보이지 않는 마모: ENIG가 가장자리 커넥터에서 실패하는 이유

실패는 보통 “소프트웨어 결함”으로 위장된 RMA 더미에 떨어집니다. USB 보안 키는 몇 주 후에 인증을 멈춥니다. 서버 랙의 PCIe 카드는 간헐적으로 버스에서 떨어지며 커널 패닉을 유발합니다. 소프트웨어 팀은 몇 주 동안 드라이버 디버깅에 몰두하지만 근본 원인은 코딩이 아닙니다. 20배 확대에서만 볼 수 있습니다.

이 실패한 보드의 가장자리에 확대하여 보면 이야기는 폭력적입니다. 금 도금이 단순히 마모된 것이 아니라 완전히 벗겨졌습니다. 남은 것은 검은 니켈 산화물과 노출된 구리의 얼룩입니다. 접촉 저항이 관리 가능한 30밀리오움에서 단선으로 급증했습니다.

이것은 전통적인 의미의 제조 결함이 아닙니다. 보드는 정확히 인쇄물대로 만들어졌습니다. 실패는 설계 소프트웨어에서 발생했으며, 간단한 “금 도금” 사양이 삽입의 물리적 잔인함을 견뎌야 하는 커넥터에 적용된 순간입니다.

물리학 대 마케팅 브로슈어

조달 및 주니어 엔지니어링 분야에서 ‘금은 금이다’라는 오해가 만연합니다. 데이터시트에서 마감이 금이고 전기를 전도한다면, 그것이 커넥터에 적합하다는 가정입니다. 이 믿음은 금속의 근본 재질 과학을 무시하기 때문에 비용이 많이 듭니다. 순금은 믿을 수 없을 만큼 부드럽습니다. 금속공학 세계에서는 이 부드러움을 비커스 경도(HV)로 측정합니다.

Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG), 대부분의 현대 표면실장 보드에 표준으로 사용되는 마감은 거의 순수 금입니다. 보통 60에서 90 HV 범위에 해당하며, 손톱으로 자국을 남길 수 있을 만큼 부드럽습니다. ENIG 도금된 보드를 맞닿는 커넥터에 끼우면, 내부의 금속 스프링이 딱딱한 강철 쟁기로 부드러운 금 표면을 파고듭니다. 10~20번의 삽입 주기 후에 금은 사라지고, 도금 마감이 제거되며, 커넥터 핀을 아래의 니켈과 직접 접합하게 됩니다. 니켈은 공기 노출 시 빠르게 산화되어 신호를 차단하는 검은 저항층을 형성합니다.

삽입의 전단력을 견디기 위해서는 순금을 사용할 수 없습니다. 대신 ‘경금’이라고 하는 전기 도금 니켈 골드(Electrolytic Nickel Gold)가 필요합니다. 이는 일반적으로 소량의 코발트 또는 때때로 니켈이 첨가된 합금으로, 근본적으로 도금의 결정 구조를 변화시킵니다. 경금은 비커스 경도(HV)로 130에서 200 사이에 기록됩니다. 이 금은 쟁기질이 아니며, 미끄러져 갑니다. 수백, 때로는 수천 번의 결합 주기를 견디도록 설계되어 있으며, 기저 금속을 노출시키지 않습니다.

우리는 종종 공급업체나 제작사가 ‘두꺼운 ENIG’를 제안하는 것을 봅니다—단순히 더 오랫동안 침지욕조에 담궈서 순금 층을 두껍게 만드는 것입니다. 이것은 함정입니다. 몇 번의 마모를 지연시킬 수 있지만, 새로운 위험인 ‘블랙 패드’를 유발할 수 있습니다. 이는 니켈층이Extended 침지 과정 중 부식으로 인해 발생하는 깨지기 쉬운 균열 현상입니다. 또한, 잘못된 재료로 물리학과 싸우고 있는 것과 같습니다. 더 두꺼운 연한 버터 층은 여전히 버터이기 때문에 칼날을 저항하지 못합니다.

제조 제약: 타이 바

경금이 커넥터에 최적이라면, 왜 전체 보드의 기본 재질이 아니죠? 답은 제조 과정에 있습니다. ENIG는 화학적 공정이며, 보드를 용액 탱크에 담그면 반응이 노출된 구리 전체에 일어납니다. 이 방식은 우아하고 평평하며 외부 연결이 필요 없습니다.

하드 골드는 전해질로 만들어집니다. 금 이온을 표면에 이동시키기 위해 활성 전류가 필요합니다. 제조 과정에서 이 전류가 끝단 커넥터 핑거까지 흐르도록 하려면, 보드 제작자는 '타이 바' 또는 '버스 라인'인 금속 트레이스를 포함해야 합니다—이 트레이스들은 금 핑거를 생산 패널의 가장자리에 물리적으로 연결하는 선입니다. 이 트레이스들은 도금 욕조 내에서 전류를 전달합니다.

도금이 끝나면, 보드는 패널에서 절단되고 그 타이 바들이 잘립니다. 만약 금 핑거의 맨 끝 부분—연결이 잘린 작은 구리 노출 부분—를 자세히 보면, 그 흔적을 종종 볼 수 있습니다. 이 요구사항은 배치를 제약합니다. 보드 중앙에 '떠다니는' 하드 골드 섬을 쉽게 만들 수 없습니다. 또한, 이 프로세스는 노동과 단계 측면에서 부가적인 과정임을 의미합니다. 제작소는 나머지 보드를 덮기 위한 별도 마스킹 과정을 실행하고, 핑거를 도금한 후 나머지를 마무리해야 합니다.

이로 인해 견적 시 일반적인 마찰 포인트가 발생합니다. 조달 담당자는 '하드 골드 핑거' 항목이 보드 비용에 5-10%이 추가된다고 보고하며, '우리가 나머지 보드와 동일한 마감처리를 사용할 수 없을까?'라고 묻거나, 반대로 전체 보드를 하드 골드로 도금해 과정을 간소화하자고 요청합니다. 이는 똑같이 위험합니다. 하드 골드의 내구성을 위해 사용하는 코발트는 납땜에는 매우 적합하지 않습니다. 하드 골드의 납땜 조인트는 부서지기 쉽고 실패하기 쉽습니다. 규칙은 엄격합니다: 부품에는 ENIG(또는 OSP/침지 실버)를 사용하고, 커넥터에는 하드 골드를 사용하세요. 절대 혼합하지 마십시오. 전체 하드 골드에 보드를 장착하여 프로세스를 간소화하십시오. 이것도 똑같이 위험합니다. 하드 골드의 내구성을 높이는 코발트는 납땜에 치명적입니다. 하드 골드의 납땜 조인트는 부서지기 쉽고 실패하기 쉽습니다. 규칙은 엄격합니다: 부품에는 ENIG(또는 OSP/침지 실버)를 사용하고, 커넥터에는 하드 골드를 사용합니다. 섞어 사용하지 마세요.

리콜의 미적분학

하드 골드 건너뛰는 결정은 거의 항상 비용 때문입니다. 50개 보드의 프로토타입 제작 시, 하드 골드 설정 비용은 $200을 추가할 수 있으며, 10,000개 생산 시에는 보드당 $0.40이 추가될 수 있습니다. 스프레드시트에서 $4,000을 절약하는 것은 승리처럼 보입니다.

하지만 신뢰성은 엔지니어링 지표만큼이나 경제적 지표이기도 합니다. 그 $0.40을 실패 비용과 비교해야 합니다. 장치가 조립 중 한 번 연결하고 다시는 만지지 않는 일회용 센서라면, ENIG는 기술적으로 허용 가능합니다. '삽입 횟수'는 하나입니다. 위험은 낮습니다.

하지만 만약 장치가 USB 동글, 메모리 카드 또는 모듈식 딸래야드 보드라면, 사용자 는 연결할 것입니다. 뺄 것입니다. 가방에 넣었다 다시 연결할 것입니다. 만약 그 커넥터가 6개월 후에 실패한다면, 비용은 $0.40이 아닙니다. 비용은 반품 배송, 실패 분석 인건비, 교체 유닛, 그리고 평판 손상입니다.

우리는 ENIG를 사용하여 PCIe 엣지 커넥터에서 대략 $1.20의 비용을 절감한 맞춤형 RAID 컨트롤러 사례를 분석했습니다. 현장에서는 커넥터들이 산화되기 시작했고, 저항이 증가했습니다. 그 저항에서 발생하는 열은 카드의 실패뿐만 아니라, 호스트 마더보드의 플라스틱 PCIe 슬롯도 녹였습니다. 도금에서의 ‘절감’은 200대의 서버 마더보드를 수작업으로 교체해야 하는 결과를 가져왔으며, 그 결정의 ROI는 치명적이었습니다.

삽입의 기하학

적절한 금속 공학이 있더라도, 보드 가장자리의 물리적 형상은 커넥터를 손상시킬 수 있습니다. 표준 PCB는 밀링 비트로 가공되어 90도 날카로운 가장자리를 남깁니다. 만약 날카로운 90도 가장자리를 가진 1.6mm 두께의 보드를 커넥터에 강제로 넣으면, 본질적으로 핀에 기요틴을 사용하는 것과 같습니다.

이 경우 'Chamfer' 또는 'Bevel' 사양이 매우 중요해집니다. 적절한 엣지 커넥터는 PCB 가장자리가 보통 20도 또는 30도로 기울어지도록 요구합니다. 이 경사는 커넥터 핀이 금 도금된 패드 위로 부드럽게 올라오게 하여, 유리섬유의 선행 가장자리와 충돌하는 것을 방지합니다.

일반적으로 'Hard Gold, 30 마이크 인치'를 지정하는 설계들이 있지만, 챔퍼를 명시하는 것을 잊는 경우가 많습니다. 그 결과 화학적으로 완벽하지만 기계적으로 파손이 쉬운 보드가 만들어집니다. 커넥터 핀이 유리섬유에 걸려 휘거나, 강하게 금의 선행 가장자리에서 긁혀 표면이 손상되기도 합니다. 만약 제작소가 엣지 핑거가 있는 설계를 제출할 때 비벨 각도에 대해 묻지 않는다면, 사용자는 함정에 빠지게 되는 셈입니다.

최종 사양

BOM에 서명하면 부품만 구입하는 것이 아니라 확률도 구입하는 것입니다. 연결 실패 확률이 거의 0에 가까워지도록 하려면 제작 도면의 사양이 명확해야 합니다. 공급업체의 기본값에 의존하지 마세요.

1. 재료 명시: 명확하게 “고경전해금” 또는 “금/코발트 합금”을 요청하세요.
2. 두께 명시: “플래시 골드”는 마케팅 용어이지 규격이 아닙니다. 표준 엣지 커넥터(PCIe, USB, ISA)의 경우, 업계 표준(IPC-6012 Class 2/3)은 보통 최소 30마이크로인치(약 0.76마이크론)를 요구합니다. 15마이크로인치 미만은 사실상 마모 타이머입니다.
3. 형상 명시: 맞대기 가장자리에 20-30도 chamfer를 표시하세요.

마모된 접점에 대한 소프트웨어 패치는 없습니다. 금이 사라지면 장치는 죽은 것과 같습니다. 올바른 도금에 추가로 지출하는 몇 센트가 가장 저렴한 보험입니다.