التآكل غير المرئي: لماذا يفشل ENIG على موصلات الحافة

عادةً ما تقع الفشل في كومة RMA مكت disguise على أنه عطل برمجيات. مفتاح أمان USB يتوقف عن التحقق من الأصالة بعد بضعة أسابيع. بطاقة PCIe في رف الخادم تفقد الاتصال بشكل متقطع، مما يتسبب في حدوث بكاء نواة. يقضي فريق البرمجيات أسابيع في تصحيح أخطاء برامج التشغيل، لكن السبب الجذري ليس الكود. إنه مرئي فقط تحت تكبير 20 مرة.

إذا قمت بالتكبير على موصل الحافة لتلك اللوحات الفاشلة، فإن القصة عنيفة. لم يتآكل الطلاء الذهبي فقط؛ لقد أُجريت عليه قطع بالكامل. يبقى شيء من أكسيد النيكل الأسود و النحاس المكشوف. ارتفعت مقاومة التلامس من 30 مللي أوم على نحو قابل للإدارة إلى دائرة مفتوحة.

هذه ليست عيب تصنيعي بالمعنى التقليدي. تم بناء اللوحة تمامًا وفقًا للمخطط. حدث الفشل في برنامج التصميم، في اللحظة التي تم فيها تطبيق المواصفات المبسطة لـ 'ذهب الطلاء' على موصل مصمم ليستمر في تحمل القسوة الفيزيائية للإدخال.

الفيزياء مقابل كتيبات التسويق

هناك اعتقاد سائد في دائرة الشراء والهندسة المبتدئة بأن 'الذهب هو الذهب'. إذا قال ورقة البيانات إن الطلاء ذهبي ويقوم بتوصيل الكهرباء، فإن الافتراض هو أنه يعمل للموصل. هذا الاعتقاد مكلف لأنه يتجاهل علم المادة الأساسي للمعدن. الذهب النقي ناعم للغاية. في عالم علم المعادن، نقيس هذا النعومة بمقياس صلابة فيكرز (HV).

الذهب النقي غير المغلف برقائق النيكل (ENIG)، هو التشطيب القياسي لمعظم اللوحات الحديثة ذات التركيب السطحي، وهو تقريبًا ذهب نقي. عادةً ما يتراوح بين 60 و 90 HV. إنه ناعم لدرجة أن الظفر يمكن أن يترك علامة عليه. عند إدخال لوحة مطلية بـ ENIG في موصل مطابق، فإن المعادن داخل ذلك الموصل تتصرف مثل المحاريث الصلبة التي تحفر في سطح الذهب الناعم. خلال 10 إلى 20 دورة إدخال، يختفى الذهب. لقد قمت بصقل التشطيب وأصبحت الآن تتصل دبابيس الموصل مباشرة مع النيكل تحتها. يتأكسد النيكل بسرعة عند تعرضه للهواء، مما يخلق طبقة سوداء مقاومة تقتل الإشارة.

لتحمل قوى القص عند الإدخال، لا يمكنك استخدام الذهب النقي. تحتاج إلى 'الذهب الصلب'، والمعروف تقنيًا باسم نيكل الذهب الكهربائي. هو سبيكة، عادةً مضاف إليها كميات صغيرة من الكوبالت أو أحيانًا النيكل، يغير بشكل أساسي الهيكل البلوري للترسيب. يسجل الذهب الصلب بين 130 و 200 HV على مقياس فيكرز. لا يحفر؛ بل ينزلق. تم تصميمه ليبقى لآلاف، وأحيانًا مئات الآلاف من دورات التوصيل دون أن يكشف المعدن الأساسي.

نرى غالبًا البائعين أو مصانع التصنيع يقترحون 'ENIG سميك' كحل وسط — فقط ترك اللوحة في حمام الانغماس لفترة أطول لبناء طبقة أنقى من الذهب. هذه فخ. على الرغم من أنها قد تؤخر التآكل لبضع دورات، إلا أنها تٌدخل خطرًا جديدًا: 'وسادة سوداء'، وهي ظاهرة كسر هشة يسببها تآكل طبقة النيكل خلال عملية الانغماس الممتدة. علاوة على ذلك، لا تزال تحارب الفيزياء باستخدام مادة خاطئة. طبقة أكثر سماكة من الزبدة الناعمة لا تزال زبدة؛ فهي لن تقاوم السكين.

قيد التصنيع: قضبان الربط

إذا كان الذهب الصلب هو الخيار الأفضل للمواصلات، لماذا لا يكون الافتراضي لجميع اللوحات؟ الجواب يكمن في عملية التصنيع. ENIG هي عملية كيميائية؛ تغمس اللوحة في حوض، ويتفاعل هناك في كل مكان يتعرض فيه النحاس. إنها أنيقة، مسطحة، ولا تتطلب اتصالات خارجية.

الذهب الصلب كهربائيي. يتطلب تيارًا كهربائيًا نشطًا لدفع أيونات الذهب إلى السطح. للحصول على هذا التيار إلى أصابع الموصلات الحافة أثناء التصنيع، يجب على مصمم اللوحة تضمين "قضبان ربط" أو "خطوط الحافلة" — مسارات تربط فعليًا أصابع الذهب باعتبارها حافة اللوحة. تحمل هذه المسارات التيار خلال حمام الطلاء.

بعد الانتهاء من الطلاء، يتم قطع اللوحة من اللوح، ويتم قطع تلك القضبان. غالبًا ما يمكنك رؤية بقاياه إذا نظرت عن كثب إلى طرف أصبع الذهب — بقعة صغيرة من النحاس المكشوف حيث تم قطع الاتصال. هذا المطلب يفرض قيودًا على التصميم. لا يمكنك بسهولة وجود جزر من الذهب الصلب "عائمة" في وسط لوحة. كما أن العملية تكون إضافية من حيث العمل والخطوات. يجب على مصنع التصنيع إجراء عملية تغطية منفصلة لتغطية باقي اللوحة، وطلاء الأصابع، ثم إكمال الباقي.

هذا يؤدي إلى نقطة احتكاك شائعة في التسعير. يرى مدير الشراء عنصر الإدخال الخاص بـ "أصابع الذهب الصلب" ويضيف 5-10% إلى تكلفة اللوحة، ويسأل، "ألا يمكننا استخدام نفس الطلاء لبقية اللوحة؟" أو بالعكس، يطلب طلاء كامل اللوحة بالذهب الصلب لتسهيل العملية. وهذا أمر خطير أيضًا. الكوبالت الذي يجعل الذهب الصلب متينًا يجعله سيئًا لللحام. الوصلات اللحامية على الذهب الصلب هشة ومعرضة للفشل. القاعدة صارمة: ENIG (أو OSP/فضة غمر) للمكونات، الذهب الصلب للموصل. لا تخلط بينهما أبدًا. كامل لوح في الذهب الصعب لتبسيط العملية. هذا خطر بالمثل. الكوبالت الذي يجعل الذهب الصعب متينًا يجعله فظيعًا للحام. روابط اللحام على الذهب الصعب هشة وعرضة للفشل. القاعدة صارمة: ENIG (أو OSP / الفضة المغمورة) للمكونات، الذهب الصعب للموصل. لا تخلط بينهم أبدًا.

حساب الاستدعاء

قرار التخلي عن الذهب الصلب غالبًا ما يكون ماليًا. في عملية تصنيع نموذج أولي من 50 لوحة، قد يضيف رسوم الإعداد للذهب الصلب $200. وفي عملية إنتاج من 10,000 وحدة، قد يضيف $0.40 لكل لوحة. في الجدول، يبدو أن توفير $4,000 هو فوز.

لكن الاعتمادية مقياس اقتصادي بقدر ما هي مقياس هندسي. علينا أن نوازن بين $0.40 وتكاليف الفشل. إذا كانت الجهاز حساس يمكن التخلص منه يُركب مرة واحدة أثناء التجميع ولا يُلمس مرة أخرى، فإن ENIG مقبول تقنيًا. عدد الإدخالات هو واحد. المخاطرة منخفضة.

لكن إذا كان الجهاز هو وحدة USB، أو بطاقة ذاكرة، أو لوحة ابنة معيارية، فإن المستخدم سيقوم بتوصيله. سينفصل عنها. سيرميه في حقيبة ويقوم بتوصيله مرة أخرى. إذا فشل هذا الموصل بعد ستة أشهر، فإن التكلفة ليست $0.40. التكاليف هي شحن العودة، وعملية تحليل الفشل، والوحدة البديلة، وتضرر السمعة.

قمنا بتحليل حالة تتعلق بمتحكم RAID مخصص حيث وفر البائع حوالي $1.20 لكل لوحة باستخدام ENIG على موصل حافة PCIe. بدأ الموصلات في التأكسد في الميدان، مما زاد المقاومة. الحرارة الناتجة عن تلك المقاومة لم تتسبب فقط في تلف البطاقة؛ بل ذابت البلاستيك على فتحات PCIe في اللوحات الأم المستضيفة. أدى "التوفير" في الطلاء إلى متطلبات استبدال 200 لوحة خادم يدوياً. كانت العائد على الاستثمار من هذا القرار كارثيًا.

هندسة الإدخال

حتى مع المعدنية الصحيحة، فإن الشكل الفيزيائي لحدة اللوحة يمكن أن يدمر موصلًا. اللوحة المطبوعة القياسية تتم مسحها بواسطة قطعة طحن، مما يترك حافة حادة بزاوية 90 درجة. إذا دفعت لوحة بسمك 1.6 مم بحافة حادة بزاوية 90 درجة في موصل، فأنت تستخدم بشكل أساسي مقصلة على دبابيس الموصل.

هنا يصبح تحديد "الميل" أو "المدبب" أمرًا حاسمًا. يتطلب موصل الحافة الصحيح أن تكون حافة اللوحة مائلة، عادة إلى 20 أو 30 درجة. تسمح هذه المنحدر لدبابيس الموصل بالانزلاق فوق مناطق الذهب بسلاسة بدلاً من الاصطدام بالحافة الأمامية للألياف الزجاجية.

من الشائع أن نرى تصاميم تحدد "الذهب الصلب، 30 ميكروإنش" لكن ننسى تحديد الميل. والنتيجة لوحة كيميائيًا مثالية لكنها مدمرة ميكانيكيًا. تتعثر دبابيس الموصل على الألياف الزجاجية، تنحني، أو تخدش بقوة ضد الحافة الأمامية للذهب، مما يآكل السطح قبل توصيل الجهاز تمامًا. إذا لم يسألك مصنع التصنيع عن زاوية الميل عند تقديم تصميم بأصابع الحافة، فإنهم يتركونك تسير في فخ.

المواصفة النهائية

عندما توافق على BOM، أنت لا تشتري أجزاء فقط؛ أنت تشتري الاحتمالية. لضمان أن تظل احتمالية فشل الاتصال قريبة من الصفر، يجب أن يكون المواصفات على رسم التصنيع واضحة. لا تعتمد على الإعدادات الافتراضية للبائع.

1. حدد المادة: اطلب بشكل واضح “ذهب إلكتروليتي قوي” أو “سبيكة الذهب/الكوبالوت”.
2. حدد السماكة: “الذهب السريع” هو مصطلح تسويقي، وليس مواصفة. للموصلات الحافة القياسية (PCIe، USB، ISA)، المعيار الصناعي (IPC-6012 Class 2/3) يتطلب عادة حد أدنى من 30 ميكرون (تقريبًا 0.76 ميكرون). أي أقل من 15 ميكرون هو فعليًا عداد تآكل.
3. حدد الشكل الهندسي: اشترِ تحديد حافة ممشطة بزاوية 20-30 درجة على الحافة المتطابقة.

لا يوجد تصحيح برمجي للاتصال البالي. بمجرد زوال الذهب، يكون الجهاز قد مات. النقود الإضافية التي تنفق على الطلاء الصحيح هي أرخص بوليصة تأمين ستشتريها على الإطلاق.