Kegagalan “Hantu”: Mengapa Konektor Press-Fit Mengalami Kerusakan Setelah Keluar dari Pabrik

Anda telah melihat laporannya. Data lini produksi menunjukkan semua dalam kondisi baik. Setiap kurva gaya penyisipan berada dalam spesifikasi. Pemeriksaan retensi di akhir lini memerlukan gaya standar 30 Newton untuk melepaskan pin. Manajer Jaminan Kualitas menyetujui, palet dibungkus, dan kontainer meninggalkan dermaga. Namun, tiga bulan kemudian, pengembalian dari lapangan menumpuk. Pelanggan melaporkan kehilangan daya secara intermittent, reset sensor, atau konektor yang secara fisik terlepas dari PCB.

Ini adalah kegagalan “hantu” dalam dunia interkoneksi. Ini membuat frustrasi karena, pada saat perakitan, produk sempurna. Datasheet mengatakan pin cocok dengan lubang. Mesin penyisipan mengonfirmasi gaya nominal. Tapi fisika tidak berhenti saat kotak ditutup dengan lakban. Jika Anda mengandalkan validasi suhu ruang untuk memprediksi perilaku pin yang lentur selama lima tahun siklus termal, Anda tidak menguji keandalan; Anda menguji keberuntungan. Mekanisme kegagalan bukan pada penyisipan. Ini adalah perang tak terlihat antara pin, laras tembaga, dan ekspansi serta kontraksi material yang tak henti selama pengangkutan dan operasi.

Fisika Melepaskan

Untuk memahami mengapa pin terlepas, lupakan gesekan. Pikirkan energi tersimpan. Sambungan press-fit bekerja karena Anda memaksa pegas lentur (pin) ke dalam laras kaku (lubang berlapis). Pin tertekan, menyimpan energi potensial. Energi ini mendorong kembali dinding tembaga, menciptakan “gaya normal” yang menghasilkan gesekan dan segel listrik kedap gas. Pada Hari 1, gaya ini berada pada puncaknya. Logam elastis, tembaga segar, dan cengkeraman kuat.

Namun logam bukan padatan statis; ia mengalir. Seiring waktu, di bawah tekanan dan suhu tinggi, struktur atom pin tembaga dan pelapisan PCB mulai mengatur ulang diri untuk mengurangi tegangan internal itu. Ini adalah relaksasi tegangan. Bayangkan pengiriman pengendali industri melalui pengiriman laut dari musim panas lembap di Taiwan ke gudang di Dubai. Di dalam kontainer pengiriman itu, suhu dapat berayun antara 20°C di malam hari dan 60°C atau lebih tinggi di siang hari. Selama empat minggu, konektor itu dipanggang.

Pada 60°C, proses relaksasi dipercepat. Paduan tembaga pin (terutama jika kelasnya lebih rendah seperti kuningan daripada Perunggu Fosfor atau Tembaga Berilium berkinerja tinggi) mulai melunak. Ia secara efektif “melupakan” bentuk aslinya dan rileks ke bentuk tertekan. Ketika unit akhirnya mendingin, pin tidak memantul kembali dengan gaya yang sama. Gaya normal—satu-satunya yang menahan konektor itu dari getaran—menurun. Anda mungkin mulai dengan retensi 40 Newton, tapi setelah sebulan di “oven kontainer pengiriman,” mungkin turun menjadi 15 Newton. Gesekan hilang, dan saat forklift menjatuhkan palet, inersia kabel berat menarik konektor lepas.

Tidak semua gerakan adalah kegagalan. Anda mungkin menggoyangkan rumah plastik dan merasakan gerakan “bergoyang” ringan. Ini sering memicu kepanikan di QA, tapi rumah bukan mekanisme retensi; antarmuka pin-ke-lubang yang demikian. Rumah plastik mengambang; pin harus berlabuh. Namun, jika gerakan bergoyang itu menyebabkan pin bergerak di dalam lubang berlapis, segel kedap gas pecah. Oksidasi segera dimulai, resistansi melonjak, dan kegagalan intermittent pun muncul.

Perang Dingin: Ketidakcocokan CTE

Jika panas merelaksasi pegas, dingin memecahkan kunci. Musuh tak terlihat kedua adalah Koefisien Ekspansi Termal (CTE). Setiap bahan mengembang dan menyusut dengan laju berbeda. FR4 fiberglass PCB Anda memiliki CTE sekitar 14-17 ppm/°C pada sumbu Z. Plastik PBT atau Nylon rumah konektor memiliki CTE tiga sampai empat kali lebih tinggi.

Bayangkan kluster dashboard di kendaraan yang diparkir di luar selama musim dingin Skandinavia. Suhu turun hingga -30°C. Rumah konektor plastik ingin menyusut secara signifikan. PCB juga ingin menyusut, tapi jauh lebih sedikit. Rumah plastik menyusut, menarik pin. Karena pin berlabuh di papan, ini menciptakan beban geser besar. Rumah secara harfiah mencoba merobek pin ke samping atau menariknya keluar dari lubang.

Dalam sistem yang dirancang dengan baik, zona lentur pin menyerap stres ini. Ia melentur. Tapi jika pin terlalu kaku, atau gaya retensi sudah melemah oleh relaksasi tegangan, rumah menang. Ia mengeluarkan pin dari lubang. Ini sering alasan Anda melihat konektor tampak “miring” pada pengembalian lapangan. Mereka tidak mulai seperti itu. Mereka terdorong keluar posisi, milimeter demi milimeter, dengan setiap siklus termal mesin yang memanas dan mendingin.

Variabel Tak Terlihat: Lubang

Insinyur terobsesi pada pin. Mereka berdebat tentang paduan—C7025 vs. C5191—dan geometri “mata jarum.” Tapi mereka jarang memeriksa lubang. Dalam banyak kasus, pin baik-baik saja, tapi papan sudah ditakdirkan gagal sejak awal.

Spesifikasi untuk lubang press-fit sangat ketat—toleransi +/- 0,05mm pada ukuran lubang jadi. Namun yang lebih kritis daripada diameter adalah integritas pelapisan. Papan standar IPC-6012 Kelas 2 mungkin memerlukan rata-rata 20 mikron tembaga di barrel. Tapi pelapisan tidak pernah seragam. Di “lutut” lubang—sudut tempat barrel bertemu permukaan—pelapisan bisa lebih tipis karena distribusi kerapatan arus selama pembuatan.

Jika vendor PCB menjalankan bak pelapisan terlalu cepat untuk menghemat uang, Anda akan mendapatkan efek “dog bone” di mana tembaga tebal di ujung dan tipis di tengah, atau tembaga rapuh yang retak di bawah tekanan. Ketika Anda menekan pin press-fit ke dalam lubang dengan pelapisan yang rapuh atau tipis, bagian yang lentur tidak hanya terkompresi; ia merobek tembaga dari dinding fiberglass. Anda telah merusak integritas mekanis jangkar sebelum unit bahkan meninggalkan pabrik. Pin terasa kencang awalnya karena terjepit di anyaman kaca, tapi kaca mengalir di bawah tekanan (creep) jauh lebih cepat daripada logam. Beri beberapa minggu getaran, dan pin itu akan longgar bergetar.

Perbaikan Palsu dan Plester Berbahaya

Ketika produksi menyadari sekelompok konektor longgar, naluri adalah memperbaikinya secara cepat. Pertanyaan yang paling umum—dan berbahaya—adalah: “Bisakah kita hanya menyolder gelombang pin press-fit ini untuk menahannya?”

Ini adalah “Plester Penyolderan,” dan biasanya membuat keadaan menjadi lebih buruk. Pin press-fit adalah pegas presisi. Mereka bergantung pada temper logam untuk mempertahankan energi tersimpan yang kita bahas. Jika Anda mengekspos pegas itu pada panas bak penyolderan gelombang (260°C+), Anda meng-anneal logam. Anda melunakkan pegas. Anda mungkin mendapatkan fillet solder di bagian bawah, tapi Anda telah menghancurkan tegangan internal yang menciptakan segel kedap gas di dalam barrel. Selain itu, flux dari proses penyolderan dapat meresap ke area kontak, menyebabkan korosi kemudian. Kecuali pin dirancang khusus sebagai “hibrida” (yang jarang), jauhkan gelombang solder darinya.

Langkah putus asa umum kedua adalah pengerjaan ulang. “Operator tidak memasangnya dengan benar. Bisakah kita menekannya keluar dan memasang yang baru?” Jawabannya hampir selalu tidak. Sambungan press-fit adalah peristiwa metalurgi satu kali. Penyisipan pertama secara plastis mendistorsi tembaga di lubang. Ini mengeraskan barrel. Jika Anda menekan pin baru ke lubang yang sama, gaya tahanannya akan 40-50% lebih rendah dari pertama kali. Tembaga tidak punya “kelonggaran” lagi; ia akan retak atau gagal menggenggam. Kecuali Anda memiliki akses ke “pin perbaikan” berukuran lebih besar (yang merupakan mimpi buruk logistik untuk stok), penyisipan yang gagal biasanya berarti membuang papan.

Validasi yang Sebenarnya Memprediksi Kegagalan

Anda tidak bisa mengandalkan datasheet untuk menyelamatkan Anda. Spesifikasi gaya tahan vendor didasarkan pada lubang sempurna yang dibor di laboratorium, bukan papan produksi massal yang sebenarnya Anda beli.

Untuk mencegah kegagalan lapangan ini, Anda harus memvalidasi sistem, bukan hanya komponennya. Ini berarti mengambil konektor spesifik Anda dan PCB spesifik Anda (dari pabrik papan Anda yang sebenarnya, bukan toko prototipe) dan mengujinya dengan kejutan termal dan getaran. Jalankan perakitan dari -40°C hingga 105°C (atau rentang operasi Anda) selama 500 atau 1000 siklus. Kemudian, dan hanya kemudian, ukur gaya tahan.

Jika pin tertarik keluar dengan gaya kurang dari berat kabel yang terpasang padanya, Anda punya masalah. Tidak masalah jika butuh 50 Newton untuk menariknya keluar di jalur produksi. Jika butuh 2 Newton untuk menariknya keluar setelah sebulan siklus termal, produk Anda adalah bom waktu. Fisika tidak terkalahkan; jangan pertaruhkan reputasi Anda melawannya.