Механика чистого края: руководство по надежным каттелированным соединениям

Разница между функциональным модулем и бракованным прототипом часто сводится к микроскопическому краю платы. Когда поступают дочерние платы, первый этап проверки не должен быть тестом на замыкание; он должен быть визуальной проверкой под лупой 30x. Если покрытие края выглядит так, будто его разгрызло dull-денное животное, плата уже повреждена. «Зазор» в этом контексте — не просто косметический дефект. Это структурная опасность — осколок меди, оторванный от подложки, ожидающий соединения двух площадок или полного отрыва во время переплавки.

Этот режим отказа редко является результатом «невезения» или «плохой партии» ламинирования. Почти всегда это связано с неправильной геометрией и инструкциями. Проектировщики часто предполагают, что расположение герметика на контуре платы в их CAD-программе — будь то Altium, KiCad или Eagle — достаточно для создания фрезеровки. Но это не так. В то время как на экране CAD отображается идеальный половинку окружности, на производстве реальность включает высокоскоростной режущий фрезер из быстрорежущей стали, создающий значительный крутящий момент по тонкому слою меди, почти приклеенной к стекловолокну. Если медь не закреплена механически или если фреза войдет под неверным углом, покрытие порвется.

Это разрывание вызывает мостики из припоя во время сборки. Если край неровный, паяльная паста может по нему растекаться, соединяя соседние площадки, предназначенные оставаться изолированными. Решение механического разреза решает и электрическую короткую связь.

Физика слезы

Чтобы спроектировать надежную фрезеровку, необходимо визуализировать путь инструмента. Стандартная фреза для печатных плат — часто диаметром 2.0 мм или 2.4 мм — вращается примерно со скоростью 40 000 об/мин. Когда она движется вдоль кромки панели для разрезания платы, она обрабатывает состав из эпоксидной смолы, стекловолокна и меди. Направление вращения имеет огромное значение.

Если фреза вращается по часовой стрелке и путь инструмента движется так, что режущая кромка попадает в ламинирование до медь, основа поддерживает фольгу. Фреза прорезает медь против твердой стены FR-4. Однако, если путь реверсировать или если фреза войдет в фрезеровку со «внутри» отверстия, толкающего наружу, за спиной покрытия не будет поддержки. Фреза зацепит край и потянет его. Поскольку адгезионная прочность медной фольги к FR-4有限 (обычно около 1,4 Н/мм для стандартных материалов), крутящий момент легко превосходит прочность сцепления. В результате поднимается площадка, болтающаяся на ветру, или зазубрина вдавливается в сторону платы.

Этот специальный режим обработки — причина, по которой фабрики взимают «сбор за фрезеровку». Они не грабят ради этого; зачастую они используют совершенно другую CNC-программу. Вместо постоянного профиля, они должны применять последовательность «погружения и фрезеровки» или определенную стратегию входа/выхода для каждого отверстия, чтобы всегда прижать медь в на плату, а не с нее. Если ваш расчет пришел без такого сбора, будьте насторожены. Обычно это означает, что они собираются выполнить стандартный профиль, и результат будет неуправляемым мешком.

Императив якоря

Полагаясь исключительно на химическую связку медной фольги — это азарт, который профессиональные инженеры не должны предпринимать. Адгезионный слой между медью и диэлектриком — самое слабое звено в слоистой структуре. Чтобы предотвратить подъем площадки, дизайн должен ввести механическую блокировку — анкеровку.

Самый эффективный метод использует вертикальную структуру самой печатной платы. Площадка с фестонами должна содержать не только верхний и нижний медные слои, но и быть скреплена специальными сверловками. Размещение одной или двух небольших сверловок (0,3 мм — стандартный размер механической дрели) рядом с внутренним краем площадки — фактически "за" линией разреза — обеспечивает соединение верхнего и нижнего слоёв через ядро. Даже если фреза при маршрутизации создаст достаточно сил для расслаивания края площадки, разрыв не сможет пройти через эти анкеры. Медь механически зафиксирована внутри структуры.

Эти анкеры выполняют двойную функцию. Во время вторичной пайки — когда модуль припаивается к основной плате — тепловая нагрузка на крайние площадки очень велика. Без анкеров несовпадение теплового расширения может привести к плаваю или отклеиванию площадок, особенно при ручной пайке или ремонте. Анкер служит одновременно тепловым радиатором и заклёпкой. Хотя некоторые ультравысокоплотные конструкции могут испытывать трудности с размещением этих анкеров, их пропуск приглашает к отказам в поле. Если площадка поднимается, ремонт невозможен — модуль становится бракованным.

Обработка поверхности как переменная плоскостности

Геометрия разреза — это половина победы; топография площадки — другая. Когда модуль размещается на носителе, он должен сидеть идеально плоско. Любое отклонение превращает модуль в маятник, вызывающий разрывы соединений с одной стороны и разрушенную пасту с другой.

Тискировка горячим воздухом (HASL) по сути непригодна для офсетных краёв. Процесс HASL включает погружение панели в расплавленный припой и его сдувание горячим воздухом. На полуразрезных отверстиях это обычно оставляет выпуклый, неровный комок припоя у края. Когда фреза позже прорезает плату, этот комок мягкого олова/свинца (или бессвинцового сплава) лепится и рвется по-другому, чем более твердая медь. Более того, он создает неровную поверхность.

Электролессный никелевый слой с покрытием золотом (ENIG) является обязательным стандартом для таких применений. Никелевый барьерный слой обеспечивает более жесткую поверхность, которая срезает аккуратнее мягкого припоя, а погружение золота гарантирует идеально плоскую, копрланарную поверхность для процесса SMT. Хотя HASL дешевле, уровень брака из-за плохой геометрии и смазанных при маршрутизации поверхностей немедленно нивелирует экономию.

Передача намерений: файрвол заметок fab

Наиболее распространенной ошибкой при проектировании фестонов является отсутствие комментариев. Если файлы Gerber содержат контур платы, проходящий через ряд медных отверстий, но в технологической документации об этом ничего не говорится, инженер CAM на фабрике должен угадывать. В высокопроизводительном цехе Tier 1 автоматические скрипты могут отметить это. В быстро изготавливаемых прототипах оператор может предположить, что это ошибка или, хуже того, просто запустить стандартный профиль.

Единственной защитой от этого является конкретная заметка на слой технологической информации. Она должна быть явной. Стандартная заметка может выглядеть так: "Обкладка краев (фестоны), присутствующая на J1 и J2. Поставщик должен использовать соответствующие маршруты входа/выхода фрезы, чтобы избегать заусенцев и подъемов меди. Критерии приемки IPC-6012 класса 3 применимы к условиям обкладки краев." Это вынуждает инженера CAM признать характеристику, переводя ответственность с пропуска дизайна на производственный процесс.

"Обманутый" фестон

Существует устойчивый миф, часто распространяемый среди любителей, что можно создать фестоны, просто разместив ряд сверловок по контуру платы и скрыв эту информацию в технологической документации, чтобы избежать дополнительной платы. Это "хитрый" подход, и он механически недопустим.

Когда стандартная фреза проходит через стандартное сверло без специальных мер входа и выхода, стенка покрытия почти наверняка разрушится или вырвется. Механическая прочность сверленного отверстия основана на его непрерывности как цилиндра. Если разделить такой цилиндр пополам без предосторожности, оставшаяся половина теряет свою «обертку» прочности. Без специальных технологических шагов для поддержки этой оставшейся стенки "хитрый" фестон приводит к хрупкому, неровному краю, который может даже не принять припой. Это ложная экономия.

Надёжное оборудование не надеется, что машина проигнорирует физику; оно выживает благодаря проекту. Зафиксируйте подкладки, укажите отделку и напишите заметку. Фреза для маршрутизатора не заботится о вашем сроке, но она будет уважать вашу геометрию.