El desgaste invisible: por qué ENIG falla en conectores de borde

La falla generalmente termina en la pila RMA disfrazada de un “fallo de software.” Una llave de seguridad USB deja de autenticar después de unas semanas. Una tarjeta PCIe en un rack de servidor pierde conexión intermitentemente, provocando un pánico del kernel. El equipo de software pasa semanas depurando controladores, pero la causa raíz no es el código. Solo es visible bajo una magnificación de 20x.

Si acercas el conector de borde de esas placas fallidas, la historia es violenta. El recubrimiento de oro no solo se ha desgastado; ha sido cortado completamente. Lo que queda es una mancha de óxido de níquel negro y cobre expuesto. La resistencia de contacto se ha disparado de unos manejables 30 miliohmios a un circuito abierto.

Esto no es un defecto de fabricación en el sentido tradicional. La placa fue construida exactamente según el plano. La falla ocurrió en el software de diseño, en el momento en que se aplicó una especificación simplificada de "Recubrimiento en oro" a un conector destinado a soportar la brutalidad física de la inserción.

Folletos de física vs. marketing

Existe una idea errónea generalizada en los círculos de compras e ingeniería junior de que "el oro es oro". Si la hoja de datos dice que el acabado es oro y conduce electricidad, la suposición es que funciona para un conector. Esta creencia es costosa porque ignora la ciencia fundamental del material del metal. El oro puro es increíblemente suave. En el mundo de la metallurgia, medimos esta suavidad en la escala de dureza Vickers (HV).

El Níquel sin electrorrecubrimiento en Inmersión de Oro (ENIG), el acabado estándar para la mayoría de las placas de montaje superficial modernas, es casi oro puro. Generalmente oscila entre 60 y 90 HV. Es lo suficientemente suave como para que una uña deje una marca. Cuando deslizas una placa recubierta de ENIG en un conector de acoplamiento, los resortes metálicos dentro de ese conector actúan como arados de acero endurecido cavando en la superficie suave de oro. En 10 a 20 ciclos de inserción, el oro desaparece. Has desgastado el acabado y ahora estás acoplando los pines del conector directamente contra el niquel subyacente. El níquel se oxida rápidamente cuando está expuesto al aire, formando esa capa negra y resistiva que elimina la señal.

Para soportar las fuerzas de cizalladura durante la inserción, no puedes usar oro puro. Necesitas "Oro Duro", técnicamente conocido como Níquel de Electrodo por Electrólisis. Es una aleación, generalmente dopada con pequeñas cantidades de Cobalto o, a veces, Níquel, que altera fundamentalmente la estructura cristalina del depósito. El Oro Duro registra entre 130 y 200 HV en la escala Vickers. No arado; resbala. Está diseñado para soportar cientos, a veces miles, de ciclos de acoplamiento sin exponer el metal base.

A menudo vemos que los proveedores o las casas de fabricación sugieren "ENIG grueso" como una solución intermedia, simplemente dejando la placa en el baño de inmersión por más tiempo para construir una capa más gruesa de oro puro. Esto es una trampa. Aunque puede retrasar el desgaste por unos ciclos, introduce un nuevo riesgo: "Pad negro", un fenómeno de fractura frágil causado por la corrosión de la capa de níquel durante el proceso de inmersión extendido. Además, todavía estás luchando contra la física con el material equivocado. Una capa más gruesa de mantequilla suave sigue siendo mantequilla; no resistirá el cuchillo.

La restricción de fabricación: barras de amarre

Si el Oro Duro es la mejor opción para los conectores, ¿por qué no es la predeterminada para toda la placa? La respuesta se encuentra en el proceso de fabricación. ENIG es un proceso químico; sumerges la placa en un tanque, y la reacción ocurre en todas partes donde el cobre está expuesto. Es elegante, plano y no requiere conexiones externas.

Hard Gold es electrolítico. Requiere una corriente eléctrica activa para mover los iones de oro a la superficie. Para que esa corriente llegue a los dedos del conector en la fabricación, el diseñador de la placa debe incluir "barras de unión" o "líneas de bus"—trazas que conectan físicamente los dedos de oro con el borde del panel de producción. Estas trazas llevan la corriente durante el baño de galvanizado.

Después de que se realiza el galvanizado, la placa se recorta del panel, y esas barras de unión se cortan. A menudo se pueden ver los residuos si se mira de cerca en la punta de un dedo de oro—una pequeña mancha de cobre expuesto donde se cortó la conexión. Este requisito impone restricciones en el diseño. No se puede tener fácilmente islas de oro duro "flotantes" en medio de una placa. También significa que el proceso es aditivo en cuanto a mano de obra y pasos. La fábrica debe realizar un proceso de enmascarado separado para cubrir el resto de la placa, platar los dedos y luego terminar el resto.

Esto conduce a un punto de fricción común en las cotizaciones. Un gerente de compras ve el ítem de línea por "Dedos de oro duro" agregando 5-10% al costo de la placa y pregunta: "¿No podemos simplemente usar el mismo acabado que el resto de la placa?" O, por el contrario, piden platar toda la placa en oro duro para simplificar el proceso. Esto es igualmente peligroso. El cobalto que hace que el oro duro sea duradero lo hace terrible para el soldado. Las juntas de soldadura en oro duro son frágiles y propensas a fallar. La regla es rígida: ENIG (u OSP/Silver Inmerso) para los componentes, oro duro para el conector. Nunca mezclarlos. entero soldar en Hard Gold para simplificar el proceso. Esto es igualmente peligroso. El Cobalto que hace que Hard Gold sea duradero lo vuelve terrible para soldar. Las juntas de soldadura en Hard Gold son frágiles y propensas a fallar. La regla es rígida: ENIG (o OSP/Immersion Silver) para los componentes, Hard Gold para el conector. Nunca mezclarlos.

El cálculo de la memoria

La decisión de omitir el oro duro es casi siempre financiera. En una prueba de prototipo de 50 placas, la tarifa de configuración para oro duro podría sumar $200. En una producción de 10,000 unidades, podría sumar $0.40 por placa. En la hoja de cálculo, ahorrar $4,000 parece una victoria.

Pero la confiabilidad es una métrica económica tanto como ingenieril. Tenemos que comparar ese $0.40 con el costo de la falla. Si el dispositivo es un sensor desechable que se conecta una vez durante el ensamblaje y nunca se vuelve a tocar, ENIG es técnicamente aceptable. La "cantidad de inserciones" es una. El riesgo es bajo.

Pero si el dispositivo es un dongle USB, una tarjeta de memoria o una placa hija modular, el usuario lo conectará. Lo desconectarán. Lo tirarán en una bolsa y lo volverán a conectar. Si ese conector falla después de seis meses, el costo no es $0.40. El costo es el envío de la devolución, la mano de obra del análisis de fallas, la unidad de reemplazo y el daño a la reputación.

Analizamos un caso que involucraba a un controlador RAID personalizado donde el proveedor ahorró aproximadamente $1.20 por placa al usar ENIG en un conector de borde PCIe. Los conectores comenzaron a oxidarse en el campo, aumentando la resistencia. El calor generado por esa resistencia no solo falló la tarjeta; derritió las ranuras PCIe de plástico en las placas principales del host. El "ahorro" en galvanizado resultó en un requisito para reemplazar manualmente 200 placas base de servidores. El retorno de inversión en esa decisión fue catastrófico.

La geometría de la inserción

Incluso con la metalurgia correcta, la forma física del borde de la placa puede destruir un conector. Una PCB estándar se mecaniza con una fresa, dejando un borde afilado de 90 grados. Si fuerzas una placa de 1.6 mm de grosor con un borde afilado de 90 grados en un conector, en realidad estás usando una guillotina en los pines del conector.

Aquí es donde se vuelve crítico la especificación de "Chaflán" o "Bisel". Un conector de borde adecuado requiere que el borde de la PCB esté inclinado, típicamente a 20 o 30 grados. Esta rampa permite que los pines del conector se suban suavemente a las almohadillas de oro en lugar de chocar con el borde delantero de la fibra de vidrio.

Es común ver diseños que especifican "Oro duro, 30 micro pulgadas" pero olvidan especificar el chaflán. El resultado es una placa que es químicamente perfecta pero mecánicamente destructiva. Los pines del conector se enganchan en la fibra de vidrio, se doblan o raspan violentamente contra el borde delantero del oro, desgastando la superficie antes de que incluso esté completamente asentada. Si su fábrica no le pregunta sobre el ángulo del bisel cuando presenta un diseño con dedos en el borde, le están dejando entrar en una trampa.

La especificación final

Cuando apruebas un BOM, no solo estás comprando partes; estás comprando probabilidad. Para asegurar que la probabilidad de fallo de conexión permanezca cerca de cero, la especificación en el dibujo de fabricación debe ser explícita. No confíes en la configuración predeterminada del proveedor.

1. Especificar el material: Solicitar explícitamente “Oro Electroquímico Duro” o “Aleación de Oro/Cobalto.”
2. Especificar el grosor: “Oro flash” es un término de marketing, no una especificación. Para conectores de borde estándar (PCIe, USB, ISA), el estándar de la industria (IPC-6012 Clase 2/3) normalmente exige un mínimo de 30 micro pulgadas (aprox 0.76 micrones). Cualquier cosa menor a 15 micro pulgadas es efectivamente un temporizador de desgaste.
3. Especificar la geometría: Indicar un chaflán de 20-30 grados en el borde de acoplamiento.

No hay parche de software para un contacto desgastado. Una vez que el oro se acaba, el dispositivo muere. Los centavos extra gastados en el depósitos correcto son la póliza de seguro más barata que comprará.