Goresan Tak Terlihat: Mengapa ENIG Gagal pada Konektor Tebal

Kegagalan biasanya berakhir di tumpukan RMA yang disamarkan sebagai “kesalahan perangkat lunak.” Sebuah kunci keamanan USB berhenti melakukan otentikasi setelah beberapa minggu. Sebuah kartu PCIe di rak server putus dari bus secara sporadis, memicu panic kernel. Tim perangkat lunak menghabiskan waktu berminggu-minggu untuk debugging driver, tetapi akar permasalahannya bukan kode. Hanya terlihat dengan pembesaran 20x.

Jika Anda memperbesar pada sambungan tepi dari papan yang gagal tersebut, ceritanya kejam. Pelapisan emas tidak hanya aus; seluruhnya telah terputus. Yang tersisa adalah noda oksida nikel hitam dan tembaga yang terbuka. Resistansi kontak melonjak dari 30 milliohm yang dapat dikendalikan menjadi sirkuit terbuka.

Ini bukan cacat manufaktur dalam arti tradisional. Papan dibuat sesuai gambar. Kegagalan terjadi di perangkat lunak desain, saat spesifikasi “Pelapisan Emas” yang disederhanakan diterapkan pada konektor yang dirancang untuk bertahan dari kekerasan fisik penyisipan.

Fisika vs. Brosur Pemasaran

Terdapat kesalahpahaman yang merajalela di kalangan pengadaan dan insinyur junior bahwa “emas adalah emas.” Jika lembar data menyatakan lapisan akhir adalah emas dan menghantarkan listrik, anggapan umum adalah bahwa itu cocok untuk konektor. Keyakinan ini mahal karena mengabaikan ilmu material dasar tentang logam tersebut. Emas murni sangat lembut. Dalam dunia metalurgi, kelembutan ini diukur dengan skala Keras Vickers (HV).

Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG), lapisan akhir standar untuk sebagian besar papan permukaan-mount modern, hampir murni emas. Biasanya berkisar antara 60 hingga 90 HV. Cukup lembut sehingga kuku dapat meninggalkan bekas pada lapisan tersebut. Saat Anda menggeser papan berlapis ENIG ke konektor yang cocok, pegas logam di dalam konektor tersebut bertindak seperti bajak baja keras yang menggali ke permukaan emas lembut. Dalam 10 hingga 20 siklus penyisipan, emas hilang. Anda telah menggores lapisan tersebut dan sekarang memasangkan pin konektor secara langsung terhadap nikel yang mendasarinya. Nikel dengan cepat teroksidasi saat terpapar udara, menciptakan lapisan resistif hitam yang mematikan sinyal.

Untuk menahan gaya geser saat penyisipan, Anda tidak bisa menggunakan emas murni. Anda memerlukan “Emas Keras,” secara teknis dikenal sebagai Elektrolyt Nikel Emas. Ini adalah paduan, biasanya diberi doping dengan sedikit Cobalt atau kadang Nickel, yang secara mendasar mengubah struktur kristal dari deposit. Emas Keras terdaftar antara 130 dan 200 HV pada skala Vickers. Ia tidak membajak; ia meluncur. Dirancang untuk bertahan ratusan, bahkan ribuan, siklus penjodohan tanpa mengekspos logam dasar.

Seringkali kami melihat vendor atau pabrik yang menyarankan “ENIG Tebal” sebagai jalur tengah—hanya meninggalkan papan dalam bath perendaman lebih lama untuk membangun lapisan emas murni yang lebih tebal. Ini adalah perangkap. Meskipun ini dapat menunda ausnya selama beberapa siklus, ini memperkenalkan risiko baru: “Black Pad,” fenomena patahan rapuh yang disebabkan oleh korosi lapisan nikel selama proses perendaman yang diperpanjang. Lebih jauh lagi, Anda masih melawan fisika dengan bahan yang salah. Lapisan yang lebih tebal dari mentega lembut tetaplah mentega; itu tidak akan tahan pisau.

Keterbatasan Manufaktur: Batang Pengikat

Jika Emas Keras adalah pilihan yang lebih unggul untuk konektor, mengapa bukan menjadi default untuk seluruh papan? Jawabannya terletak pada proses manufaktur. ENIG adalah proses kimia; Anda mencelupkan papan ke dalam tangki, dan reaksi terjadi di mana pun tembaga terpapar. Ini elegan, datar, dan tidak memerlukan koneksi eksternal.

Hard Gold bersifat elektrolitik. Dibutuhkan arus listrik aktif untuk menggerakkan ion emas ke permukaan. Agar arus tersebut mencapai jari konektor tepi selama pembuatan, perancang papan sirkuit harus menyertakan 'tie bars' atau 'bus lines'—jejak yang secara fisik menghubungkan jari emas ke tepi panel produksi. Jejak ini membawa arus selama proses plating.

Setelah proses plating selesai, papan dipotong dari panel, dan tie bars tersebut diputuskan. Anda sering kali bisa melihat sisa-sisa dari mereka jika Anda melihat dekat sekali ke ujung jari emas—sepotong kecil tembaga yang terekspos di tempat sambungan dipotong. Persyaratan ini memberlakukan batasan pada tata letak. Anda tidak bisa dengan mudah memiliki pulau emas keras yang 'mengambang' di tengah papan. Ini juga berarti prosesnya bersifat aditif dalam hal tenaga kerja dan langkah. Rumah pembuatan harus menjalankan proses masking terpisah untuk menutup sisa papan, plating jari, dan kemudian menyelesaikan sisanya.

Ini menyebabkan titik gesekan umum dalam penawaran harga. Manajer pengadaan melihat item garis untuk “Jari Emas Keras” menambahkan 5-10% ke biaya papan dan bertanya, “Bukankah kita bisa menggunakan hasil akhir yang sama seperti papan lainnya?” Atau sebaliknya, mereka meminta plating seluruh papan dengan Hard Gold untuk menyederhanakan proses. Ini sama berbahayanya. Kobalt yang membuat Hard Gold tahan lama justru membuatnya buruk untuk penyolderan. Sambungan solder pada Hard Gold rapuh dan rentan gagal. Aturannya tegas: ENIG (atau OSP/Perak Immersi) untuk komponen, Hard Gold untuk konektor. Jangan pernah mencampurnya. seluruh pada papan dalam Hard Gold untuk menyederhanakan proses. Ini sama berbahayanya. Kobalt yang membuat Hard Gold tahan lama justru membuatnya buruk untuk penyolderan. Sambungan solder pada Hard Gold rapuh dan rentan gagal. Aturannya tegas: ENIG (atau OSP/Perak Immersi) untuk komponen, Hard Gold untuk konektor. Jangan pernah mencampurnya.

Kalkulus dari Pengingatan

Keputusan untuk melewatkan Hard Gold hampir selalu faktor keuangan. Pada satu kali produksi prototipe sebanyak 50 papan, biaya pengaturan untuk hard gold mungkin menambahkan $200. Pada produksi sebanyak 10.000 unit, mungkin menambah $0.40 per papan. Dalam spreadsheet, penghematan $4,000 terlihat seperti kemenangan.

Tapi keandalan adalah metrik ekonomi sama pentingnya dengan teknik. Kita harus menimbang $0.40 tersebut terhadap biaya kegagalan. Jika perangkatnya adalah sensor sekali pakai yang dipasang sekali selama perakitan dan tidak pernah disentuh lagi, ENIG secara teknis dapat diterima. Jumlah 'penyisipan' adalah satu. Risikonya rendah.

Tapi jika perangkatnya adalah USB dongle, kartu memori, atau daughterboard modular, pengguna akan colokkan. Mereka akan mencabutnya. Mereka akan memasukkannya ke dalam tas dan menyambungkannya lagi. Jika konektor tersebut gagal setelah enam bulan, biayanya bukan $0.40. Biayanya adalah pengiriman kembali, tenaga kerja analisis kegagalan, unit pengganti, dan kerusakan reputasi.

Kami menganalisis sebuah kasus yang melibatkan pengontrol RAID kustom di mana vendor menghemat sekitar $1.20 per papan dengan menggunakan ENIG pada konektor tepi PCIe. Konektor mulai mengoksidasi di lapangan, meningkatkan resistansi. Panas yang dihasilkan oleh resistansi tersebut bukan hanya menyebabkan kartu gagal; itu melelehkan slot PCIe plastik di motherboard utama. 'Penghematan' dalam plating menghasilkan kebutuhan untuk mengganti 200 motherboard server secara manual. ROI dari keputusan itu sangat buruk.

Geometri Penyisipan

Bahkan dengan metallurgy yang benar, bentuk fisik tepi papan dapat merusak konektor. PCB standar diprogram dengan bit milling, meninggalkan tepi tajam 90 derajat. Jika Anda memaksa papan setebal 1.6mm dengan tepi tajam 90 derajat ke dalam konektor, Anda secara efektif menggunakan gilotin pada pin konektor.

Di sinilah spesifikasi “Chamfer” atau “Bevel” menjadi penting. Konektor tepi yang tepat membutuhkan tepi PCB yang dimiringkan, biasanya ke 20 atau 30 derajat. Ramp ini memungkinkan pin konektor meluncur dengan lancar ke atas ke pad emas daripada bertabrakan dengan tepi depan fiberglass.

Sangat umum melihat desain yang menetapkan “Hard Gold, 30 mikro-inci” tetapi lupa menetapkan chamfer. Akibatnya adalah papan yang secara kimiawi sempurna tetapi secara mekanis merusak. Pin konektor tersangkut di fiberglass, menekuk, atau menggores dengan keras melawan tepi depan emas, sebelum perangkat benar-benar terpasang. Jika rumah pembuatan Anda tidak menanyakan tentang sudut bevel saat Anda mengajukan desain dengan jari tepi, mereka membiarkan Anda berjalan ke dalam perangkap.

Spesifikasi Akhir

Ketika Anda menyetujui BOM, Anda bukan hanya membeli bagian; Anda membeli probabilitas. Untuk memastikan kemungkinan kegagalan koneksi tetap mendekati nol, spesifikasi pada gambar fabrikasi harus jelas. Jangan mengandalkan default vendor.

1. Tentukan Material: Secara eksplisit minta “Emas Elektrolytic Keras” atau “Paduan Emas/Nikel.”
2. Tentukan Ketebalan: “Flash gold” adalah istilah pemasaran, bukan spesifikasi. Untuk konektor tepi standar (PCIe, USB, ISA), standar industri (IPC-6012 Kelas 2/3) biasanya membutuhkan minimal 30 mikro-inci (sekitar 0,76 mikron). Apapun kurang dari 15 mikro-inci secara efektif adalah pengatur waktu keausan.
3. Tentukan Geometri: Tandai chamfer 20-30 derajat pada tepi yang cocok.

Tidak ada patch perangkat lunak untuk kontak yang aus. Setelah emas hilang, perangkat mati. Cents ekstra yang dibelanjakan untuk pelapisan yang benar adalah polis asuransi termurah yang akan Anda beli.