De mechanica van de schone rand: een gids voor betrouwbare castellations

Het verschil tussen een functioneel module en een weggegooide prototype komt vaak neer op de microscopische rand van het bord. Wanneer een zending dochterborden aankomt, zou de eerste inspectiestap geen continuïteitstest moeten zijn; het moet een visuele controle onder een 30x loep zijn. Als de randbedekking eruitziet alsof hij is geknabbeld door een doffe dier, is het bord al gecompromitteerd. Een “burr” in deze context is niet slechts cosmetisch. Het is een structureel gevaar—een splinter koperdraad, losgetrokken van de onderlaag, wachtend om twee contactsokken te verbinden of volledig op te tillen tijdens reflow.

Dit faalmode ontstaat zelden door “pech” of een “slechte batch” van laminage. Bijna altijd is het een fout in geometrie en instructie. Ontwerpers gaan er vaak van uit dat het plaatsen van een via op de rand van het bord in hun CAD-tool—of het nu Altium, KiCad of Eagle is—voldoende is om een kastellatie te genereren. Dat is niet zo. Terwijl het CAD-scherm een perfect halve cirkel toont, moet de realiteit op de productievloer worden gezien als een hoogsnelheid staalrouterbit die aanzienlijke koppel uitoefent op een dunne koperdraad die nauwelijks op de glasvezel is gelijmd. Als dat koper niet mechanisch is verankerd, of als de routerbit onder de verkeerde hoek binnenkomt, zal de bedekking scheuren.

Dit scheuren veroorzaakt het overbruggen van soldeer tijdens de assemblage. Als de rand ruw is, heeft het soldeerpasteel een wick om langs te reizen, waardoor aangrenzende contactsokken worden verbonden die gescheiden moeten blijven. Het oplossen van de mechanische snede lost de elektrische kortsluiting op.

De natuurkunde van de traan

Om een robuuste kastellatie te ontwerpen, moet je het gereedschapspad visualiseren. Een standaard PCB-routerbit—vaak 2.0mm of 2.4mm in diameter—draait ongeveer 40.000 RPM. Terwijl hij langs de rand van het paneel beweegt om het bord los te snijden, freest hij door een composiet van epoxy, glasvezel en koper. De draairichting is zeer belangrijk.

Als de routerbit met de klok meesleept en het gereedschapspad zodanig beweegt dat de snijkant de laminaat raakt voordat de koper, ondersteunt het achterliggende materiaal de folie. De snijder snijdt door de koper tegen de stevige muur van FR-4. Als het pad echter wordt omgekeerd, of als de bit de kastellatie binnenkomt vanuit de “binnenkant” van het gat en naar buiten duwt, is er geen ondersteuning achter de bedekking. De bit vangt de rand en trekt. Aangezien de hechting van koperdraad aan FR-4 finit is (meestal ongeveer 1,4 N/mm voor standaardmaterialen), overschrijdt de draaimoment gemakkelijk de hechtingssterkte. Het resultaat is een opgetild contact dat in de wind zwaait, of een burr die in de zijkant van het bord wordt geperst.

Deze gespecialiseerde afhandeling is de reden dat fabricagehuizen een “kastellatiesurcharge” vragen. Ze graven niet zomaar; ze voeren vaak een volledig aparte CNC-routine uit. In plaats van een doorlopend gestandaardiseerd profielsnede, moeten ze een “plunge and cut”-volgorde of een specifieke ingang/uitgangstrategie gebruiken voor elk gat om te zorgen dat de bit altijd het koper duwt. in het bord, niet eraf. Als een offerte terugkomt zonder die toeslag, wees dan argwanend. Het betekent meestal dat ze van plan zijn om een standaard profielpass uit te voeren, en het resultaat zal een rommelige proef worden.

De ankerimperatief

Alleen vertrouwen op de chemische binding van de koperen folie is een gok die professionele ingenieurs niet zouden moeten nemen. De kleeflaag tussen koper en het diëlektricum is de zwakste schakel in de stapel. Om het optillen van de pad te voorkomen, moet het ontwerp een mechanische vergrendeling introduceren—een anker.

De meest effectieve methode maakt gebruik van de verticale structuur van de PCB zelf. Een utslaadgelegen pad moet niet alleen uit koper aan de boven- en onderkant bestaan; het moet worden vastgezet met speciale vias. Door een of twee kleine vias (0,3 mm is een standaard freesgrootte) dicht bij de binnenrand van de pad te plaatsen—effectief “achter” de snijlijn—worden de boven- en onderlagen riveted door het kernmateriaal. Zelfs als de freesbit genoeg kracht uitoefent om de rand van de pad te delamineren, kan de scheur niet voorbij deze anker-vias groeien. Het koper wordt mechanisch vergrendeld op de binnenstructuur.

Deze anker-vias dienen een dubbel doel. Tijdens de secundaire reflow—wanneer de module op het hoofdboard wordt gesoldeerd—is de thermische belasting op de randpads ontzettend groot. Zonder ankers kan de thermische uitzettingsmismatch zorgen dat de pads gaan drijven of loslaten, vooral bij handmatige soldeerwerkherstellingen. De anker-via fungeert zowel als warmte-afleider als rivet. Terwijl sommige ultra-hoge dichtheid ontwerpen moeite kunnen hebben om deze ankers te plaatsen, veroorzaakt het weglaten ervan veldfalen. Als de pad loskomt, is er geen reparatie mogelijk; de module wordt afgevoerd.

Oppervlakteafwerking als variabele voor vlakheid

De geometrie van de snede is de helft van de strijd; de topografie van de pad is de andere helft. Wanneer een module op een dragerplaat wordt geplaatst, moet deze perfect vlak liggen. Elke afwijking maakt van de module een wiebel, wat leidt tot open verbindingen aan de ene kant en geplette pasta aan de andere kant.

Hot Air Solder Leveling (HASL) is fundamenteel ongeschikt voor gekrulde randen. Het HASL-proces houdt in dat het paneel wordt gedompeld in gesmolten soldeer en wordt weggeblazen met hete lucht messen. Bij een halfgekapte opening lijkt dit een bolle, ongelijkmatige klomp soldeer achter te laten aan de rand. Wanneer de frees later door het bord komt om het uit te snijden, smeert die zachte tin/lood (of loodvrij legering) anders uit en scheurt anders dan de hardere koper. Nog belangrijker is dat het een niet-vlak oppervlak creëert.

Elektrisch nikkel immersen goud (ENIG) is de verplichte standaard voor deze toepassingen. De nikkelbarrièrefilm biedt een harder oppervlak dat schoner snijdt dan zacht soldeer, en het immersiegoud zorgt voor een perfect vlak, coplanair oppervlak voor het SMT-proces. Hoewel HASL goedkoper is, wordt de afkeuringsratio door slechte vlakheid en scheuren bij de frees onmiddellijk tenietgedaan door de besparingen.

Communicatie van intentie: De Fab Note Firewall

De meest voorkomende fout in castellation-ontwerp is stilte. Als de Gerber-bestanden een bordomtrek bevatten die door een rij geplaatste gaten loopt, maar de fabricageaantekeningen niets zeggen, moet de CAM-engineer in de fabriek raden. In een hoge-volume Tier 1-winkel worden dit mogelijk geautomatiseerde scripts geactiveerd. In een snelle prototype-shop zal de operator aannemen dat het een fout is of, nog erger, gewoon de standaard profielroutine uitvoeren.

Een specifieke notitie op de fabricagelaag is de enige firewall hiertegen. Het moet expliciet zijn. Een standaardnotitie kan lezen: “Randbedekking (castellations) aanwezig op J1 en J2. Leverancier moet geschikte routering ingangen/uitgangen gebruiken om boording en koperen lifting te voorkomen. IPC-6012 Class 3 acceptatiecriteria zijn van toepassing op randbedekkingsvoorwaarden.” Dit dwingt de CAM-engineer om het kenmerk te erkennen, waardoor de aansprakelijkheid wordt verplaatst van de ontwerpersfout naar het productieproces.

De ‘Valsspeler’s’ Castellation

Er bestaat een hardnekkige mythe, die vaak rondgaat in hobbykringen, dat men castellation kan creëren door gewoon een rij vias op de bordomtrek te plaatsen en die informatie achter te houden bij het fablab om de toeslag te vermijden. Dit is een ‘valsspeler’ aanpak, en het is mechanisch onhoudbaar.

Wanneer een standaard routerpad door een standaard via snijdt zonder de speciale ingangs-/uitgangsconsideraties, zal de bekledingwand vrijwel zeker instorten of scheuren. De structurele integriteit van een geplaatste opening hangt af van een doorlopende cilinder. Zodra je die cilinder doormaakt zonder voorzorg, verliest de resterende halve cilinder zijn boogsterkte. Zonder specifieke processtappen om die resterende wand te ondersteunen, resulteert de ‘valsspeler’s’ castellation in een fragiele, ruwe rand die mogelijk niet eens soldeer pakt. Het is een valse economie.

Betrouwbare hardware houdt er niet van dat de machine de natuurkunde negeert; het overleeft door ontwerp. Veranker de pads, specificeer de afwerking en schrijf de notitie. De routerbit geeft niet om je deadline, maar respecteert wel je geometrie.