Mechanika czystego brzegu: Przewodnik po niezawodnych zaciskach

Różnica między funkcjonalnym modułem a odrzuconym prototypem często sprowadza się do mikro obwodu krawędzi płytki. Gdy nadchodzi wysyłka płyt głównych, pierwszy krok inspekcji nie powinien być test ciągłości; powinno to być sprawdzenie wizualne pod 30-krotnym powiększeniem. Jeśli powłoka krawędzi wygląda jakby została przeżuta przez niemagnetyczne zwierzę, płytka jest już naruszona. "Zadzior" w tym kontekście nie jest tylko kosmetyczny. To zagrożenie strukturalne — odłamek miedzi, oderwany od podłoża, czekający, by połączyć dwa pola lub całkowicie się podnieść podczas procesu reflow.

Ten tryb awarii rzadko wynika z "pecha" lub "złej partii" laminatu. Prawie zawsze jest to błąd geometrii i instrukcji. Projektanci często zakładają, że umieszczenie via na konturze płytki w ich narzędziu CAD — czy to Altium, KiCad, czy Eagle — jest wystarczające do wygenerowania kapelusza. Nie jest. Podczas gdy ekran CAD pokazuje idealny półkole, rzeczywistość na fabrycznej linii obejmuje wysokowydajny wierteł stalowy obracający się z dużym momentem na cienkiej folii miedzi, którą słabo przyklejono do tkaniny z włókna szklanego. Jeśli ta miedź nie jest mechanicznie zakotwiczona, lub jeśli wiertło wchodzi pod złym kątem, powłoka zostanie rozdarta.

To rozdarcie powoduje mostki lutownicze podczas montażu. Jeśli krawędź jest postrzępiona, pasta lutownicza ma ścieżkę do podróżowania, łącząc sąsiednie pola przeznaczone do pozostania odseparowanymi. Rozwiązanie mechanicznego cięcia rozwiązuje problem zwarcia.

Fizyka łzy

Aby zaprojektować wytrzymały kapelusz, musisz wizualizować ścieżkę narzędzia. Standardowa wiertarka PCB — często o średnicy 2,0mm lub 2,4mm — obraca się z prędkością około 40 000 RPM. Gdy porusza się wzdłuż krawędzi płyty, aby ją odciąć, frezuje złożenie epoksy, włókna szklanego i miedzi. Kierunek obrotu ma ogromne znaczenie.

Jeśli wiertło obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a ścieżka narzędzia porusza się tak, że krawędź tnąca trafia na laminat zanim miedź, materiał nośny wspiera folię. Obcinacz przecina miedź przeciwko solidnej ścianie FR-4. Jednak jeśli ścieżka jest odwrócona lub jeśli wiertło wchodzi do kapelusza od "wewnątrz" otworu, wypychając na zewnątrz, za powłoką nie ma wsparcia. Wiertło chwyta krawędź i ciągnie. Ponieważ siła wiążąca folię miedzianą z FR-4 jest skończona (zwykle około 1,4 N/mm dla standardowych materiałów), siła obrotowa łatwo przekracza siłę wiązania. Wynikiem jest podniesiony poluś, który macha na wietrze, lub zadzior skompresowany w bok płytki.

Ten specjalistyczny sposób obsługi to powód, dla którego fabryki pobierają "dopłatę za kapelusze". Nie robią tego dla zgryzoty; często uruchamiają całkowicie oddzielny rutynowy program CNC. Zamiast ciągłego, standardowego profilu wycinania, muszą stosować sekwencję "zanurzenie i cięcie" lub specyficzną strategię wejścia/wyjścia dla każdego otworu, aby zapewnić, że wiertło zawsze pcha miedź do płyty, a nie z niej. Jeśli otrzymasz ofertę bez tej dopłaty, zachowaj ostrożność. Zazwyczaj oznacza to, że planują wykonać standardowy profil, a wynik będzie chaotyczny.

Imperatyw kotwicy

Poleganie wyłącznie na chemicznym związku folii miedzianej jest ryzykowne, czego profesjonalni inżynierowie nie powinni robić. Warstwa klejąca pomiędzy miedzią a dielektrykiem jest najsłabszym ogniwem w stosie. Aby zapobiec podnoszeniu się padów, projekt musi wprowadzić mechaniczną blokadę — złącze kotwiczące.

Najskuteczniejsza metoda wykorzystuje pionową strukturę samej PCB. Pad z falcami nie powinien być tylko miedzią na górze i na dole; musi być skwitowany specjalnymi złączkami. Umieszczając jeden lub dwa małe złącza (0,3 mm to standardowy rozmiar wiertła mechanicznego) w pobliżu wewnętrznego brzegu pada — efektywnie „za” linią cięcia — warstwy górna i dolna są ze sobą zryte przez rdzeń. Nawet jeśli frez wywrze wystarczającą siłę, aby delaminować brzeg pada, rozdarcie nie może się rozprzestrzenić poza te złącza kotwiczne. Miedź jest mechanicznie zablokowana do wewnętrznej struktury.

Te złącza kotwiczące pełnią podwójną funkcję. Podczas wtórnego reflow — gdy moduł jest lutowany na głównym układzie — naprężenia cieplne na krawędziowych padach są ogromne. Bez złączy, niedopasowanie rozszerzalności termicznej może powodować unoszenie się lub odpadanie padów, szczególnie podczas ręcznego przelutowania. Złącze kotwiczące działa zarówno jako radiator, jak i rygle. Chociaż niektóre ultrawysokowydajne projekty mogą mieć trudności z dopasowaniem tych złączy, pomijanie ich zwiększa ryzyko awarii w terenie. Jeśli pad podnosi się, nie ma naprawy; moduł jest do wyrzucenia.

Wykończenie powierzchni jako zmienna w płaskości

Geometria cięcia to połowa walki; topografia pada to druga. Kiedy moduł jest umieszczony na płycie nośnej, musi leżeć idealnie płasko. Wszelkie odchylenia zamieniają moduł w huśtawkę, prowadząc do otwartych połączeń z jednej strony i zmiażdżonej pasty z drugiej.

Hot Air Solder Leveling (HASL) jest zasadniczo nieodpowiednie dla falcowanych krawędzi. Proces HASL polega na zanurzeniu panelu w stopionej cyny i wyrzuceniu jej gorącym powietrzem z noży. Na połowicznie wyciętym otworze, zwykle pozostawiając na brzegu bulwiastą, nierówną masę cyny, która po późniejszym cięciu frezem zarysowuje się i rozdziera inaczej niż twardsza miedź. Co ważniejsze, tworzy to powierzchnię niespłaszczoną.

Powłoka ENIG (z prawej) zapewnia bardziej wytrzymałą powierzchnię, która czyści się szybciej niż miękka lutownica, a zanurzenie złota zapewnia idealnie płaską, współplanarną powierzchnię do procesu SMT. Chociaż HASL jest tańszy, wskaźnik odrzuceń z powodu niskiej planarnosci i rozmycia frezem natychmiast niweluje oszczędności.

Komunikacja intencji: Zapora notatek fabrycznych

Najczęstszy błąd w projektowaniu falcowania to cisza. Jeśli pliki Gerbera zawierają kontur płytki przebiegający przez rząd pokrytych dziur, ale w notatkach produkcyjnych nie ma na ten temat żadnych wskazówek, inżynier CAM w fabryce musi zgadnąć. W dużym, wysokowydajnym zakładzie automatyczne skrypty mogą to wychwycić. W szybkiej prototypowni operator może to uznać za błąd lub, co gorsza, po prostu uruchomić standardową procedurę profilu.

Specjalna nota na warstwie produkcyjnej jest jedyną zaporą przeciwko temu. Musi być wyraźna. Typowa nota może brzmieć: „Pokrycie krawędzi (fale) obecne na J1 i J2. Dostawca musi użyć odpowiednich ścieżek frezowania, aby zapobiec zadzieraniu i odpadaniu miedzi. Obowiązują kryteria akceptacji IPC-6012 Klasa 3 dla warunków pokrycia krawędzi.” To zmusza inżyniera CAM do uznania tej cechy, przenosząc odpowiedzialność z pominięcia projektanta na proces producenta.

Fale „Cheater’s”

Istnieje nieustanny mit, często krążący wśród hobbystów, że można tworzyć fale po prostu przez umieszczenie rzędu złączek na konturze płytki i pominięcie tych informacji w fabryce, aby uniknąć dopłaty. To podejście „oszukańcze” jest mechanicznie niepoprawne.

Kiedy standardowa ścieżka freza przecina standardowe złącze bez specjalnych uwag dotyczących wejścia/wyjścia, ściana pokrycia prawie na pewno się zawali lub rozedrze. Integralność strukturalna pokrytego otworu opiera się na ciągłej cylindrycznej formie. Gdy ten cylindr zostanie przecięty na pół bez ostrożności, resztkowa połowa traci siłę obejmującą. Bez określonych kroków w procesie wspierających tę resztę ściany, „oszukańcza” fala kończy się na kruchej, ostrej krawędzi, która może nawet nie przyjąć lutowania. To fałszywa oszczędność.

Niezawodne urządzenia nie mają nadziei, że maszyna zignoruje fizykę; przeżywa dzięki projektowi. Zakotwicz podkładki, określ wykończenie i napisz notatkę. Frez nie obchodzi Cię termin, ale będzie szanować Twoją geometrię.