अदृश्य ऑक्साइड: क्यों सोना और टिन एक अस्थिर मिश्रण हैं

मशीन रुक जाती है। शायद यह नमी वाली वस्त्र उद्योग में एक हाई-स्पीड इंडस्ट्रियल लूम हो, या एक शांत अस्पताल वार्ड में चिकित्सा निगरानी कार्ट हो। लक्षण सदा एक ही होता है: संकेत का अचानक, अपारदर्शी नुकसान जो संचालन को रोक देता है। तकनीशियन पैनल खोलता है, नियंत्रण बॉक्स पर टैप करता है, और सिस्टम वापस जीवित हो जाता है। इंजीनियर इसे 'सॉफ्टवेयर ग्लिच' या 'मशीन में भूत' के रूप में लॉग करते हैं और आगे बढ़ जाते हैं। वे गलत होते हैं।

यह शायद ही कभी सॉफ्टवेयर होता है। यदि आप उस सर्किट बोर्ड को खींचें और कनेक्टर इंटरफ़ेस को 50x आवर्धन पर स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के तहत रखें, तो भूत एक भौतिक दाग के रूप में प्रकट होगा। यह जंग एक विशिष्ट निर्णय से जन्मी है, जो महीनों पहले लिया गया था: सोने की प्लेटेड हेडर को टिन-प्लेटेड सॉकेट के साथ जोड़ना। आपूर्ति श्रृंखला की कमी या बिल ऑफ मटीरियल (BOM) में न्यूनतम पैसों को काटने की चाह अक्सर इस विकल्प को प्रेरित करती है, लेकिन भौतिकी उस बचत पर कर लगाती है। आप इसे डाउनटाइम, वारंटी दावों, और 'समान' भागों के उतावले प्रतिस्थापन में भुगतान करते हैं, जो कभी भी पूरी तरह से समान नहीं थे।

गैल्वैनिक जाल

इस असफलता के अनिवार्य होने का कारण समझने के लिए, मूल रसायन विज्ञान को देखें। सोना और टिन गैल्वैनिक श्रेणी चार्ट पर अलग-अलग पड़ोस में रहते हैं। सोना एक अभिजात धातु है; यह ऑक्सीकरण नहीं करता। यह स्थायी रूप से संग्रहणीय और निष्क्रिय रहता है। टिन एक आधार धातु है। यह चाहता है कि यह ऑक्सीकरण करे, लगभग तुरंत ही हवा में एक्सपोज़ होने पर एक पतली, कठोर टिन आक्साइड (SnO2) की त्वचा बना लेता है। चाहता है वायु के संपर्क में आते ही ऑक्साइड बनने के लिए, यह टिन ऑक्साइड (SnO2) की एक पतली, कठोर त्वचा बना लेता है।

जब आप इन दोनों धातुओं को एक कनेक्टर सिस्टम में जोड़ते हैं — मान लीजिए कि, Molex C-Grid या TE AMPMODU जैसी श्रृंखला से मानक 0.100″ पिच हेडर — आप एक गैल्वैनिक संभाव्यता पैदा करते हैं। सोने और टिन के बीच इलेक्ट्रोड संभाव्यता में लगभग 0.4 वोल्ट का फर्क होता है। यदि आप छोटी नमी भी डालते हैं, तो यह संभाव्यता का अंतर कनेक्टर इंटरफ़ेस को एक छोटे बैटरी में बदल देता है। टिन एक अधातु बन जाता है और तीव्र गति से जंगने लगता है।

डिजाइनर अक्सर इस वास्तविकता को धोखा देने की कोशिश करते हैं। डिजाइन रिव्यू में एक सामान्य सवाल होता है कि क्या 'गोल्ड फ्लैश' (बहुत पतली परत सोने की, अक्सर 0.1 माइक्रोन से कम) टिन के साथ जोड़ने के लिए पर्याप्त है। मान्यता है कि कुछ सोना बेहतर होता है या नहीं। लेकिन गोल्ड फ्लैश अक्सर छिद्रयुक्त होता है। यह अंतर्निहित निकल या ताम्पे को माईग्रेट करने देता है, जटिल इंटरमेटालिक जंग के उत्पाद बनाता है जो कि एक शुद्ध टिन-टिन इंटरफ़ेस से भी अधिक कठिन हैं। रसायन विज्ञान कठोर है: यदि प्लेटिंग सिस्टम मेल खाते नहीं हैं, तो इंटरफ़ेस अस्थिर हो जाता है जब यह कारखाने छोड़ता है।

फिर भी, बैटरी प्रभाव अकेले ही तुरंत संकेत खत्म कर देना अक्सर संभव नहीं है। यदि कनेक्टर पूरी तरह स्थिर होता, तो epoxy के एक ब्लॉक में सील होता, तो भी यह galvanic मेल की तुलना में वर्षों तक संचालित कर सकता था। असली खलनायक को एक दूसरे साथी की जरूरत होती है: गति।

फ्रेटिंग: विनाश का इंजन

हम इसे फ्रेटिंग कोरोज़न कहते हैं। यह कनेक्ट करने और फिर से कनेक्ट करने जैसे बड़े दिखाई देने वाले आंदोलनों से नहीं होता। यह माइक्रो-मूवमेंट्स—माइक्रोमीटर में मापे गए आंदोलन—पर फली-फूली होती है, जो जबकि कनेक्टर अपने स्थान पर “लॉक” रहता है, तब होते हैं।

कंपनियों को अक्सर दोषी ठहराया जाता है—कारखाने की मंजिल का हलूस या वाहन की चेसिस का धमाका। लेकिन कई मामलों में, अपराधी बस तापीय चक्रीयता होती है। कल्पना कीजिए कि एक पीसीबी प्रिंटेड सर्किट बोर्ड के अंदर लगे एक प्लास्टिक एनक्लोज़र में है। जब उपकरण संचालन के दौरान गर्म होता है और रात को ठंडा होता है, तो प्लास्टिक हाउसिंग और पीसीबी का FR-4 ग्लासफाइबर अलग-अलग दरों पर फैलते और सिकुड़ते हैं। इस मेल का अभाव कनेक्टर पिनों को उनके मेलिंग कनेक्टर्स के खिलाफ पीछे और आगे स्क्रब करने के लिए मजबूर करता है।

जब एक टिन संपर्क दूसरे टिन संपर्क से मिलता है, तो यह स्क्रब वास्तव में फायदेमंद है; यह ऑक्साइड परत को तोड़ देता है और ताजा, संचारशील धातु को उजागर करता है। इसे “स्व-सफाई” कहते हैं। लेकिन जब एक कठोर गोल्ड हेडर एक नरम टिन सॉकेट से मिलता है, तो गतिशीलता बदल जाती है। कठोर गोल्ड पिन फाइल की तरह काम करता है। हर तापीय चक्र में, यह नरम टिन को स्क्रैप करता है। टिन ऑक्साइडित हो जाती है, और गोल्ड उस ऑक्साइड को स्क्रैप कर देता है।

समय के साथ—शायद 200 चक्र, शायद 2000—यह मलबा इकट्ठा हो जाता है। टिन ऑक्साइड सिरेमिक जैसी है: कठोर, भंगुर, और विद्युत रूप से इन्सुलेट। यह गिरती नहीं है; यह संपर्क इंटरफ़ेस में फंस जाती है। सूक्ष्मदर्शी के नीचे, यह जमा केंद्र में “ब्लैक स्पॉट” के रूप में दिखाई देता है। यह धुआं जैसी दिखता है। अंत में, वह धुआं इतना मोटा हो जाता है कि धातु की सतहों को पूरी तरह से अलग कर देता है। कनेक्शन का प्रतिरोध रैखिक रूप से नहीं बढ़ता; यह एक्सपोनेंशियल रूप से बढ़ता है। एक पल में, प्रतिरोध 30 मिलीओहम है; अगली बार यह एक खुला सर्किट हो जाता है।

कुछ अपवाद हैं। यदि एक कनेक्टर सिस्टम भारी सामान्य बल के साथ डिज़ाइन किया गया है—ऊंच-दबाव वाले गैस-टाइट क्रिम्प या बोल्टेड टर्मिनल समझें—तो दबाव लगभग किसी भी ऑक्साइड परत को पंच कर सकता है। लेकिन उद्योग और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किए जाने वाले अधिकांश बोर्ड-टू-बोर्ड और वायर-टू-बोर्ड कनेक्टरों के लिए, संपर्क बल एक छोटे से फ्यूज्ड धातु स्प्रिंग पर निर्भर करता है। यह गोल्ड-टिन मेल के कारण उत्पन्न ऑक्साइड मलबे को म Crushing करने की शक्ति नहीं रखता।

सॉफ्टवेयर भ्रम

फ्रेटिंग कोरोज़न का सबसे खतरनाक पहलू इसकी अनियमितता है। क्योंकि ढेर सारा ढीला मलबा विफलता का कारण बनता है, कनेक्शन यांत्रिक रूप से अस्थिर होता है। एक हल्की कंपन, तापीय बदलाव, या यहां तक कि निराश तकनीशियन द्वारा बॉक्स टैप करने वाला परकस्मिक रखरखाव भी मलबे के ढेर को थोड़ा हिला सकता है और संपर्क पुनः स्थापित कर सकता है।

यह इंजीनियरिंग टीमों में एक बर्बादी वाला पैटर्न बनाता है। हार्डवेयर फील्ड में विफल हो जाता है, लेकिन जब यह “बेंच परीक्षण” के लिए लैब में वापस आता है, तो यह पूरी तरह से काम करता है। यूनिट को भेजने के लिए अनप्लग करना संपर्क को साफ़ कर देता है, या स्थिर लैब तापमान तापीय विस्तार को ट्रिगर करने से रोकता है जो ओपन सर्किट को सक्रिय करता है।

तो, हार्डवेयर टीम साइन ऑफ कर देती है, और दोष फर्मवेयर पर शिफ्ट हो जाता है। डेवलपर्स हफ्तों तक “डिबाउंस” एल्गोरिदम लिखते हैं ताकि इनपुट पिन पर शोर को फ़िल्टर किया जा सके या संचार पैकेट्स में रिट्री लॉजिक जोड़ा जा सके। वे कोड के साथ एक भौतिकी समस्या को हल करने की कोशिश कर रहे हैं। कोई भी सॉफ्टवेयर डिबाउंसिंग एक स्थानीय उच्च-प्रतिरोध जंक्शन को ठीक नहीं कर सकता जो सिग्नल मार्ग को भौतिक रूप से अलग कर रहा है। आप अपने आप को एयर गैप के पार कोड नहीं कर सकते।

मिटिगेशन और लुब्रिकेंट बैंड-एड

यदि पहले से ही इस मेल-फ्लैटिंग के साथ उपकरण का एक बेड़ा तैनात है, और recall वित्तीय रूप से असंभव है, तो एक ही भरोसेमंद उपाय है: चिकनाई। विशेष संपर्क स्नेहक, जैसे Nyogel 760G, कनेक्टर इंटरफ़ेस में भी डाला जा सकता है।

स्नेहक दो उद्देश्यों की पूर्ति करता है। पहला, यह संपर्क स्थल को ऑक्सीजन और आर्द्रता से सील कर देता है, जिससे Galvanic संक्षारण धीमा हो जाता है। दूसरा, और अधिक महत्वपूर्ण, यह ऑक्साइड मलबे को Suspended करता है। जमा होकर पूरे मूवमेंट को खत्म करने के बजाय, मलबा ग्रीस में तैरता रहता है, जिससे धातु की खुरदराहट उसे पार करने और संपर्क बनाने में मदद करती है।

हालांकि, एक मिश्रित-धातु इंटरफेस के लिए प्राथमिक डिज़ाइन रणनीति के रूप में लुब्रिकेंट पर भरोसा करना जोखिम भरा है। यह मेंटेनेंस का बोझ पैदा करता है। यह धूल आकर्षित करता है। यह अंततः सूख जाता है। यह एक घाव के लिए बैंड-एड है जो नहीं होना चाहिए। जब एक मिश्रित इंटरफेस स्वीकार्य हो, वह उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में है जिनकी लंबी उम्र नहीं है—दो साल में बदले गए मोबाइल फोन शायद इतनी तापीय चक्रें नहीं अनुभव करेगा कि वह महत्वपूर्ण ऑक्साइड मास का निर्माण कर सके। लेकिन औद्योगिक, ऑटोमोटिव, या चिकित्सा उपकरणों के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिनकी उम्र दस साल है, लुब्रिकेंट अंततः फेल हो जाएगा, और भौतिकी फिर अपना कार्य शुरू कर देगी।

निर्णय: संलग्नता के नियम

मिश्रण करने के अर्थोपाय तर्क आमतौर पर सरल होते हैं: “हमारे पास स्टॉक में हज़ारों गोल्ड हेडर हैं, लेकिन टिन सॉकेट सस्ते हैं।” या, “आपूर्ति श्रृंखला टूटी है, और हम केवल गोल्ड संस्करण प्राप्त कर सकते हैं।” बचत प्रति यूनिट पेंस की हो सकती है।

उस बचत की तुलना एकल फील्ड विफलता की लागत से करें। औद्योगिक सेटिंग में, रुका हुआ मशीन का निदान करने के लिए ट्रक रोल की लागत $500 से $1,000 तक हो सकती है। यदि विफलता वजह बनती है उत्पादन लाइन के रुकने की, तो इसकी लागत हर घंटे हजारों डॉलर हो सकती है। यहाँ तक कि 0.1% का असफलता दर भी पूरे उत्पादन रन के BOM बचत को मिटा देती है।

संलग्न होने के नियम सर्वशक्तिमान हैं। यदि हेडर गोल्ड है, तो सॉकेट भी गोल्ड होना चाहिए। यदि हेडर टिन है, तो सॉकेट भी टिन होना चाहिए। कोई “हाइब्रिड” समाधान लंबी अवधि की विश्वसनीयता के लिए सुरक्षित नहीं है। BOM एक किराने का सामान सूची नहीं है जहां अवयवों को दैनिक बाजार कीमतों के आधार पर बदला जा सकता है; यह विद्युतयांत्रिक प्रणाली की परिभाषा है। जब आप गोल्ड और टिन मिलाते हैं, तो आप पैसे नहीं बचा रहे हैं। आप एक टाइमर बना रहे हैं।