Oksida Tak Terlihat: Mengapa Emas dan Timah Merupakan Campuran yang Mudah Bergerak

Mesin berhenti. Mungkin itu adalah alat tenun industri kecepatan tinggi di pabrik tekstil yang lembab, atau troli pemantauan medis di bangsal rumah sakit yang tenang. Gejalanya selalu sama: hilangnya sinyal tiba-tiba dan tak dapat dijelaskan yang menghentikan operasi. Teknisi membuka lemari, mengetuk kotak kontrol, dan sistem kembali hidup. Insinyur mencatatnya sebagai 'gangguan perangkat lunak' atau 'hantu di mesin' dan melanjutkan. Mereka salah.

Ini jarang perangkat lunak. Jika Anda menarik papan sirkuit itu dan menempatkan antarmuka konektor di bawah mikroskop elektron pemindaian dengan pembesaran 50x, hantu itu akan terungkap sebagai bekas fisik. Korosi ini berasal dari keputusan tertentu yang dibuat beberapa bulan sebelumnya: memasangkan header berlapis emas dengan soket berlapis timah. Kekurangan rantai pasokan atau keinginan untuk mengurangi sebagian kecil dari Anggaran Material (BOM) sering mendorong pilihan ini, tetapi fisika mengenakan pajak atas penghematan itu. Anda membayarnya dengan waktu henti, klaim garansi, dan penggantian terburu-buru dari bagian 'setara' yang sebenarnya tidak pernah setara sama sekali.

perangkap Galvanik

Untuk memahami mengapa kegagalan ini tak terhindarkan, lihatlah kimia dasar. Emas dan Timah tinggal di lingkungan yang berbeda pada grafik seri galvanik. Emas adalah logam mulia; tidak teroksidasi. Ia tetap konduktif dan inert hampir selamanya. Timah adalah logam dasar. Ia ingin mengoksidasi, membentuk lapisan tipis, keras dari Timah Oksida (SnO2) hampir langsung setelah terpapar udara.

Ketika Anda memasangkan kedua logam ini dalam sistem konektor—katakanlah, header pitch standar 0.100″ dari seri seperti Molex C-Grid atau TE AMPMODU—Anda menciptakan potensial galvanik. Perbedaan potensi elektroda antara Emas dan Timah sekitar 0.4 volt. Tambahkan kelembapan minimal, dan perbedaan potensial itu mengubah antarmuka konektor menjadi baterai kecil. Timah menjadi anoda dan mulai korosi dengan kecepatan yang dipercepat.

Perancang sering mencoba menipu kenyataan ini. Pertanyaan umum dalam tinjauan desain adalah apakah 'Emas Kilap' (lapisan sangat tipis emas, sering di bawah 0,1 mikron) cukup untuk dipasangkan dengan Timah. Asumsinya adalah beberapa emas lebih baik daripada tidak sama sekali. Tapi Gold Flash sering berpori. Ini memungkinkan nikel atau tembaga di bawahnya bermigrasi melalui, menciptakan produk korosi intermetalik yang bahkan lebih sulit diprediksi daripada antarmuka Tin murni. Kimianya tidak memaafkan: jika sistem pelapisan tidak cocok, antarmuka menjadi tidak stabil begitu meninggalkan pabrik.

Namun, efek baterai saja jarang langsung mematikan sinyal. Jika konektor benar-benar diam, tersegel dalam blok epoxy, mungkin akan menghantarkan listrik selama bertahun-tahun meskipun ketidakcocokan galvanik. Pembunuh sejati membutuhkan pendamping kedua: gerakan.

Fretting: Mesin Penghancur

Kami menyebut ini Korosi Fretting. Itu bukan disebabkan oleh gerakan besar yang terlihat seperti mencabut dan menyambungkan kabel. Itu berkembang dari mikro-gerakan — gerakan yang diukur dalam mikrometer — yang terjadi saat konektor secara talisaya “ terkunci” di tempat.

Getaran sering disalahkan — dengungan dari lantai pabrik atau gemuruh kerangka kendaraan. Tapi dalam banyak kasus, pelaku sebenarnya adalah siklus termal. Pertimbangkan PCB yang dipasang di dalam penutup plastik. Saat perangkat memanas selama operasi dan mendingin saat malam hari, penutup plastik dan fiberglass FR-4 dari PCB mengembang dan menyusut dengan kecepatan berbeda. Ketidakcocokan ini memaksa pin konektor menggosok bolak-balik terhadap kontak pasangannya.

Ketika kontak Tembaga bertemu kontak Tembaga lain, penggosokan ini sebenarnya menguntungkan; itu memecahkan lapisan oksida dan mengekspos logam yang segar dan dapat menghantarkan listrik. Ini disebut “pembersihan sendiri.” Tetapi ketika header Gold keras bertemu dengan soket Tembaga lembut, dinamika berubah. Pin Gold keras bertindak seperti alat pengikir. Dengan setiap siklus termal, itu menggores Tembaga lembut. Tembaga mengalami oksidasi, dan Gold menggosok oksida itu.

Seiring waktu — mungkin 200 siklus, mungkin 2000 — serpihan ini menumpuk. Tembaga oksida mirip keramik: keras, rapuh, dan isolator listrik. Itu tidak terkelupas; itu terperangkap di antarmuka kontak. Di bawah mikroskop, penumpukan ini muncul sebagai “Titik Hitam” di tengah area kontak. Itu tampak seperti tumpukan abu. Akhirnya, abu itu tumbuh cukup tebal untuk memisahkan sepenuhnya permukaan logam. Resistansi koneksi tidak meningkat secara linear; melonjak secara eksponensial. Satu saat resistansi adalah 30 milliohm; berikutnya, menjadi sirkuit terbuka.

Ada pengecualian. Jika sistem konektor dirancang dengan gaya normal yang besar — pikirkan tentang crimp kedap gas berdaya tinggi atau terminal yang dikencangkan dengan baut — tekanan dapat menembus hampir semua lapisan oksida. Tetapi untuk sebagian besar konektor board-ke-board dan kawat-ke-board yang digunakan dalam elektronik industri dan konsumen, gaya kontak bergantung pada pegas logam kecil yang dicetak. Itu hanya kekurangan kekuatan untuk menghancurkan serpihan oksida yang dihasilkan oleh ketidakcocokan Gold-Tin.

Ilusi Perangkat Lunak

Aspek paling berbahaya dari Korosi Fretting adalah intermittensinya. Karena tumpukan serpihan longgar menyebabkan kegagalan, koneksi secara mekanis tidak stabil. Getaran ringan, pergeseran termal, atau bahkan pemeliharaan perkusi oleh teknisi frustrasi yang mengetuk kotak dapat menggeser tumpukan serpihan cukup untuk mengembalikan kontak.

Ini menciptakan pola yang boros di tim rekayasa. Perangkat gagal di lapangan, tetapi ketika unit dikembalikan ke laboratorium untuk “Pengujian Meja,” itu berfungsi dengan sempurna. Mencabut unit untuk dikirim menghapus kontak, atau suhu laboratorium yang stabil mencegah ekspansi termal yang memicu sirkuit terbuka.

Jadi, tim perangkat keras menandatangani, dan kesalahan beralih ke perangkat lunak. Pengembang menghabiskan minggu menulis algoritma “debounce” untuk menyaring noise pada pin input atau menambahkan logika coba ulang ke paket komunikasi. Mereka berusaha menyelesaikan masalah fisika dengan kode. Tidak ada jumlah debounce perangkat lunak yang bisa memperbaiki sambungan resistansi tinggi yang secara fisik memisahkan jalur sinyal. Anda tidak bisa memrogram jalur udara.

Mitigasi dan Perban Pelumas

Jika sebuah armada perangkat sudah diterapkan dengan pelapisan yang tidak cocok ini, dan recall secara finansial tidak memungkinkan, hanya ada satu mitigasi yang dapat diandalkan: pelumasan. Pelumas kontak khusus, seperti Nyogel 760G, dapat disuntikkan ke dalam antarmuka konektor.

Pelumas berfungsi untuk dua tujuan. Pertama, menutup area kontak dari oksigen dan kelembapan, memperlambat korosi galvanik. Kedua, dan yang lebih penting, menggantung serpihan oksida. Alih-alih mengepaku ke lapisan isolator padat, serpihan mengapung di dalam pelumas, memungkinkan ketajaman logam menembus dan melakukan kontak.

Namun, bergantung pada pelumas sebagai strategi utama desain untuk antarmuka logam campuran adalah judi. Hal ini menciptakan beban pemeliharaan. Menarik debu. Akhirnya mengering. Ini adalah plester untuk luka yang seharusnya tidak ada. Satu-satunya waktu antarmuka campuran diterima adalah dalam elektronik konsumen dengan umur singkat — ponsel yang diganti dalam dua tahun mungkin tidak mengalami cukup siklus termal untuk membangun massa oksida kritis. Tapi untuk peralatan industri, otomotif, atau medis yang dirancang bertahan selama satu dekade, pelumas akhirnya akan gagal, dan fisika akan melanjutkan pekerjaannya.

Putusan: Aturan Keterlibatan

Alasan ekonomi untuk mencampur pelapisan biasanya sederhana: "Kami memiliki ribuan header Emas dalam stok, tetapi soket Timah lebih murah." Atau, "Rantai pasokan rusak, dan kami hanya bisa mendapatkan versi Emas dari header tersebut." Penghematan mungkin hanya beberapa sen per unit.

Bandingkan penghematan itu dengan biaya kegagalan lapangan tunggal. Dalam pengaturan industri, biaya pengiriman truk untuk mendiagnosis mesin yang berhenti bisa mencapai $500 hingga $1.000. Jika kegagalan menyebabkan penghentian lini produksi, biayanya bisa mencapai ribuan dolar per jam. Tingkat kegagalan bahkan 0.1% menghapus penghematan BOM dari seluruh jalur produksi.

Aturan keterlibatan bersifat mutlak. Jika header adalah Emas, soket harus Emas. Jika header adalah Timah, soket harus Timah. Tidak ada solusi 'hidrid' yang aman untuk keandalan jangka panjang. BOM bukanlah daftar belanja yang bahan-bahannya bisa diganti sesuai harga pasar harian; ini adalah definisi dari sistem elektromekanis. Saat Anda mencampur Emas dan Timah, Anda tidak menghemat uang. Anda sedang membangun sebuah timer.