La mécanique du bord propre : guide pour des chevrons fiables

La différence entre un module fonctionnel et un prototype rebuté réside souvent dans le bord microscopique de la carte. Lorsqu'une livraison de cartes filles arrive, la première étape d'inspection ne doit pas être un test de continuité ; elle doit être une vérification visuelle sous une loupe 30x. Si le placage de l'extrémité semble avoir été mâché par un animal émoussé, la carte est déjà compromise. Un “copeau” dans ce contexte n'est pas simplement cosmétique. C'est un danger structurel — une lamelle de cuivre, arrachée du substrat, attendant de faire un pont entre deux pastilles ou de se soulever entièrement lors du réchauffement.

Ce mode de défaillance résulte rarement d'une “mauvaise chance” ou d’un “mauvais lot” de moulage. Presque toujours, il s'agit d'une défaillance de la géométrie et des instructions. Les concepteurs supposent souvent qu'il suffit de placer un via sur le contour de la carte dans leur logiciel de CAO — que ce soit Altium, KiCad ou Eagle — pour générer une cannelure. Ce n’est pas le cas. Alors que l'écran de CAO montre un demi-cercle parfait, la réalité de la fabrication implique une fraise rotative en acier à haute vitesse exerçant un couple important sur une fine feuille de cuivre à peine collée à la trame de fibre de verre. Si ce cuivre n'est pas mécaniquement ancré, ou si la fraise entre sous le mauvais angle, le placage se déchirera.

Ce tearing induit un pont de soudure lors de l'assemblage. Si le bord est déchiré, la pâte à souder a une mèche pour voyager, connectant les pastilles adjacentes destinées à rester isolées. Résoudre la coupe mécanique résout le court-circuit électrique.

La Physique de la Larmoiement

Pour concevoir une cannelure robuste, vous devez visualiser le chemin de la fraise. Une fraise de routeur PCB standard — souvent de 2.0mm ou 2.4mm de diamètre — tourne à environ 40 000 tr/min. Lorsqu'elle se déplace le long du bord du panneau pour découper la carte, elle fraise un composite d'époxy, de fibre de verre et de cuivre. La direction de rotation est d'une importance capitale.

Si la fraise tourne dans le sens des aiguilles d'une montre et que le chemin de la découpe fait en sorte que la lame de coupe touche le stratifié avant le cuivre, le matériau de support soutient la feuille. La fraise coupe à travers le cuivre contre le mur solide du FR-4. Cependant, si le chemin est inversé, ou si la fraise entre dans la cannelure de l'“intérieur” du trou en appuyant vers l'extérieur, il n'y a pas de support derrière le placage. La fraise attrape le rebord et tire. Étant donné que la force adhésive du cuivre par rapport au FR-4 est finie (environ 1,4 N/mm pour les matériaux standards), la force rotative dépasse facilement la résistance du lien. Le résultat est une pastille soulevée qui se balance dans le vent, ou un copeau comprimé dans le côté de la carte.

Ce traitement spécialisé explique pourquoi les usines de fabrication facturent une “surtaxe de cannelure”. Elles ne se font pas une gouge pour le plaisir ; elles exécutent souvent une routine CNC complètement différente. Au lieu d'une coupe de profil standard continue, elles doivent employer une séquence “plongée et coupe” ou une stratégie d’entrée/sortie spécifique pour chaque trou afin de s’assurer que la fraise pousse toujours le cuivre dans le tableau, pas en dehors. Si un devis revient sans cette surcharge, soyez méfiant. Cela signifie généralement qu'ils ont l'intention d'effectuer un passage de profil standard, et le résultat sera un chaos désordonné.

L'Impératif d'Ancrage

Se fier uniquement à la liaison chimique du film de cuivre est un pari que les ingénieurs professionnels ne devraient pas prendre. La couche adhésive entre le cuivre et le diélectrique est le maillon le plus faible dans la structure. Pour éviter le soulèvement de la pad, la conception doit introduire un verrou mécanique — un ancrage.

La méthode la plus efficace utilise la structure verticale du PCB lui-même. Une pad de découpe ne doit pas seulement être en cuivre en haut et en bas ; elle doit être fixée ensemble avec des vias dédiés. En plaçant un ou deux petits vias (0,3 mm est une taille de forêt mécanique standard) près du bord intérieur de la pad — efficacement « derrière » la ligne de coupe — les couches supérieure et inférieure sont rivetées ensemble à travers le noyau. Même si la fraise du routeur exerce une force suffisante pour délaminer le bord de la pad, la déchirure ne peut pas se propager au-delà de ces vias d'ancrage. Le cuivre est mécaniquement verrouillé à la structure intérieure.

Ces vias d'ancrage remplissent une double fonction. Lors de la réouverture secondaire — lorsque le module est soudé sur la carte principale —, la contrainte thermique sur les pads de bord est immense. Sans ancrages, le décalage de la dilatation thermique peut faire flotter ou décoller les pads, surtout si une reprogrammation à la main est tentée. Le via d'ancrage agit à la fois comme dissipateur thermique et comme rivet. Même si certains designs à ultra-haute densité pourraient avoir du mal à intégrer ces ancrages, leur omission invite à une défaillance sur le terrain. Si la pad se soulève, il n'y a pas de réparation ; le module est rejeté.

Finition de surface en tant que variable de planéité

La géométrie de la découpe est la moitié de la bataille ; la topographie de la pad est l'autre moitié. Lorsqu'un module est placé sur une carte de support, il doit reposer parfaitement à plat. Toute déviation transforme le module en une balancier, conduisant à des joints ouverts d'un côté et à une pâte écrasée de l'autre.

Le nivellement par ambience à chaud (HASL) est fondamentalement inadapté aux bords en castellations. Le processus HASL consiste à tremper le panneau dans de la soudure en fusion et à le souffler avec des couteaux d'air chaud. Sur un trou à moitié découpé, cela tend à laisser une bosse irrégulière de soudure au bord. Lorsque le routeur passe plus tard pour découper la carte, cette bosse de plomb/étain (ou d'alliage sans plomb) se déforme et se déchire différemment du cuivre plus dur. Plus important encore, cela crée une surface non plane.

L’or à immersion en nickel sans électrolyse (ENIG) est la norme obligatoire pour ces applications. La couche barrière en nickel offre une surface plus dure qui coupe plus proprement que la soudure molle, et l’or en immersion assure une surface parfaitement plane et coplanaire pour le processus SMT. Bien que le HASL soit moins cher, le taux de rejet dû à une mauvaise planéité et à la déformation par le routeur annule instantanément les économies.

Communication de l'intention : le pare-feu de note de fabrication

L’erreur la plus courante dans la conception de castellations est le silence. Si les fichiers Gerber contiennent une contour de carte traversant une rangée de trous plaqués, mais que les notes de fabrication ne disent rien, l’ingénieur CAM à l’usine doit deviner. Dans une usine de haut volume de niveau 1, des scripts automatisés pourraient le signaler. Dans une usine de prototypage rapide, l’opérateur pourrait supposer qu’il s’agit d’une erreur ou, pire, simplement exécuter la routine de profil standard.

Une note spécifique sur la couche de fabrication est le seul pare-feu contre cela. Elle doit être explicite. Une note standard pourrait indiquer : « Platine en bordure (castellations) présentes sur J1 et J2. Le fournisseur doit utiliser des chemins d'entrée/sortie de routeur appropriés pour éviter le burinage et la levée de cuivre. Les critères d’acceptabilité IPC-6012 de classe 3 s’appliquent aux conditions de la platine en bordure. » Cela oblige l’ingénieur CAM à reconnaître la caractéristique, déplaçant la responsabilité de l’omission du concepteur vers le processus du fabricant.

La Castellationen du « Tricheur »

Il existe un mythe persistant, souvent répandu dans les cercles amateurs, selon lequel on peut créer des castellations simplement en plaçant une rangée de vias sur le contour de la carte et en omettant cette information de l’usine de fabrication pour éviter la surcharge. C’est une approche de « tricheur », et elle est mécaniquement insoutenable.

Lorsqu’un chemin de routeur standard coupe à travers un via standard sans considérations spéciales d’entrée/sortie, la paroi de plaquage s’effondrera presque certainement ou s’arracher. L’intégrité structurelle d’un trou plaqué repose sur le fait qu’il est un cylindre continu. Une fois que vous tranchez ce cylindre en deux sans précaution, la demi-cylindre restante perd sa résistance à l’éversé. Sans étapes de processus spécifiques pour soutenir cette paroi restante, la « castellationen » du « tricheur » aboutit à un bord fragile et pointu qui pourrait même ne pas accueillir de soudure. C’est une fausse économie.

Du matériel fiable ne suppose pas que la machine ignore la physique ; il survit par conception. Fixez les coussinets, spécifiez la finition, et écrivez la note. La fraise du routeur ne se soucie pas de votre délai, mais elle respectera votre géométrie.