अदृश्य घर्षण: क्यों ENIG किनारे कनेक्टर पर फेल होता है

असफलता अक्सर “सॉफ्टवेयर ग्लिच” के रूप में disguised होकर RMA pile में गिर जाती है। USB सुरक्षा कुंजी कुछ हफ्तों के बाद प्रमाणीकरण रोक देती है। सर्वर रैक में PCIe कार्ड intermittently बस से गिर जाता है, जिससे kernel panic ट्रिगर होता है। सॉफ्टवेयर टीम ड्राइवरों का debugging करते रहते हैं, लेकिन मूल कारण कोड नहीं है। यह केवल 20x मेग्निफिकेशन के नीचे दिखता है।

यदि आप उन फेल बोर्डों के एज कनेक्टर में ज़ूम इन करें, तो कहानी हिंसक है। सोना प्लेटिंग सिर्फ घिसी नहीं है; यह पूरी तरह से छंट गई है। जो बचा है वह काला निकेल ऑक्साइड और उजागर तांबे का दाग है। संपर्क प्रतिरोध 30 मिलीओहम की नियंत्रण में थी, अब वह खुला सर्किट में बदल गया है।

यह पारंपरिक अर्थ में मैन्युफैक्चरिंग दोष नहीं है। बोर्ड बिल्कुल प्रिंट के अनुसार निर्माण किया गया था। असफलता डिजाइन सॉफ्टवेयर में हुई, उस क्षण जब एक सरल “गोल्ड प्लेटिंग” विनिर्देश को एक कनेक्टर पर लागू किया गया था जिसे प्रवेश की भौतिक brutality से गुजरना था।

भौतिकी बनाम मार्केटिंग ब्रॉशर

खरीद और जूनियर इंजीनियरिंग सर्किलों में एक व्यापक भ्रांति है कि “सोना ही सोना है।” यदि डाटाशीत कहता है कि फिनिश सोना है और यह बिजली संचारित करता है, तो मानना है कि यह कनेक्टर के लिए काम करता है। यह विश्वास महंगा है क्योंकि यह धातु के मौलिक पदार्थ विज्ञान को अनदेखा करता है। शुद्ध सोना अत्यंत नरम है। धातुकर्म की दुनिया में, हम इस नर्मता को विकर्स हार्डनेस (HV) स्केल पर मापते हैं।

Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG), अधिकांश आधुनिक सतह माउंट बोर्डों के लिए मानक फिनिश, लगभग शुद्ध सोना है। यह आमतौर पर 60 से 90 HV के बीच होता है। यह इतना नरम है कि एक नाखून इस पर निशान छोड़ सकता है। जब आप ENIG-पट्टिका वाली बोर्ड को मेलिंग कनेक्टर में स्लाइड करते हैं, तो उस कनेक्टर के अंदर के धातु स्प्रिंग्स सॉफ्ट गोल्ड सतह में कठोर स्टील की खुदाई जैसी कार्यवाही करते हैं। 10 से 20 प्रवेश चक्रों के भीतर, सोना चला जाता है। आप फिनिश को खत्म कर चुके हैं और अब कनेक्टर पिन्स को सीधे नीचे के निकेल के साथ मेल कर रहे हैं। निकेल जल्दी से ऑक्सीकृत हो जाता है, जिससे वह काला, प्रतिरोधी परत बन जाती है जो सिग्नल को मार देती है।

प्रवेश के shear forces का सामना करने के लिए, आप शुद्ध सोना का उपयोग नहीं कर सकते। आपको “Hard Gold” चाहिए, जिसे तकनीकी रूप से Electrolytic Nickel Gold कहा जाता है। यह एक मिश्रधातु है, जिसमें आमतौर पर कोबाल्ट या कभी-कभी निकेल की थोड़ी मात्रा मिलाई जाती है, जो जमा की क्रिस्टल संरचना को मूल रूप से बदल देता है। Hard Gold 130 से 200 HV के बीच रजिस्टर करता है। यह खुदाई नहीं करता; यह फिसलता है। इसे इस तरह डिज़ाइन किया गया है कि यह सौहार्द्र, कभी-कभी हजारों देरियों तक, मेलन चक्रों को बिना आधार धातु को उजागर किए सह सकता है।

हम अक्सर विक्रेताओं या फैब हाउसों को “Thick ENIG” का सुझाव देते हुए देखते हैं—मात्र बोर्ड को ज्यादा देर तक इमERSION बाथ में छोड़कर शुद्ध सोने की एक मोटी परत बनाने के लिए। यह एक जाल है। जबकि यह पहनने को कुछ चक्रों तक विलंबित कर सकता है, यह एक नया जोखिम भी लाता है: “Black Pad,” एक भंगुर फ्रैक्चर घटना जो निकेल परत के क्षरण द्वारा Extended immersion प्रक्रिया के दौरान होती है। इसके अतिरिक्त, आप अभी भी भौतिकी से उलझ रहे हैं गलत सामग्री के साथ। एक मोटी परत नरभक्षी मक्खन की भी है; यह छुरा का विरोध नहीं करेगी।

मैन्युफैक्चरिंग बाधा: टाई बार्स

यदि Hard Gold कनेक्टर के लिए श्रेष्ठ विकल्प है, तो यह पूरे बोर्ड के लिए डिफ़ॉल्ट क्यों नहीं है? इनका उत्तर निर्माण प्रक्रिया में है। ENIG एक रासायनिक प्रक्रिया है; आप बोर्ड को टैंक में डुबोते हैं, और प्रतिक्रिया हर उस जगह होती है जहाँ तांबा उजागर होती है। यह सुरुचिपूर्ण, सपाट है, और कोई बाहरी कनेक्शन आवश्यक नहीं है।

हार्ड गोल्ड इलेक्ट्रोलिटिक है। इसे सोने के आयनों को सतह पर ड्राइव करने के लिए एक सक्रिय विद्युत धारा की आवश्यकता होती है। उस धारा को फेब्रिकेशन के दौरान एज कनेक्टर फिंगर्स तक पहुंचाने के लिए, बोर्ड डिज़ाइनर को "टाई बार" या "बस लाइनों" को शामिल करना चाहिए — ट्रेस जो सोने की फिंगर्स को उत्पादन पैनल के किनारे से शारीरिक रूप से जोड़ते हैं। ये ट्रेस प्लेटिंग बाथ के दौरान धारियों को ले जाते हैं।

प्लेटिंग के बाद, बोर्ड को पैनल से टिपा जाता है, और उन टाई बार को काट दिया जाता है। आप अक्सर उन्हें देख सकते हैं यदि आप एक सोने की फिंगर के बहुत टिप पर ध्यान से देखें — एक छोटी सी जगह जहां कनेक्शन काटा गया था, वह कॉपर का उजागर क्षेत्र होती है। यह आवश्यकता लेआउट पर प्रतिबंध लगाती है। आप आसानी से बीच में "फ्लोटिंग" हार्ड गोल्ड आइलैंड नहीं रख सकते। इसका अर्थ है कि यह प्रक्रिया श्रम और चरणों के संदर्भ में जोड़ने वाली है। फेब हाउस को बाकी बोर्ड को कवर करने, फिंगर्स को प्लेट करने, और फिर बाकी को खत्म करने के लिए एक अलग मास्किंग प्रक्रिया चलानी होगी।

यह उद्धरण में एक सामान्य संघर्ष बिंदु की ओर ले जाता है। एक खरीद प्रबंधक "हार्ड गोल्ड फिंगर्स" के लिए लाइन आइटम देखता है और बोर्ड लागत में 5-10% जोड़ता है और पूछते हैं, "क्या हम बस बाकी बोर्ड के फिनिश का उपयोग नहीं कर सकते?" या विपरीत, वे पूरे बोर्ड को हार्ड गोल्ड में प्लेट करने के लिए कहते हैं ताकि प्रक्रिया सरल हो सके। यह भी उतना ही खतरनाक है। कोबाल्ट जो हार्ड गोल्ड को टिकाऊ बनाता है, उसे सोल्डरिंग के लिए भयंकर बना देता है। हार्ड गोल्ड पर सोल्डर जॉइन फ्रैगile और विफलता के prone होते हैं। नियम सख्त है: उपकरणों के लिए ENIG (या OSP/Immersion Silver), कनेक्टर के लिए हार्ड गोल्ड। उनका मेल न करें। पूरा कठिन सोने में पूरी बोर्ड को आसान बनाने के लिए। यह समान रूप से खतरناک है। कोबाल्ट जो कठिन सोने को टिकाऊ बनाता है, उसे सोल्डर करने के लिए भयंकर बनाता है। कठिन सोने पर सोल्डर जॉइंट्स भुरभुरा और विफलता की प्रवृत्ति वाले होते हैं। नियम सख्त है: घटकों के लिए ENIG (या OSP/इमर्सन सिल्वर), कनेक्टर के लिए कठिन सोना। उन्हें कभी मिलाएं नहीं।

दृढ़ता का गणित

हार्ड गोल्ड को छोड़ने का निर्णय लगभग हमेशा आर्थिक होता है। 50 बोर्ड के एक प्रोटोटाइप रन पर, हार्ड गोल्ड के सेटअप फीस में $200 जोड़ सकता है। 10,000 इकाइयों के उत्पादन रन पर, यह प्रति बोर्ड $0.40 जोड़ सकता है। स्प्रेडशीट में, $4,000 की बचत एक जीत जैसी दिखती है।

लेकिन विश्वसनीयता एक आर्थिक मीट्रिक है जितनी कि इंजीनियरिंग की भी। हमें उस $0.40 को विफलता की लागत के खिलाफ तौलना होगा। यदि डिवाइस एक डिस्पोज़ेबल सेंसर है जिसे असेंबली के दौरान एक बार प्लग इन किया जाता है और फिर कभी छुआ नहीं जाता, तो ENIG तकनीकी रूप से स्वीकार्य है। "इंसर्शन काउंट" एक है। जोखिम कम है।

लेकिन यदि डिवाइस एक यूएसबी ढोंग, मेमोरी कार्ड, या एक मॉड्यूलर डॉटरबोर्ड है, तो उपयोगकर्ता इसे इनपुट करेगा। वे इसे अनप्लग करेंगे। वे इसे बैग में फेंक देंगे और फिर से प्लग इन करेंगे। यदि उस कनेक्टर का फेल हो जाता है छह महीने के बाद, तो लागत $0.40 नहीं है। लागत है वापसी शिपिंग, विफलता विश्लेषण का श्रम, प्रतिस्थापन यूनिट, और प्रतिष्ठान क्षति।

हमने एक केस का विश्लेषण किया जिसमें एक कस्टम RAID नियंत्रक शामिल था जहां विक्रेता ने PCIe एज कनेक्टर पर ENIG का उपयोग करके लगभग $1.20 प्रति बोर्ड की बचत की। कनेक्टर क्षेत्र में ऑक्सीकरण शुरू हो गया,Resistance बढ़ गई। उस प्रतिरोध द्वारा उत्पन्न गर्मी ने न केवल कार्ड को फेल किया; यह होस्ट मदरबोर्ड पर प्लास्टिक PCIe स्लॉट को पिघला दिया। प्लेटिंग पर "बचत" ने 200 सर्वर मदरबोर्ड को मैनुअल रूप से बदलवाने की जरूरत को जन्म दिया। उस निर्णय का ROI विनाशकारी था।

प्रवेश का ज्यामिति

यहां तक कि सही धातु विज्ञान के साथ भी, बोर्ड का भौतिक आकार कनेक्टर को नुकसान पहुंचा सकता है। एक मानक PCB को मिलिंग बिट से रूट किया जाता है, जिससे 90-डिग्री का तेज किनारा बनता है। यदि आप 1.6mm मोटे बोर्ड को तेज 90-डिग्री कोण वाले किनारे के साथ कनेक्टर में डालते हैं, तो आप मूल रूप से कनेक्टर पिन पर गुइलीटीन का उपयोग कर रहे हैं।

यहां "Chamfer" या "Bevel" स्पेसिफिकेशन महत्वपूर्ण हो जाता है। एक सही एज कनेक्टर को PCB एज को कोणांतित होना चाहिए, आमतौर पर 20 या 30 डिग्री पर। यह रैंप कनेक्टर पिन को सोने के पैड पर क्रमशः उपर उठने की अनुमति देता है बजाय फाइबरग्लास के अग्रणी किनारे से टकराने के।

आम तौर पर ऐसे डिजाइनों को देखा जाता है जो "Hard Gold, 30 माइक्रो-इंच" निर्दिष्ट करते हैं, लेकिन चैम्फर निर्दिष्ट करना भूल जाते हैं। परिणामस्वरूप, एक रासायनिक रूप से परफेक्ट परंतु यांत्रिक रूप से विनाशकारी बोर्ड होता है। कनेक्टर पिन फाइबरग्लास पर पकड़ बनाते हैं, मुड़ते हैं, या जोर से सोने के अग्रणी किनारे पर स्क्रैप करते हैं, जिससे सतह पहले से ही खराब हो जाती है, इससे पहले कि उपकरण पूरी तरह से सेट हो। अगर आपका फेब हाउस जब आप एज फिंगर्स के साथ डिजाइन प्रस्तुत करते हैं तो वह आपको बीवल कोण के बारे में न पूछें, तो वे आपको एक जाल में फंसाने की अनुमति दे रहे हैं।

अंतिम विनिर्देशन

जब आप BOM पर साइन ऑफ करते हैं, तो आप केवल हिस्से नहीं खरीद रहे हैं; आप संभावना खरीद रहे हैं। कनेक्शन विफलता की संभावना को शून्य के पास बनाए रखने के लिए, विनिर्देश निर्माण ड्राइंग पर स्पष्ट होना चाहिए। विक्रेता के डिफ़ॉल्ट पर भरोसा न करें।

1. सामग्री निर्दिष्ट करें: “हार्ड इलेक्ट्रोलिटिक गोल्ड” या “गोल्ड/कोबाल्ट मिश्रधातु” का विस्तार से अनुरोध करें।
2. मौटाईज़ निर्धारित करें: “फ़्लैश गोल्ड” एक विपणन शब्द है, कोई विनिर्देशन नहीं। मानक एज कनेक्टरों (PCIe, USB, ISA) के लिए, उद्योग मानक (IPC-6012 क्लास 2/3) आमतौर पर न्यूनतम 30 माइक्रो-इंच (करीब 0.76 माइक्रोन) की मांग करता है। 15 माइक्रो-इंच से कम कुछ भी प्रभावी रूप से पहनाव टाइमर है।
3. ज्यामिति निर्दिष्ट करें: सहवर्ती किनारे पर 20-30 डिग्री का चाम्फर बताएं।

खराब संपर्क के लिए कोई सॉफ़्टवेयर पैच नहीं है। एक बार गोल्ड खत्म हो जाने के बाद, उपकरण मृत हो जाता है। सही प्लेटिंग पर खर्च होने वाले अतिरिक्त पैसे सबसे सस्ता बीमा है जो आप कभी भी खरीदेंगे।