de planitud

La geometría del corte es la mitad de la batalla; la topografía de la almohadilla es la otra. Cuando se coloca un módulo en una placa portadora, debe estar perfectamente plano. Cualquier desviación convierte el módulo en una balanza, lo que lleva a juntas abiertas en un lado y pasta aplastada en el otro.

El nivelado por soldadura de aire caliente (HASL) es fundamentalmente inadecuado para bordes de castellación. El proceso HASL consiste en sumergir la lámina en soldadura fundida y soplarla con cuchillas de aire caliente. En un orificio semi-cortado, esto tiende a dejar un bulto de soldadura blando e irregular en el borde. Cuando la fresa pasa después para cortar la placa, ese bulto de estaño/plomo blando (o aleación sin plomo) se difumina y se desgasta de manera diferente al cobre más duro. Más importante aún, crea una superficie no plana.

El acabado de níquel electrolítico con oro por inmersión (ENIG) es el estándar obligatorio para estas aplicaciones. La capa de barrera de níquel proporciona una superficie más dura que corta más limpia que la soldadura blanda, y el oro por inmersión asegura una superficie perfectamente plana y coplanar para el proceso SMT. Aunque el HASL es más barato, la tasa de rechazo debido a la mala planitud y a la difusibilidad del enrutador anula los ahorros al instante.

Comunicar Intención: El Firewall de Notas Fab

El error más común en el diseño de castellaciones es el silencio. Si los archivos Gerber contienen un contorno de placa que atraviesa una fila de agujeros revestidos, pero las notas de fabricación no dicen nada, el ingeniero de CAM en la fábrica tiene que adivinar. En un taller de alto volumen de nivel 1, los scripts automatizados podrían marcarlo. En un taller de prototipos de respuesta rápida, el operador podría suponer que es un error o, peor aún, simplemente ejecutar la rutina de perfil estándar.

Una nota específica en la capa de fabricación es la única barrera contra esto. Debe ser explícita. Una nota estándar podría decir: “Revestimiento de borde (castellaciones) presente en J1 y J2. El proveedor debe usar rutas de entrada/salida de enrutador apropiadas para evitar rebabas y levantamiento de cobre. Los criterios de aceptación de IPC-6012 Clase 3 se aplican a las condiciones de revestimiento de borde.” Esto obliga al ingeniero de CAM a reconocer la característica, trasladando la responsabilidad de la omisión del diseñador al proceso del fabricante.

La Castellación del “Tramposo”

Existe un mito persistente, a menudo circulado en círculos de aficionados, que dice que se pueden crear castellaciones simplemente colocando una fila de vías en el contorno de la placa y reteniendo esa información para evitar el recargo en la fabricación. Este es un enfoque de “tramposo”, y no es mecánicamente sólido.

Cuando una ruta de enrutador estándar atraviesa una vía estándar sin consideraciones especiales de entrada/salida, la pared de revestimiento casi con certeza colapsará o se desgarrará. La integridad estructural de un orificio revestido depende de que sea un cilindro continuo. Una vez que cortas ese cilindro por la mitad sin precaución, la mitad restante pierde su resistencia de aro. Sin pasos de proceso específicos para soportar esa pared restante, la castellación de “tramposo” resulta en un borde frágil, irregular, que incluso puede no aceptar soldadura. Es una falsa economía.

El hardware confiable no espera que la máquina ignore la física; sobrevive por diseño. Ancla las almohadillas, especifica el acabado y escribe la nota. La fresadora no se preocupa por tu plazo, pero respetará tu geometría.