보이지 않는 산화물: 금과 주석은 왜 불안정한 조합인가

기계가 멈춥니다. 습한 방적 공장의 고속 산업 베틀이거나 조용한 병원 병동의 의료 모니터링 카트일 수 있습니다. 증상은 항상 같습니다: 갑작스럽고 설명할 수 없는 신호 손실로 작업이 중단됩니다. 기술자가 캐비닛을 열고 제어 박스를 두드리면 시스템이 다시 활성화됩니다. 엔지니어들은 이를 '소프트웨어 결함'이나 '기계 속 유령'으로 기록하고 넘어가지만, 그들은 잘못 알고 있습니다.

그것은 드뭅니다. 만약 그 회로판을 뽑아내어 연결 인터페이스를 50배 확대된 주사전자현미경으로 본다면, 유령은 물리적 흉터로 드러날 것입니다. 이 부식은 몇 달 전에 내려진 특정 결정에서 비롯됩니다: 금도금 헤더와 주석도금 소켓을 결합하는 것. 공급망 부족이나 원가 절감을 위한 선택은 종종 이러한 선택을 하게 하지만, 물리학은 그 절감에 세금을 부과합니다. 다운타임, 보증 청구, 그리고 결코 같지 않았던 '동등한' 부품의 급작스러운 교체로 그 대가를 치르게 됩니다.

갈바닉 트랩

이 실패가 불가피한 이유를 이해하려면 기본 화학을 살펴보세요. 금과 주석은 갈바닉 시리즈 차트의 서로 다른 영역에 있습니다. 금은 귀금속으로, 산화되지 않으며, 거의 영원히 전도성과 불활성 상태를 유지합니다. 주석은  원합니다 산화되어, 거의 즉시 공기 노출 시 얇고 딱딱한 주석 산화물(SnO2) 피부를 형성합니다.

이 두 금속을 커넥터 시스템에서 결합하면—예를 들어, Molex C-Grid 또는 TE AMPMODU와 같은 시리즈의 표준 0.100″ 피치 헤더—갈바닉 전위를 생성합니다. 금과 주석 간의 전극 전위 차이는 약 0.4볼트입니다. 약간의 습기를 더하면, 그 전위 차이는 커넥터 인터페이스를 작은 배터리로 만들어 버립니다. 주석은 양극이 되어 가속된 속도로 부식되기 시작합니다.

디자인자들은 종종 이 현실을 속이려 합니다. 설계 검토에서 흔히 묻는 질문은 'Gold Flash'(아주 얇은 금층, 종종 0.1 마이크로미터 이하)가 주석과 결합하기에 충분한가 하는 것입니다. 전제는 어떤 금이 없느니보다 낫다는 것입니다. 그러나 Gold Flash는 종종 다공성입니다. 이것은 밑의 니켈이나 구리가 이동하게 하여 복잡한 금속간 부식을 형성하게 하며, 이로 인해 순수한 주석-주석 인터페이스보다 예측하기 더 어려운 부식을 초래합니다. 화학적 특성은 용서하지 않으며, 도금 시스템이 일치하지 않으면, 공장에서 제품을 떠나는 순간 인터페이스는 불안정해집니다.

그러나 배터리 효과만으로는 신호를 즉시 차단하는 경우는 드물다. 커넥터가 완벽하게 고정되어 있고 에폭시 블록에 밀봉되어 있었다면, 갈바닉 불일치에도 불구하고 수년 동안 전도될 수 있었다. 진짜 원흉은 두 번째 공범인 움직임이다.

마모: 파괴의 엔진

우리는 이것을 프레팅 부식을 부른다. 이는 케이블의 플러그를 뺐다 끼우는 것과 같은 크고 눈에 띄는 움직임으로 인해 발생하는 것이 아니다. 미세한 움직임—마이크로미터 단위로 측정된 움직임—이 자칭 "잠김" 상태의 커넥터에서 발생하는 동안 번성한다.

진동은 종종 잘못 탓하는데—공장 바닥의 윙윙거림이나 차량 섀시의 우르릉함이 그 예다. 그러나 많은 경우 원인은 단순히 열 순환이다. 플라스틱 인클로저 안에 부착된 PCB를 생각해보라. 장치가 작동 중에는 가열되고 밤에는 냉각되면서, 플라스틱 하우징과 PCB의 FR-4 유리섬유가 서로 다른 속도로 팽창하고 수축한다. 이 불일치는 커넥터 핀을 서로 가득 맞는 접점에 대해 앞뒤로 긁게 만든다.

주석 접촉부가 다른 주석 접촉부와 결합할 때, 이 긁힘은 사실 이득이다; 산화층을 뚫고 신선하고 전도성인 금속을 노출시킨다. 이것이 "셀프 클리닝"이다. 그러나 딱딱한 골드 헤더가 부드러운 주석 소켓과 결합할 때, 역학이 바뀐다. 딱딱한 골드 핀은 마치 파일처럼 작용한다. 매 열 순환마다 소프트 주석을 긁어낸다. 주석은 산화되고, 골드는 그 산화를 벗긴다.

시간이 지남에 따라—아마 200회 순환 또는 2000회—이 이물질이 쌓인다. 주석 산화물은 세라믹과 비슷하다: 단단하고 부서지기 쉬우며 전기 절연성이다. 떨어져 나가지 않으며, 접촉 면에 갇힌다. 현미경으로 보면, 이 축적된 이물질은 접촉 영역 한가운데 "검은 점"으로 나타난다. 마치 재의 더미처럼 보인다. 결국, 그 재는 두꺼워져서 금속 표면 전체를 분리한다. 연결 저항이 선형적으로 상승하지 않고, 기하급수적으로 급증한다. 한 순간 저항은 30밀리오옴이고, 다음 순간은 개방회로다.

예외도 있다. 만약 커넥터 시스템이 강력한 정상 힘—고압 가스 밀폐 크림핑이나 볼트 단자를 생각하라—으로 설계되었다면, 그 압력은 거의 모든 산화층을 뚫을 수 있다. 그러나 산업 및 소비자 전자제품에 사용되는 대다수의 보드 간 및 와이어 간 커넥터는 작은 스탬퍼 금속 스프링에 의존한다. 이 스프링은 골드-틴 불일치로 생성된 산화 이물질을 융합할 강한 힘이 없다.

소프트웨어 환상

프레팅 부식의 가장 위험한 측면은 그 간헐성이다. 느슨한 이물질 더미가 고장을 일으키기 때문에, 연결이 기계적으로 불안정하다. 약간의 진동, 열 이동, 또는 좌절한 기술자의 탭 치기와 같은 타격이 이물질 더미를 약간만 움직여 다시 접촉하게 만들 수 있다.

이로 인해 엔지니어링 팀에는 낭비적인 패턴이 생긴다. 하드웨어는 현장에서 실패하지만, 모듈이 "벤치 테스트"를 위해 돌아오면 완벽하게 작동한다. 유닛을 분리하여 배송할 때 접촉이 정리되거나, 안정된 실험실 온도가 열 팽창을 방지하여 개방회로를 유발한다.

그래서 하드웨어 팀이 종료 승인을 내면, 책임이 펌웨어로 넘어간다. 개발자는 노이즈 필터링을 위한 "디바운스" 알고리즘을 수 주간 작성하거나 통신 패킷에 재시도 로직을 추가한다. 그들은 코드로 물리학 문제를 해결하려 한다. 어느 소프트웨어 디바운싱도 신호 경로를 물리적으로 분리하는 고저 저항 접합점을 고칠 수 없다. 공기 간격을 코딩으로 넘어설 수 없다.

완화와 윤활제 밴드 에이드

이 불일치 도금으로 이미 배치된 기기들이 있고, 리콜이 재정적으로 불가능할 경우, 믿을 수 있는 방지책은 윤활제뿐이다. Nyogel 760G와 같은 전문 접촉 윤활제를 커넥터 인터페이스에 주입할 수 있다.

윤활제는 두 가지 목적을 갖는다. 첫째는 산소와 습기로부터 접촉 영역을 밀봉하여 갈바닉 부식을 늦춘다. 둘째이자 더 중요한 것은 산화 이물질을 떠 있게 하는 것이다. 고형 절연층으로 밀착하는 대신, 이물질은 그리스에 떠서 금속 돌기들이 뚫고 나와 접촉할 수 있게 한다.

그러나 혼합 금속 인터페이스를 위한 설계 전략으로 윤활제에 의존하는 것은 도박이다. 유지보수 부담을 만든다. 먼지를 끌어들인다. 결국 마른다. 존재하지 말아야 할 상처에 붙이는 반창고와 같다. 혼합 인터페이스가 허용되는 유일한 경우는 수명이 짧은 소비자 전자제품—2년 내에 교체되는 모바일폰—뿐이다. 이 경우 충분한 열 순환이 일어나지 않아 산화막이 형성되지 않을 수 있다. 그러나 산업용, 자동차용 또는 의료기기와 같이 10년을 내다보는 제품에는 윤활제가 결국 실패하고, 물리학이 다시 제자리로 돌아간다.

판단: 교전 규칙

금도금과 주석도금의 섞임에 대한 경제적 논거는 보통 간단하다: "우리는 수천 개의 골드 헤더를 재고로 가지고 있지만, 주석 소켓은 더 저렴하다." 또는 "공급망이 끊어졌으며, 우리는 헤더의 골드 버전만 구할 수 있다." 그 절감 효과는 유닛당 몇 센트일 수도 있다.

그 절약을 단일 필드 고장 비용과 비교하세요. 산업 현장에서는 정지된 기계를 진단하기 위해 트럭을 보내는 데 $500에서 $1,000이 들 수 있습니다. 만약 고장이 생산 라인 정지로 이어진다면, 시간당 수천 달러의 비용이 발생할 수 있습니다. 심지어 0.1%의 고장률도 전체 생산 주기의 BOM 절약을 무용지물로 만듭니다.

작전 규칙은 절대적입니다. 헤더가 골드이면 소켓도 골드여야 하고, 헤더가 틴이면 소켓도 틀여야 합니다. 장기적인 신뢰성을 위해 안전한 ‘하이브리드’ 솔루션은 없습니다. BOM은 일일 시장 가격에 따라 재료를 교체할 수 있는 식료품 목록이 아니며, 전기기계 시스템의 정의입니다. 골드와 틴을 섞으면 비용을 절약하는 것이 아니라 타이머를 만드는 것입니다.