A Mecânica da Borda Limpa: Um Guia para Castellations Confiáveis

A diferença entre um módulo funcional e um protótipo descartado muitas vezes se resume à borda microscópica da placa. Quando uma remessa de placas-filhas chega, o primeiro passo de inspeção não deve ser um teste de continuidade; deve ser uma verificação visual sob uma lupa de 30x. Se o revestimento da borda parecer como se tivesse sido mastigado por um animal semidevido, a placa já está comprometida. Uma "rebarba" nesse contexto não é apenas cosmética. É um risco estrutural—uma lasca de cobre, rasgada do substrato, esperando para fazer uma ponte entre duas pads ou levantar totalmente durante o reflow.

Este modo de falha raramente resulta de uma "má sorte" ou de um "lote ruim" de laminado. Quase sempre, é uma falha de geometria e instrução. Os projetistas frequentemente assumem que colocar uma via na outline da placa em sua ferramenta CAD—seja Altium, KiCad ou Eagle—é suficiente para gerar uma castelação. Não é. Enquanto a tela do CAD mostra um semi-círculo perfeito, a realidade da linha de fábrica envolve uma broca de alta velocidade de aço que exerce torque significativo sobre uma folha fina de cobre grudada quase que por completo ao tecido de fibra de vidro. Se esse cobre não estiver mecanicamente ancorado, ou se a broca entrar no ângulo errado, o revestimento se rasgará.

Esse rasgo provoca uma ponte de solda durante a montagem. Se a borda estiver irregular, a pasta de solda tem um caminho para viajar, conectando pads adjacentes destinados a permanecer isolados. Resolver o corte mecânico resolve o curto elétrico.

A Física da Rasgo

Para projetar uma castelação robusta, você precisa visualizar o percurso da ferramenta. Uma broca padrão de PCB—frequentemente de 2,0 mm ou 2,4 mm de diâmetro—gira por cerca de 40.000 RPM. À medida que se move ao longo da borda do painel para soltar a placa, ela usinase uma combinação de epóxi, fibra de vidro e cobre. A direção da rotação é extremamente importante.

Se a broca girar no sentido horário e o percurso da ferramenta mover-se de modo que a aresta de corte atinja a laminado antes de o cobre, o material de apoio sustenta a folha. A cortadora corta o cobre contra a parede sólida de FR-4. No entanto, se o percurso for invertido, ou se a broca entrar na castelação pelo "inside" do buraco empurrando para fora, não haverá suporte por trás do revestimento. A broca captura a lampa e puxa. Como a resistência adesiva do cobre ao FR-4 é finita (tipicamente em torno de 1,4 N/mm para materiais padrão), a força de rotação facilmente excede a resistência da ligação. O resultado é uma pad levantada que balança ao vento, ou uma rebarba comprimida na lateral da placa.

Este manuseio especializado é a razão pela qual as fábricas cobram uma "sobrecarga de castelação". Elas não estão cobrando à toa; muitas vezes estão executando uma rotina CNC completamente separada. Em vez de um corte de perfil padronizado contínuo, eles devem empregar uma sequência de "mergulho e corte" ou uma estratégia específica de entrada/saída para cada buraco, garantindo que a broca sempre empurre o cobre para a placa, não para fora dela. Se uma cotação retornar sem essa sobretaxa, desconfie. Geralmente significa que eles pretendem executar uma passagem de perfil padrão, e o resultado será uma bagunça irregular.

O Imperativo do Ancoramento

Confiar somente na ligação química do cobre ao adesivo é um risco que engenheiros profissionais não deveriam assumir. A camada adesiva entre o cobre e o dielétrico é o elo mais fraco na pilha. Para evitar elevação do pad, o projeto deve introduzir uma trava mecânica—uma âncora.

O método mais eficaz utiliza a estrutura vertical da própria PCB. Um pad de castelação não deve ser apenas cobre na parte superior e inferior; precisa ser preso junto com vias dedicadas. Ao posicionar uma ou duas pequenas vias (de 0,3mm, um tamanho de broca mecânica padrão) perto da borda interna do pad—efetivamente "por trás" da linha de corte—as camadas superior e inferior são fixadas através do núcleo. Mesmo que a broca exerça força suficiente para delaminar a borda do pad, a rasgo não pode se propagar além dessas vias âncora. O cobre fica mecanicamente travado na estrutura interna.

Essas vias âncora servem a um duplo propósito. Durante o recobrimento secundário—quando o módulo é soldado na placa-mãe—o estresse térmico nas aletas de bordo é imenso. Sem âncoras, a incompatibilidade de expansão térmica pode fazer as aletas flutuarem ou descolar, especialmente se for tentado um retrabalho com solda manual. A via âncora atua como tanto dissipador de calor quanto rebite. Embora alguns designs de densidade ultra-alta possam ter dificuldades em acomodar essas âncoras, omiti-las convida a falhas em campo. Se a aleta levantar, não há reparo; o módulo é descarte.

Acabamento de Superfície como Variável de Planitude

A geometria do corte é metade da batalha; a topografia da aleta é a outra. Quando um módulo é colocado sobre uma placa carregadora, ele deve ficar perfeitamente plano. Qualquer desvio transforma o módulo em um balanço, levando a juntas abertas de um lado e pasta esmagada do outro.

Levelamento de Solda com ar quente (HASL) é basicamente inadequado para bordas castelladas. O processo HASL envolve imergir o painel em solda derretida e soprando com facas de ar quente. Em um orifício meia-cortado, isso tende a deixar uma bola de solda irregular e inchada na borda. Quando a fresadora passa depois para cortar a placa, essa bola de estanho/lead (ou liga sem chumbo) se espalha e rasga de forma diferente do cobre mais duro. Mais importante, ela cria uma superfície não planar.

Nickel Seminiciado com Ouro por Imersão (ENIG) é o padrão obrigatório para essas aplicações. A camada de barreira de níquel oferece uma superfície mais dura que corta mais limpa do que solda macia, e o ouro por imersão garante uma superfície perfeitamente plana e coplanar para o processo SMT. Embora o HASL seja mais barato, a taxa de rejeição devido à má planicidade e rasgaduras com a fresadora anula as economias instantaneamente.

Comunicação de Intenção: O Firewall da Nota de Fabricação

O erro mais comum no design de castelletas é o silêncio. Se os arquivos Gerber contêm um contorno de placa passando por uma linha de orifícios revestidos, mas as notas de fabricação não dizem nada, o engenheiro de CAM na fábrica tem que adivinhar. Em uma loja de alto volume de Tier 1, scripts automatizados podem sinalizar isso. Em uma loja de prototipagem de resposta rápida, o operador pode assumir que é um erro ou, pior, simplesmente executar a rotina padrão de perfil.

Uma nota específica na camada de fabricação é a única barreira contra isso. Ela deve ser explícita. Uma nota padrão pode dizer: "Revestimento de borda (castelletas) presente em J1 e J2. Fornecedora deve usar caminhos adequados de entrada/saída do roteador para evitar rebarba e levantamento de cobre. Os critérios de aceitabilidade IPC-6012 Classe 3 se aplicam às condições de revestimento de borda." Isso obriga o engenheiro de CAM a reconhecer a característica, transferindo a responsabilidade da omissão do projetista para o processo do fabricante.

A Castelleta do 'Trapaceiro'

Há um mito persistente, muitas vezes circulado entre hobbyistas, de que é possível criar castelletas simplesmente colocando uma fila de vias no contorno da placa e omitindo essa informação da fábrica para evitar a sobretaxa. Essa é uma abordagem de 'trapaceiro', e é mecanicamente insustentável.

Quando uma trajetória padrão de roteador corta através de uma via padrão sem as considerações especiais de entrada/saída, a parede de revestimento quase certamente colapsará ou rasgará. A integridade estrutural de um orifício revestido depende de ele ser um cilindro contínuo. Assim que você corta esse cilindro ao meio sem precaução, o meio cilindro restante perde sua resistência de anel. Sem etapas de processo específicas para suportar essa parede remanescente, a castelleta do 'trapaceiro' resulta em uma borda frágil e irregular que pode nem mesmo aceitar solda. É uma falsa economia.

Hardware confiável não espera que a máquina ignore a física; ela sobrevive por design. Fixe as aletas, especifique o acabamento e escreva a nota. A broca do roteador não se importa com seu prazo, mas ela respeitará sua geometria.