Der unsichtbare Abrieb: Warum ENIG an Randkontakten versagt

Der Fehler landet meistens im RMA-Stapel verkleidet als „Software-Fehler“. Ein USB-Sicherheitsschlüssel authenticationiert nach einigen Wochen nicht mehr. Eine PCIe-Karte in einem Serverrack fällt intermittierend aus dem Bus, was einen Kernel-Panic auslöst. Das Softwareteam verbringt Wochen damit, Treiber zu debuggen, aber die Ursache ist kein Code. Sie ist nur unter 20-facher Vergrößerung sichtbar.

Wenn Sie auf den Randkontaktdosen dieser ausgefallenen Platinen heranzoomen, ist die Geschichte gewalttätig. Die Goldbeschichtung ist nicht nur abgenutzt; sie wurde vollständig abgetrennt. Was übrig bleibt, ist ein Fleck aus schwarzem Nickeloxid und freiliegendem Kupfer. Der Kontaktwiderstand ist von einem handhabbaren 30 Milliohm auf einen offenen Stromkreis gestiegen.

Dies ist kein Fertigungsfehler im herkömmlichen Sinne. Die Platine wurde exakt nach Druck hergestellt. Der Fehler trat in der Design-Software auf, im Moment, als eine vereinfachte „Goldplattierung“-Spezifikation auf einen Stecker angewendet wurde, der den physischen brutalitäten des Einsteckens standhalten sollte.

Physik vs. Marketingbroschüren

In Beschaffungs- und Junioringenieurkreisen besteht ein weitverbreitetes Missverständnis, dass „Gold Gold ist“. Wenn das Datenblatt angibt, dass die Oberfläche gold ist und elektrischen Strom leitet, wird angenommen, dass es für einen Stecker funktioniert. Dieser Glaube ist teuer, weil er die grundlegende Materialwissenschaft des Metalls ignoriert. Reines Gold ist unglaublich weich. In der Metallurgie messen wir diese Weichheit auf der Vickers-Härteskala (HV).

Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG), die Standardbeschichtung für die meisten modernen Oberflächenmontageplatinen, ist nahezu reines Gold. Es liegt typischerweise zwischen 60 und 90 HV. Es ist weich genug, dass ein Fingernagel eine Markierung hinterlassen kann. Wenn Sie eine mit ENIG beschichtete Platine in einen passenden Stecker schieben, wirken die Metallfedern in diesem Stecker wie gehärtete Stahlspaten, die in die weiche Goldoberfläche graben. Innerhalb von 10 bis 20 Einsteckzyklen ist das Gold weg. Sie haben die Beschichtung abgearbeitet und koppeln die Steckerstifte direkt gegen das darunterliegende Nickel. Nickel oxidiert schnell bei Kontakt mit Luft und bildet die schwarze, widerstandsfähige Schicht, die das Signal zerstört.

Um den Scherkraft des Einsteckens standzuhalten, darf man kein reines Gold verwenden. Man benötigt „Hartgold“, technisch bekannt als Elektrolytisches Nickel-Gold. Dies ist eine Legierung, meist mit kleinen Mengen Cobalt oder manchmal Nickel dotiert, die die Kristallstruktur der Ablagerung grundlegend verändert. Hartgold liegt zwischen 130 und 200 HV auf der Vickers-Skala. Es pflügt nicht; es gleitet. Es ist so konzipiert, dass es Hunderte, manchmal Tausende von Steckzyklen ohne Freilegung des Grundmetalls überdauert.

Wir sehen oft Anbieter oder Fertigungsbetriebe, die „dickes ENIG“ als Mittelweg vorschlagen – einfach die Platine länger in das Immersionsbad tauchen, um eine dickere Schicht aus purem Gold aufzubauen. Das ist eine Falle. Während dies das Verschleiß durch eine Reihe von Zyklen verzögern kann, führt es ein neues Risiko ein: „Black Pad“, ein sprödes Bruchphänomen, verursacht durch Korrosion der Nickel-Schicht während des längeren Immersionsprozesses. Außerdem kämpft man immer noch mit der Physik durch das falsche Material. Eine dickere Schicht weicher Butter ist weiterhin Butter; sie wird dem Messer nicht widerstehen.

Die Fertigungsbegrenzung: Tie Bars

Wenn Hartgold die überlegene Wahl für Stecker ist, warum ist es dann nicht die Standardbeschichtung für die gesamte Platine? Die Antwort liegt im Herstellungsprozess. ENIG ist ein chemischer Prozess; man taucht die Platine in einen Tank, und die Reaktion findet überall statt, wo Kupfer exponiert ist. Es ist elegant, flach und erfordert keine externen Verbindungen.

Hartgold ist elektrolytisch. Es benötigt einen aktiven elektrischen Strom, um die Goldionen auf die Oberfläche zu treiben. Damit dieser Strom während der Herstellung an die Federkontakte des Randverbinders gelangt, muss der Platinen-Designer „Tie bars“ oder „Busleitungen“ einbauen – Leiterbahnen, die die Goldkontakte physisch mit dem Rand des Produktionspanels verbinden. Diese Leiterbahnen führen den Strom während des Beschichtungsprozesses.

Nach Abschluss der Beschichtung wird die Platine aus dem Panel herausgefräst, und diese Tie bars werden durchtrennt. Man kann sie oft deutlich an der Spitze eines Goldkontakts erkennen – einen kleinen Kupferfleck, an dem die Verbindung durchtrennt wurde. Diese Anforderung setzt Grenzen für das Layout. Es ist nicht leicht, „schwebende“ Hartgoldinseln in der Mitte einer Platine zu haben. Es bedeutet auch, dass der Prozess in Bezug auf Arbeit und Schritte additiv ist. Die Fertigungsstätte muss einen separaten Maskierungsprozess durchführen, um den Rest der Platine abzudecken, die Kontakte zu beschichten und den Rest fertigzustellen.

Das führt zu einem häufigen Reibungspunkt bei der Angebotserstellung. Ein Einkäufer sieht die Position „Hartgoldkontakte“ und addiert 5-10% zum Platinenpreis und fragt: „Können wir nicht einfach die gleiche Oberflächenbeschichtung wie beim Rest der Platine verwenden?“ Oder umgekehrt, sie bitten, die gesamte Platine mit Hartgold zu beschichten, um den Prozess zu vereinfachen. Das ist ebenso riskant. Das Cobalt, das Hartgold langlebig macht, macht es auch schlecht zum Löten. Lötstellen auf Hartgold sind spröde und neigen zu Ausfällen. Die Regel ist streng: ENIG (oder OSP/Immersionssilber) für die Komponenten, Hartgold für den Kontakt. Niemals mischen. ganz Board in Gold zu vereinfachen. Das ist ebenso gefährlich. Das Cobalt, das Gold in Hartgold langlebig macht, macht es schrecklich zum Löten. Lötnähte auf Hartgold sind spröde und anfällig für Brüche. Die Regel ist strikt: ENIG (oder OSP/Immersionssilber) für die Komponenten, Hartgold für den Stecker. Niemals mischen.

Der Kalkül des Rückrufs

Die Entscheidung, Hartgold auszulassen, ist fast immer finanziell bedingt. Bei einer Prototypenserie von 50 Platinengstücken könnte die Einrichtungsgebühr für Hartgold $200 betragen. Bei einer Produktionsserie von 10.000 Einheiten könnte es $0,40 pro Platine kosten. In der Tabelle sieht das Sparpotenzial von $4.000 wie ein Gewinn aus.

Aber Zuverlässigkeit ist eine Wirtschaftskennzahl genauso wie eine Ingenieurkennzahl. Wir müssen das $0.40 gegen die Kosten des Ausfalls abwägen. Wenn das Gerät ein Einweg-Sensor ist, der während der Montage einmal eingesteckt wird und nie wieder berührt wird, ist ENIG technisch akzeptabel. Die „Einsetzanzahl“ ist eins. Das Risiko ist gering.

Aber wenn das Gerät ein USB-Dongle, eine Speicherkarte oder eine modulare Unterseite ist, wird einstecken. Sie werden es wieder ausstecken. Sie werden es in eine Tasche werfen und wieder einstecken. Wenn dieser Stecker nach sechs Monaten versagt, sind die Kosten nicht $0.40. Die Kosten sind der Versand der Rücksendung, die Arbeitszeit für die Fehleranalyse, das Ersatzgerät und der Reputationsschaden.

Wir haben einen Fall analysiert, bei dem ein kundenspezifischer RAID-Controller etwa $1.20 pro Board eingespart hat, indem ENIG auf einem PCIe-Kantenkontakt verwendet wurde. Die Kontakte begannen im Feld zu oxidieren, was den Widerstand erhöhte. Die durch diesen Widerstand erzeugte Hitze führte nicht nur zum Ausfall der Karte; sie schmolz auch die Kunststoff-PCE-Slots auf den Host-Motherboards. Die „Einsparungen“ bei der Plattierung führten dazu, dass 200 Server-Motherboards manuell ausgetauscht werden mussten. Die Kapitalrendite dieser Entscheidung war katastrophal.

Die Geometrie der Insertion

Selbst mit der richtigen Metallurgie kann die physische Form des Board-Rands eine Verbindung zerstören. Eine Standard-Leiterplatte wird mit einem Fräser abgetragen, wobei eine scharfe 90-Grad-Kante verbleibt. Wenn Sie eine 1,6 mm dicke Leiterplatte mit einer scharfen 90-Grad-Kante in einen Stecker zwingen, verwenden Sie im Grunde genommen eine Guillotine an den Kontaktelementen.

Hier wird die Spezifikation „Chamfer“ oder „Bevel“ entscheidend. Ein ordnungsgemäßer Kantenkontakt erfordert, dass die Kanten der Leiterplatte geneigt sind, typischerweise auf 20 oder 30 Grad. Diese Rampe ermöglicht es den Kontaktelementen, sanft auf die Goldpads zu gleiten, anstatt gegen die führende Kante des Glasfaserverstärkten Kunststoffs zu stoßen.

Es ist üblich, Designs zu sehen, die „Hartgold, 30 Mikron“ angeben, aber vergessen, den Schrägewinkel anzugeben. Das Ergebnis ist eine Leiterplatte, die chemisch perfekt ist, aber mechanisch zerstörerisch wirkt. Die Kontakte des Steckverbinders greifen in das Glasfasergeflecht, biegen sich oder zerkratzen heftig gegen die führende Kante des Golds, wodurch die Oberfläche vor dem vollständigen Einsetzen des Geräts vorverschleißt. Wenn Ihre Fertigungsstätte Sie nicht nach dem Schrägwinkel fragt, wenn Sie ein Design mit Randzungen einreichen, lassen sie Sie in eine Falle tappen.

Die endgültige Spezifikation

Wenn Sie bei einem Stückliste (BOM) freigeben, kaufen Sie nicht nur Teile; Sie kaufen Wahrscheinlichkeit. Damit die Wahrscheinlichkeit eines Verbindungsfehlers nahe null bleibt, muss die Spezifikation auf der Fertigungszeichnung eindeutig sein. Verlassen Sie sich nicht auf die Standardeinstellung des Anbieters.

1. Material spezifizieren: Fordern Sie ausdrücklich „Hart-Elktrolytisches Gold“ oder „Gold/Cobalt-Legierung“ an.
2. Dicke spezifizieren: „Flash Gold“ ist ein Marketingbegriff, kein Spezifikation. Für Standard-Edge-Connectors (PCIe, USB, ISA) verlangt die Branche (IPC-6012 Klasse 2/3) in der Regel mindestens 30 Mikro-Zoll (ca. 0,76 Mikrometer). Weniger als 15 Mikro-Zoll sind im Wesentlichen ein Verschleißtimer.
3. Geometrie spezifizieren: Einen 20-30 Grad Fase an der Kontaktfläche angeben.

Es gibt keinen Software-Patch für einen abgenutzten Kontakt. Sobald das Gold weg ist, ist das Gerät tot. Die zusätzlichen Cent, die Sie für die richtige Beschichtung ausgeben, sind die billigste Versicherungs-Police, die Sie jemals kaufen werden.