L'abrasion invisible : pourquoi l'ENIG échoue sur les connecteurs de bord

L'échec aboutit généralement dans le tas RMA déguisé en une « erreur logicielle ». Une clé USB de sécurité cesse de s'authentifier après quelques semaines. Une carte PCIe dans un rack de serveur se déconnecte de l'bus par intermittence, provoquant un panic noyau. L'équipe logiciel passe des semaines à déboguer les pilotes, mais la cause profonde n'est pas le code. Elle n'est visible qu'au microscope 20x.

Si vous zoomez sur le connecteur de bord de ces cartes défectueuses, l'histoire est violente. Le plaquage en or ne s'est pas simplement usé ; il a été totalement arraché. Ce qui reste est une trace de noir de nickel oxydé et de cuivre exposé. La résistance de contact a explosé, passant de 30 milliohms gérables à un circuit ouvert.

Ce n'est pas un défaut de fabrication au sens traditionnel. La carte a été construite exactement selon le plan. La défaillance s'est produite dans le logiciel de conception, au moment où une spécification simplifiée de « plaquage en or » a été appliquée à un connecteur destiné à résister à la brutalité physique de l'insertion.

Physique contre Brochures Marketing

Il existe une idée fausse répandue dans les cercles d'approvisionnement et de jeunes ingénieurs que « l'or est l'or ». Si la fiche technique indique que la finition est en or et qu'elle conduit l'électricité, on suppose qu'elle fonctionne pour un connecteur. Cette croyance est coûteuse car elle ignore la science fondamentale du matériau du métal. L'or pur est incroyablement doux. Dans le monde de la métallurgie, nous mesurons cette douceur à l'échelle de dureté Vickers (HV).

L'or immersion en nickel électroless (ENIG), la finition standard pour la plupart des cartes à montage en surface modernes, est presque pur or. Elle affiche généralement entre 60 et 90 HV. Elle est suffisamment douce pour qu'une ongle laisse une marque dessus. Lorsque vous insérez une carte plaquée ENIG dans un connecteur mâle, les ressorts métalliques à l'intérieur agissent comme des charrues en acier trempé creusant la surface en or douce. En 10 à 20 cycles d'insertion, l'or est épuisé. Vous avez usé la finition et faites maintenant que les broches du connecteur entrent directement en contact avec le nickel sous-jacent. Le nickel s'oxyde rapidement à l'air, créant cette couche noire résistive qui tue le signal.

Pour résister aux forces de cisaillement lors de l'insertion, vous ne pouvez pas utiliser de l'or pur. Vous avez besoin de « Gold Dur » (Or Dur), connu techniquement sous le nom de Nickel Électrolytique Or. Il s'agit d'un alliage, généralement dopé avec de petites quantités de Cobalt ou parfois de Nickel, qui modifie fondamentalement la structure cristalline du dépôt. L'or dur affiche entre 130 et 200 HV sur l'échelle de Vickers. Il ne laboure pas ; il glisse. Il est conçu pour survivre à des centaines, parfois des milliers, de cycles d'appariement sans exposer le métal de base.

Nous voyons souvent des fournisseurs ou des usines suggérer « ENIG épais » comme une solution intermédiaire — en laissant simplement la carte dans le bain d'immersion plus longtemps pour construire une couche plus épaisse d'or pur. C'est un piège. Bien que cela puisse retarder l'usure de quelques cycles, cela introduit un nouveau risque : « Black Pad », un phénomène de fracture fragile causé par la corrosion de la couche de nickel durant le processus d'immersion prolongée. De plus, vous combattez encore la physique avec le mauvais matériau. Une couche plus épaisse de beurre mou reste du beurre ; elle ne résistera pas au couteau.

La contrainte de fabrication : Barres de liaison

Si l’or dur est le choix supérieur pour les connecteurs, pourquoi n'est-il pas par défaut pour toute la carte ? La réponse réside dans le processus de fabrication. L'ENIG est un procédé chimique ; vous plongez la carte dans un réservoir, et la réaction se produit partout où le cuivre est exposé. C'est élégant, plat, et aucune connexion externe n'est nécessaire.

L'or dur est électrolytique. Il nécessite un courant électrique actif pour faire migrer les ions d'or vers la surface. Pour faire passer ce courant aux doigts de connecteur en bordure lors de la fabrication, le concepteur de la carte doit inclure des « barres de liaison » ou des « lignes de bus » — des pistes qui relient physiquement les doigts en or au bord du panneau de production. Ces pistes transportent le courant pendant la baignade de plaquage.

Une fois le plaquage terminé, la carte est découpée du panneau, et ces barres de liaison sont coupées. Vous pouvez souvent en voir les restes si vous regardez attentivement la toute pointe d'un doigt en or — une petite tache de cuivre exposé où la connexion a été tranchée. Cette exigence impose des contraintes sur la mise en page. Il n'est pas facile d'avoir des îlots d'or dur « flottants » au milieu d'une carte. Cela signifie aussi que le processus est additif en termes de travail et d'étapes. La fabrique doit effectuer un processus de masquage séparé pour couvrir le reste de la carte, plaquer les doigts, puis finir le reste.

Cela mène à un point de friction commun dans la tarification. Un responsable des achats voit la ligne pour « Fingers d'or dur » ajoutant 5-10% au coût de la carte et demande : « Ne pouvons-nous pas simplement utiliser la finition du reste de la carte ? » Ou inversement, ils demandent de plaquer la entière carte en or dur pour simplifier le processus. C'est tout aussi risqué. Le cobalt qui rend l'or dur durable le rend terrible pour la soudure. Les joints de soudure sur l'or dur sont cassants et sujets à la défaillance. La règle est rigide : ENIG (ou OSP/Argent d'immersion) pour les composants, or dur pour le connecteur. Ne jamais les mélanger.

Le calcul de la mémoire

La décision de sauter l'or dur est presque toujours financière. Sur une série de prototypes de 50 cartes, les frais d'installation pour l'or dur pourraient ajouter $200. Sur une série de 10 000 unités, cela pourrait ajouter $0,40 par carte. Dans la feuille de calcul, économiser $4 000 ressemble à une victoire.

Mais la fiabilité est une métrique économique autant qu'une métrique d'ingénierie. Nous devons peser ces $0,40 contre le coût de la défaillance. Si le dispositif est un capteur jetable qui est branché une fois lors de l'assemblage et jamais touché à nouveau, l'ENIG est techniquement acceptable. Le « nombre d'insertion » est un. Le risque est faible.

Mais si le dispositif est un dongle USB, une carte mémoire ou une carte fille modulaire, l'utilisateur va le brancher. Il le débranchera. Il le jettera dans un sac et le rebranchera. Si ce connecteur échoue après six mois, le coût n'est pas de $0,40. Le coût est celui de l'expédition du retour, du travail d'analyse de défaillance, de l'unité de remplacement et du dommage à la réputation.

Nous avons analysé un cas impliquant un contrôleur RAID personnalisé où le fournisseur a économisé environ $1,20 par carte en utilisant l'ENIG sur un connecteur PCIe en bordure. Les connecteurs ont commencé à s'oxyder sur le terrain, augmentant la résistance. La chaleur générée par cette résistance n'a pas seulement endommagé la carte ; elle a fondu les slots PCIe en plastique sur les cartes mères hôtes. Les « économies » sur le plaquage ont entraîné la nécessité de remplacer manuellement 200 cartes mères de serveur. Le retour sur investissement de cette décision a été catastrophique.

La géométrie de l'insertion

Même avec la métallurgie correcte, la forme physique du bord de la carte peut endommager un connecteur. Un PCB standard est usiné avec une fraise, laissant un bord aigu à 90 degrés. Si vous forcez une carte de 1,6 mm d'épaisseur avec un bord aigu à 90 degrés dans un connecteur, vous utilisez essentiellement une guillotine sur les broches du connecteur.

C'est ici que la spécification « Chanfrein » ou « Biseau » devient critique. Un connecteur de bord approprié exige que le bord du PCB soit incliné, généralement à 20 ou 30 degrés. Cette pente permet aux broches du connecteur de monter en douceur sur les pads en or plutôt que de heurter le bord d'attaque du fibre de verre.

Il est courant de voir des conceptions qui spécifient « Or dur, 30 micro-inches » mais oublient de préciser le chanfrein. Le résultat est une carte chimiquement parfaite mais mécaniquement destructrice. Les broches du connecteur accrochent sur le fibre de verre, se plient ou éraflent violemment contre le bord d'attaque de l'or, usant prématurément la surface avant que l'appareil ne soit complètement inséré. Si votre fab ne vous demande pas l'angle du biseau lorsque vous soumettez une conception avec des doigts en bordure, il vous laisse tomber dans un piège.

La spécification finale

Lorsque vous validez un BOM, vous n'achetez pas seulement des pièces ; vous achetez une probabilité. Pour garantir que la probabilité de défaillance de connexion reste proche de zéro, la spécification sur le dessin de fabrication doit être explicite. Ne vous fiez pas à la valeur par défaut du fournisseur.

1. Spécifier le matériau : Demandez explicitement de l’« Or électrolytique dur » ou un « Alliage d’or/cobalt. »
2. Spécifier l’épaisseur : « Or flash » est un terme marketing, pas une spécification. Pour les connecteurs de bord standard (PCIe, USB, ISA), la norme industrie (IPC-6012 Classe 2/3) exige généralement un minimum de 30 micro-inches (environ 0,76 microns). Tout moins de 15 micro-inches est en réalité un minuteur d’usure.
3. Spécifier la géométrie : Indiquer un chanfrein de 20-30 degrés sur le bord de contact.

Il n’existe pas de correctif logiciel pour un contact usé. Une fois que l’or est perdu, le dispositif est hors service. Les quelques cents supplémentaires dépensés pour le platine correct constituent la police d’assurance la plus économique que vous achèterez jamais.