De onzichtbare schuur: waarom ENIG faalt op randconnectors

De storing eindigt meestal in de RMA-stapel vermomd als een “softwarefout”. Een USB-veiligheidsleutel stopt met authenticeren na een paar weken. Een PCIe-kaart in een serverscherm valt af en toe uit de bus, wat een kernel panic veroorzaakt. Het softwareteam besteedt weken aan het debuggen van drivers, maar de oorzaak ligt niet in de code. Het is alleen zichtbaar onder 20x vergroting.

Als je inzoekt op de randconnector van die defecte borden, is het verhaal gewelddadig. De gouden coating is niet alleen versleten; hij is volledig afgesneden. Wat overblijft, is een vlek van zwart nikkoxiden en blootgelegd koper. De contactweerstand is gestegen van een hanteerbare 30 milliohm tot een open circuit.

Dit is geen fabricagefout in de traditionele zin. Het bord werd precies volgens tekening gebouwd. De storing deed zich voor in de ontwerpsoftware, op het moment dat een vereenvoudigde “Gold Plating” specificatie werd toegepast op een connector die de fysieke brutaliteit van invoeging moest overleven.

Fysica vs. Marketingbrochures

Er bestaat een hardnekkig misverstand in inkoop- en junior engineeringkringen dat “goud is goud”. Als de datasheet aangeeft dat de afwerking goud is en het geleidt elektriciteit, wordt aangenomen dat het geschikt is voor een connector. Dit geloof is duur omdat het de fundamentele materiaalkunde van het metaal negeert. Zuiver goud is ongelooflijk zacht. In de metallurgie meten we deze zachtheid op de Vickers-hardheid (HV) schaal.

Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG), de standaardafwerking voor de meeste moderne oppervlakte-montagborden, is bijna zuiver goud. Het heeft doorgaans een waarde tussen 60 en 90 HV. Het is zo zacht dat een vingernagel er een spoor op kan achterlaten. Wanneer je een met ENIG-bedekt bord in een bijpassende connector schuift, functioneren de metalen veren binnen die connector als geharde stalen ploegen die in het zachte gouden oppervlak graven. Binnen 10 tot 20 invoegcycli is het goud verdwenen. Je hebt de afwerking doorgraveerd en verbindt nu de connectorpennen direct met het onderliggende nikkel. Nikkel oxideert snel wanneer het aan lucht wordt blootgesteld, wat dat zwarte, resistieve laagje veroorzaakt dat het signaal doodt.

Om de shear-krachten tijdens het invoegen te weerstaan, kun je niet puur goud gebruiken. Je hebt “Hard Gold” nodig, technisch bekend als Electrolytic Nickel Gold. Dit is een legering, gewoonlijk geïmpregneerd met kleine hoeveelheden Cobalt of soms Nikkel, die de kristalstructuur van de depositie fundamenteel verandert. Hard Gold registreert tussen de 130 en 200 HV op de Vickers-schaal. Het schoffelt niet; het glijdt. Het is ontworpen om honderden, soms duizenden, koppelm momenten te overleven zonder het basismetaal bloot te stellen.

We zien vaak dat leveranciers of fabrieken suggereren “Dik ENIG” te gebruiken als tussenweg—door de plaat langer in de immersiebad te laten om een dikkere laag zuiver goud op te bouwen. Dit is een val. Hoewel het de slijtage met enkele cycli kan uitstellen, brengt het een nieuw risico: “Black Pad,” een bros breukfenomeen veroorzaakt door corrosie van de nikkellaag tijdens het uitgebreide onderdompelingsproces. Bovendien vecht je nog steeds tegen de fysica met het verkeerde materiaal. Een dikkere laag zachte boter is nog steeds boter; hij zal de mes niet weerstaan.

De Beperking in de Productie: Tie Bars

Als Hard Gold de superieure keuze voor connectoren is, waarom is het dan niet de standaard voor het hele bord? Het antwoord ligt in het productieproces. ENIG is een chemisch proces; je dompelt het bord onder in een tank, en de reactie vindt overal plaats waar koper wordt blootgesteld. Het is elegant, vlak en vereist geen externe verbindingen.

Hard Gold is elektrolytisch. Het vereist een actieve elektrische stroom om de gouden ionen op het oppervlak te brengen. Om die stroom naar de randconnectorvingers tijdens de fabricage te krijgen, moet de printontwerper ‘tie bars’ of 'buslijnen' opnemen — sporen die fysiek de goudvingers verbinden met de rand van het productiepanel. Deze sporen voeren de stroom tijdens het galvaniseringsbad.

Na het galvaniseren wordt de print uit het paneel gehaald en worden die tie bars doorgeknipt. Je kunt ze vaak zien als je goed naar de zeer punt van een goudvinger kijkt — een klein stukje bloot koperen meting waar de verbinding werd doorgeknipt. Deze vereiste legt beperkingen op aan de lay-out. Je kunt niet gemakkelijk ‘zwevend’ hardgoud-eilanden in het midden van een print hebben. Het betekent ook dat het proces additioneel is in termen van arbeid en stappen. Het productiehuis moet een apart maskeringsproces uitvoeren om de rest van de print af te dekken, de vingers te galvaniseren, en vervolgens de rest af te werken.

Dit leidt tot een veelvoorkomend punt van wrijving bij offertes. Een inkoopmanager ziet de lijnitem voor ‘Hard Gold Fingers’ en voegt 5-10% toe aan de kosten van de print en vraagt: ‘Kunnen we niet gewoon dezelfde afwerking gebruiken als de rest van de print?’ Of omgekeerd vragen ze om de hele print te galvaniseren in hardgoud om het proces te vereenvoudigen. Dit is even gevaarlijk. Het kobaltmengsel dat hardgoud duurzaam maakt, maakt het ook '{}'. De regel is strikt: ENIG (of OSP/immersiessilver) voor de componenten, Hard Gold voor de connector. Meng ze nooit. helemaal De beslissing om hardgoud over te slaan is bijna altijd financieel. Bij een prototype-serie van 50 prints kan de opstartkosten voor hardgoud $200 toevoegen. Bij een productie van 10.000 eenheden kan het $0,40 per print toevoegen. In de spreadsheet lijkt het besparen van $4.000 een winst.

De Calculus van de Recall

De beslissing om Hard Gold over te slaan is bijna altijd financieel. Bij een prototype van 50 borden zou deOpstartkosten voor hard gold $200 kunnen toevoegen. Bij een productie van 10.000 eenheden kan het $0.40 per bord toevoegen. In het spreadsheet lijkt het besparen van $4.000 een winst.

Maar betrouwbaarheid is net zozeer een economische maatstaf als een technische. We moeten dat $0.40 afzetten tegen de kosten van de mislukking. Als het apparaat een wegwerpsensor is die eenmaal tijdens de montage wordt aangesloten en daarna nooit meer wordt aangeraakt, is ENIG technisch acceptabel. Het ‘invoerpunt’ is één. Het risico is laag.

Maar als het apparaat een USB-dongle, een geheugenkaart of een modulair dochterbord is, dan zal sluit het in. Ze zullen het uitleggen. Ze zullen het in een tas stoppen en weer aansluiten. Als die connector na zes maanden faalt, is de kost niet $0.40. De kosten zijn de verzending van de retour, de arbeid van de foutenanalyse, de vervangende eenheid, en de reputatieschade.

We hebben een geval geanalyseerd waarbij een aangepaste RAID-controller werd gebruikt waarbij de leverancier ongeveer $1.20 per print bespaarde door ENIG te gebruiken op een PCIe-rand-connector. De connectoren begonnen te oxideren in het veld, waardoor de weerstand toenam. De hitte die door die weerstand werd gegenereerd, faalde niet alleen de kaart; het smolt de plastic PCIe-sloten op de hoofdmoederborden. De ‘besparingen’ op de galvanisering leidden tot de noodzaak om 200 servermoederborden handmatig te vervangen. De ROI van die beslissing was catastrofaal.

De Meetkunde van Invoeging

Zelfs met de juiste metallurgie kan de fysieke vorm van de rand van de print een connector beschadigen. Een standaard PCB wordt gefreesd met een freesbit, waardoor een scherpe hoek van 90 graden ontstaat. Als je een 1,6 mm dikke print met een scherpe hoek van 90 graden in een connector duwt, gebruik je in feite een guillotine op de pinnen van de connector.

Hier wordt de specificatie ‘Chamfer’ of ‘Bevel’ cruciaal. Een correcte randconnector vereist dat de rand van de PCB schuin is, meestal tot 20 of 30 graden. Deze helling zorgt ervoor dat de pins van de connector soepel over de goudpads glijden in plaats van tegen de voorrand van het glasvezel te botsen.

Het komt vaak voor dat ontwerpen specificeren ‘Hard Gold, 30 micro-inches’, maar vergeten de chamfer te specificeren. Het resultaat is een print die chemisch perfect is maar mechanisch destructief. De pins van de connector blijven haken achter het glasvezel, buigen, of schuren hevig tegen de voorrand van het goud, waardoor het oppervlak wordt afgesleten vóórdat het apparaat volledig is geplaatst. Als je fabhuis je niet naar de hoek van de bevel vraagt bij het indienen van een ontwerp met randvingers, laten ze je recht in een val lopen.

De Definitieve Specificatie

Wanneer je akkoord gaat met een BOM, koop je niet alleen onderdelen; je koopt waarschijnlijkheid. Om te zorgen dat de kans op verbindingsfalen bij benadering nul blijft, moet de specificatie op de fabricagetekening expliciet zijn. Vertrouw niet op de standaardinstelling van de leverancier.

1. Specificeer het materiaal: Vraag expliciet ‘Hard Electrolytic Gold’ of ‘Gold/Cobalt Alloy’ aan.
2. Specificeer de dikte: “Flash gold” is een marketingterm, geen specificatie. Voor standaard randverbindingen (PCIe, USB, ISA) vereist de industrie standaard (IPC-6012 Klasse 2/3) meestal minimaal 30 micro-inches (ongeveer 0,76 micron). Alles onder de 15 micro-inches is in feite een slijtage timer.
3. Specificeer de geometrie: Vermeld een afschuining van 20-30 graden op de aansluitrand.

Er is geen softwarepatch voor een versleten contact. Zodra het goud weg is, is het apparaat dood. De extra centen die je uitgeeft aan de juiste afwerking zijn de goedkoopste verzekering die je ooit zult kopen.