L’abrasione invisibile: perché l’ENIG fallisce sui connettori di bordo

Il fallimento si conclude di solito nel mucchio RMA mascherato da un " glitch software". Una chiave di sicurezza USB smette di autenticare dopo poche settimane. Una scheda PCIe in un rack di server si scollega intermittentemente dal bus, causando un panic nel kernel. Il team di sviluppo trascorre settimane a debug dei driver, ma la causa principale non è il codice. È visibile solo sotto una lente di ingrandimento 20x.

Se ingrandisci il connettore di bordo di quelle schede fallite, la storia è violenta. La placcatura in oro non si è solo consumata; è stata completamente tranciata. Quello che rimane è una macchia di ossido di nichel nero e rame esposto. La resistenza di contatto è salita da 30 milliohm gestibili a un circuito aperto.

Questo non è un difetto di produzione nel senso tradizionale. La scheda è stata costruita esattamente secondo il disegno. Il fallimento è avvenuto nel software di progettazione, nel momento in cui è stata applicata una specifica semplificata di "Placcatura in Oro" a un connettore destinato a sopportare la brutalità fisica dell'inserimento.

Fisica vs. Brochure di Marketing

C'è un'idea sbagliata diffusa nel procurement e tra i giovani ingegneri che “l'oro è oro”. Se il datasheet dice che la finitura è oro e conduce elettricità, si presume che funzioni per un connettore. Questa convinzione è costosa perché ignora la scienza dei materiali fondamentale del metallo. L'oro puro è incredibilmente morbido. Nel mondo della metallurgia, misuriamo questa morbidezza sulla scala di durezza Vickers (HV).

L'Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG), finitura standard per la maggior parte delle schede a montaggio superficiale moderne, è quasi oro puro. Di solito si aggira tra 60 e 90 HV. È abbastanza morbido da permettere a un'unghia di lasciare un segno. Quando inserisci una scheda placcata ENIG in un connettore compatibile, le molle di metallo all'interno di quel connettore agiscono come aratri in acciaio temprato scavando sulla superficie morbida dell'oro. In 10-20 cicli di inserimento, l'oro è scomparso. Hai passato attraverso la finitura e ora stai collegando i pin del connettore direttamente contro il nichel sottostante. Il nichel si ossida rapidamente esposto all'aria, creando quella layer nero e resistivo che uccide il segnale.

Per resistere alle forze di taglio dell'inserimento, non si può usare oro puro. È necessario l'"Oro Duro", tecnicamente noto come Oro Elettrolitico con Nichel. È una lega, di solito drogata con piccole quantità di Cobalto o talvolta Nichel, che altera fondamentalmente la struttura cristallina del deposito. L'Oro Duro si posiziona tra 130 e 200 HV sulla scala di Vickers. Non raschia; scivola. È progettato per sopravvivere a centinaia, a volte migliaia, di cicli di accoppiamento senza esporre il metallo di base.

Spesso vediamo fornitori o aziende di produzione suggerire 'ENIG Spesso più spesso' come compromesso - semplicemente lasciando la scheda nel bagno di immersione più a lungo per costruire uno strato più spesso di oro puro. Questa è una trappola. Sebbene possa ritardare il consumarsi di qualche ciclo, introduce un nuovo rischio: "Pad Nero", un fenomeno di frattura fragile causato dalla corrosione dello strato di nichel durante il processo di immersione estesa. Inoltre, stai ancora combattendo la fisica con il materiale sbagliato. uno strato più spesso di burro morbido è ancora burro; non resisterà al coltello.

Il Vincolo di Produzione: Barre di Collegamento

Se l'Oro Duro è la scelta superiore per i connettori, perché non è di default per tutta la scheda? La risposta risiede nel processo di produzione. L'ENIG è un processo chimico; immergi la scheda in una vasca, e la reazione avviene ovunque ci sia rame esposto. È elegante, piatta e non richiede collegamenti esterni.

L'oro duro è elettrolitico. Richiede una corrente elettrica attiva per spingere gli ioni d'oro sulla superficie. Per far sì che questa corrente raggiunga i contatti delle dita di estremo, il progettista della scheda deve includere ‘barrette di collegamento’ o ‘linee bus’ — tracce che collegano fisicamente le dita d'oro ai bordi del pannello di produzione. Queste tracce trasportano la corrente durante il bagno di placcatura.

Dopo aver completato la placcatura, la scheda viene ritagliata dal pannello e quelle barrette di collegamento vengono recise. Spesso si possono vedere i residui di esse se si guarda attentamente alla punta di una dito d'oro — una piccola chiazza di rame esposto dove la connessione è stata tagliata. Questo requisito impone delle restrizioni sulla disposizione. Non puoi facilmente avere isole di oro duro “fluttuanti” nel mezzo di una scheda. Significa anche che il processo è additivo in termini di lavoro e passaggi. La fabbrica deve eseguire un processo di mascheratura separato per coprire il resto della scheda, placcare le dita, e poi terminare il resto.

Questo porta a un punto di attrito comune nelle offerte. Un responsabile degli acquisti vede l'articolo di linea per “Dita d'oro duro” aggiungendo % a2T00 al costo della scheda e chiede, “Non possiamo usare semplicemente la stessa finitura del resto della scheda?” Oppure, al contrario, chiedono di placcare l’intera scheda in oro duro per semplificare il processo. Ciò è altrettanto rischioso. Il Cobalto che rende l'Oro Duro durevole lo rende terribile per saldare. Le giunzioni di saldatura su oro duro sono fragili e soggette a fallimenti. La regola è rigida: ENIG (o OSP/Argento immerso) per i componenti, Oro Duro per il connettore. Mai combinarli. intero Inserire nel piatto in Hard Gold per semplificare il processo. È altrettanto pericoloso. Il Cobalto che rende durevole l'Hard Gold lo rende terribile per la saldatura. Le giunzioni saldate su Hard Gold sono fragili e soggette a guasti. La regola è rigida: ENIG (o OSP/Argento Immersione) per i componenti, Hard Gold per il connettore. Non mescolarli mai.

Il Calcolo del Ricordo

La decisione di saltare l'oro duro è quasi sempre finanziaria. In un lotto di prototipi di 50 schede, la tassa di configurazione per l'oro duro potrebbe aggiungere $200. In un lotto di produzione di 10.000 unità, potrebbe aggiungere $0,40 per scheda. Nel foglio di calcolo, risparmiare $4.000 sembra una vittoria.

Ma l’affidabilità è una metrica economica tanto quanto ingegneristica. Dobbiamo confrontare quel $0,40 con il costo del fallimento. Se il dispositivo è un sensore monouso che viene collegato una volta durante l’assemblaggio e mai più toccato, ENIG è tecnicamente accettabile. Il “conteggio delle inserzioni” è uno. Il rischio è basso.

Ma se il dispositivo è una chiavetta USB, una memory card, o una scheda figlia modulare, l’utente lo alimenta. Lo sconnetteranno. Lo metteranno in una borsa e lo riconnetteranno di nuovo. Se quel connettore fallisce dopo sei mesi, il costo non è $0,40. Il costo è la spedizione del reso, la manodopera dell’analisi del guasto, la sostituzione dell’unità e il danno alla reputazione.

Abbiamo analizzato un caso che coinvolgeva un controller RAID personalizzato dove il fornitore ha risparmiato circa $1,20 per scheda usando ENIG su un connettore PCIe di bordo. I connettori iniziarono ad ossidarsi sul campo, aumentando la resistenza. Il calore generato da quella resistenza non solo ha fallito la scheda; ha fuso le fessure PCIe di plastica sulle schede madri host. Il “risparmio” sulla placcatura ha comportato la necessità di sostituire manualmente 200 schede madri server. Il ritorno sull’investimento di quella decisione è stato catastrofico.

La Geometria dell'Inserimento

Anche con la metallurgia corretta, la forma fisica del bordo della scheda può distruggere un connettore. Un PCB standard viene intagliato con un utensile per fresare, lasciando un bordo acuto di 90 gradi. Se si forza una scheda spessa 1.6mm con un bordo appuntito a 90 gradi in un connettore, si sta essenzialmente usando una ghigliottina sui pin del connettore.

È qui che la specifica “Smussato” o “Bevel” diventa critica. Un connettore di bordo adeguato richiede che il bordo del PCB sia inclinato, tipicamente a 20 o 30 gradi. Questa rampa permette ai pin del connettore di salire sui pad d’oro in modo fluido invece di urtare contro il bordo anteriore della fibra di vetro.

È comune vedere progetti che specificano “Oro duro, 30 micro-pollici”, ma dimenticano di specificare il beccuccio. Il risultato è una scheda che è chimicamente perfetta ma meccanicamente distruttiva. I pin del connettore si impigliano sulla fibra di vetro, si piegano o graffiano violentemente contro il bordo frontale dell’oro, pre-usurando la superficie prima che il dispositivo sia anche completamente inserito. Se la tua fabbrica non ti chiede dell’angolo di taglio quando presenti un progetto con dita di bordo, ti stanno lasciando cadere in una trappola.

La Specifica Finale

Quando approvi un BOM, non stai solo acquistando parti; stai acquistando probabilità. Per garantire che la probabilità di guasto del collegamento rimanga vicino a zero, la specifica sul disegno di fabbricazione deve essere esplicita. Non fare affidamento sulle impostazioni di default del fornitore.

1. Specificare il Materiale: Richiedere esplicitamente “Oro Elettrolitico Duro” o “Lega Oro/Cobalto.”
2. Specificare lo Spessore: “Gold flash” è un termine di marketing, non una specifica. Per i connettori di bordo standard (PCIe, USB, ISA), lo standard dell'industria (IPC-6012 Classe 2/3) richiede generalmente un minimo di 30 micro-pollici (circa 0,76 micron). Qualsiasi cosa inferiore a 15 micro-pollici è praticamente un timer di usura.
3. Specificare la Geometria: Indicare un angolo di fresatura di 20-30 gradi sul bordo di accoppiamento.

Non esiste una patch software per un contatto usurato. Una volta che l'oro scompare, il dispositivo è morto. I pochi centesimi in più spesi per la placcatura corretta sono l'assicurazione più economica che possa acquistare.