De onzichtbare oxide: waarom goud en tin een volatiele mix zijn

De machine stopt. Misschien is het een snel industrieel weefgetouw in een vochtige textielfabriek, of een medische monitortoestel op een rustige ziekenhuisafdeling. Het symptoom is altijd hetzelfde: een plotseling en onverklaarbaar signaalverlies dat de werking stillegt. Een technicus opent de kast, tikt op de bedieningskast, en het systeem komt weer tot leven. Engineers noteren het als een “softwarefout” of een “spook in de machine” en gaan verder. Ze hebben het mis.

Het is zelden software. Als je dat circuitbord eruit zou halen en de connectorinterface onder een scanning elektronenmicroscoop op 50x vergroting zou plaatsen, zou de geest zich als een fysieke litteken onthullen. Deze corrosie ontstaat uit een specifieke beslissing die maanden eerder werd genomen: het koppelen van een goudgeplateerde header aan een tingeplateerde socket. Tekort aan de toeleveringsketen of een wens om een fractie van een cent op de Materiaalstaat (BOM) te besparen, drijven deze keuze vaak aan, maar de natuurkunde heft daar een belasting op. Je betaalt het in stilstandtijd, garantieclaims en de hectische vervanging van “gelijke” onderdelen die nooit echt gelijk waren.

De Galvanische Val

Om te begrijpen waarom dit falen onvermijdelijk is, kijk naar de fundamentele chemie. Goud en Tin bevinden zich in verschillende wijken op de galvanische reeksklasse. Goud is een edelmetaal; het oxideert niet. Het blijft vrijwel forever geleidend en inert. Tin is een basismetalen. Het wil oxidiseert, vormt bijna onmiddellijk bij blootstelling aan lucht een dunne, harde huid van Tinoxiden (SnO2).

Wanneer je deze twee metalen in een connector systeem verbindt — zeg een standaard 0.100″ pitch header uit een serie zoals Molex C-Grid of TE AMPMODU — creëer je een galvanisch potentiaal. Het verschil in elektrodepotentiaal tussen Goud en Tin bedraagt ongeveer 0.4 volt. Voeg zelfs minimale luchtvochtigheid toe, en dat potentiaalverschil verandert de connectorinterface in een kleine batterij. De Tin wordt de anode en begint te corroderen in een versnelde snelheid.

Ontwerpers proberen vaak deze realiteit te bedriegen. Een veelgestelde vraag bij ontwerpbeoordelingen is of “Gold Flash” (een zeer dunne laag goud, vaak onder de 0.1 micron) voldoende is om met Tin te verbinden. De veronderstelling is dat enkele goud is beter dan niets. Maar Gold Flash is vaak poreus. Het laat de onderliggende nikkel of koper migreren, waardoor complexe intermetallische corrosieproducten ontstaan die nog moeilijker te voorspellen zijn dan een zuivere Tin-Tin interface. De chemie is vergevingsgezind: als de plating-systemen niet overeenkomen, is de interface instabiel vanaf het moment dat het de fabriek verlaat.

Toch verdoet het batterij-effect alleen zelden direct het signaal. Als de connector perfect stilstaand zou zijn, afgedicht in een epoxyblok, zou hij ondanks de galvanische mismatch jaren kunnen geleiden. De ware oorzaak is echter een tweede medeplichtige: beweging.

Fretting: De kracht achter de vernietiging

We noemen dit Fretting Corrosion. Het wordt niet veroorzaakt door grote, zichtbare bewegingen zoals het uit- en inpluggen van een kabel. Het gedijt op micro-bewegingen—bewegingen gemeten in micrometers—die plaatsvinden terwijl de connector ogenschijnlijk 'vergrendeld' is op z'n plek.

Trillingen krijgen vaak de schuld—het gezoem van een fabrieksvloer of het gerommel van een voertuigchassis. Maar in veel gevallen is de oorzaak simpelweg thermisch cycli. Beschouw een PCB gemonteerd in een plastic behuizing. Terwijl het apparaat opwarmt tijdens gebruik en afkoelt 's nachts, zetten het plastic en de FR-4 glasvezel van de PCB uit en krimpen ze op verschillende snelheden. Deze mismatch dwingt de connectorpinnen om heen en weer te schuren tegen hun contactmiddelen.

Wanneer een Tin-contact contact maakt met een ander Tin-contact, is dit schuren eigenlijk gunstig; het doorbreekt de oxide-laag en onthult verse, geleidende metaalletalen. Dit is ‘zelfreinigend’. Maar wanneer een harde Gold-headersmate met een zachte Tin-voet, verandert de dynamiek. De harde Gold-pin fungeert als een vijzel. Bij elke thermische cyclus schraapt hij de zachte Tin weg. De Tin oxideert, en de Gold schraapt die oxide eraf.

In de loop van de tijd—misschien 200 cycli, misschien 2000—hoopt deze afval zich op. Tinoxide is keramiekachtig: hard, bros en elektrisch isolerend. Het valt niet weg; het wordt gevangen in de contactinterface. Onder de microscoop lijkt deze ophoping op een 'Zwart Vlekje' in het midden van het contactgebied. Het lijkt op een stapel roet. Uiteindelijk groeit dat roet zo dik dat de metalen oppervlakken volledig gescheiden worden. De weerstand van de verbinding stijgt niet lineair; hij piekt exponentieel. Op een moment is de weerstand 30 milliohm; op het volgende is het een open circuit.

Er zijn uitzonderingen. Als een connector systeem is ontworpen met een massale normale kracht—denk aan een hoogdrukgasdichte krimp of een gebout terminal—kan de druk door bijna elke oxide-laag heen dringen. Maar voor de meeste board-to-board en draad-naar-board connectoren die worden gebruikt in industriële en consumenten elektronica, vertrouwt het contactgewicht op een klein, geperst metalen veertje. Het mist simpelweg de kracht om het oxide-afval dat door een Gold-Tin mismatch wordt gegenereerd, te verpletteren.

De Softwareillusie

Het meest gevaarlijke aspect van Fretting Corrosion is de intermittantie. Omdat een stapel los afval de storing veroorzaakt, is de verbinding mechanisch instabiel. Een lichte vibratie, een thermische verschuiving, of zelfs het percussieve onderhoud van een gefrustreerde technicus die op de kast tikt, kan de afvalstapel net genoeg verschuiven om contact te herstellen.

Dit creëert een verspilling in het engineeringsproces. De hardware faalt in het veld, maar wanneer het apparaat terugkeert naar het lab voor 'Bench Testing', werkt het perfect. Het uitpluggen van de eenheid om te verzenden reinigt het contact, of de stabiele laboratoriumtemperatuur voorkomt de thermische expansie die de open circuit veroorzaakt.

Dus geeft het hardwareteam toestemming, en verschuift de schuld naar firmware. Ontwikkelaars besteden weken aan het schrijven van 'debounce'-algoritmes om ruis op input-pinnen te filteren of retry-logica toe te voegen aan communicatiepakketten. Ze proberen een fysiek probleem op te lossen met code. Geen hoeveelheid software-ontdebouncing kan een lokaal hoog-resistent junctietje herstellen dat fysiek het signaalpad scheidt. Je kunt niet met code door een luchtspleet komen.

Maatregelen en de Smerende Band-Aid

Als een vloot apparaten al is ingezet met deze mismatch-plating, en recalls financieel onmogelijk zijn, is er slechts één betrouwbare mitigatie: smering. Gespecialiseerde contactsmörmiddelen, zoals Nyogel 760G, kunnen in de connectorinterface worden geïnjecteerd.

De smeermiddel dient twee doelen. Ten eerste, het sluit het contactgebied af van zuurstof en vochtigheid, waardoor de galvanische corrosie wordt vertraagd. Ten tweede, en nog belangrijker, het suspendert het oxide-afval. In plaats van zich op te hopen in een vaste isolerende laag, zweeft het afval in de gel, waardoor de metalen asperiteiten erdoorheen kunnen duwen en contact maken.

Echter, vertrouwen op smeermiddel als primaire ontwerppstrategie voor een gemengd-metaalinterface is een gok. Het creëert een onderhoudslast. Het trekt stof aan. Uiteindelijk droogt het uit. Het is een pleister op een wond die niet zou moeten bestaan. De enige situatie waarin een gemengde interface acceptabel is, is in consumentenelektronica met korte levensduur—een mobiele telefoon die in twee jaar wordt vervangen, zal mogelijk niet genoeg thermische cycli doorstaan om de kritieke oxide-massa op te bouwen. Maar voor industriële, automobiele of medische apparatuur die ontworpen is om een decennium mee te gaan, zal het smeermiddel uiteindelijk falen, en de fysica zal haar werk hervatten.

Het Oordeel: Regels voor betrokkenheid

De economische reden voor het mengen van platings is meestal eenvoudig: “We hebben duizenden Gouden headers op voorraad, maar de Tin socket is goedkoper.” Of, “De toeleveringsketen is verbroken, en we kunnen alleen de Gouden versie van de header krijgen.” De besparingen kunnen maar enkele centen per stuk zijn.

Vergelijk die besparing met de kosten van een enkele veldfout. In een industriële setting kan een vrachtwagenrit om een gestopte machine te diagnosticeren tussen de 500 en $000 kosten. Als de storing leidt tot een stilstand van de productielijn, kunnen de kosten duizenden dollars per uur bedragen. Een storingspercentage van zelfs 0.1% vergoedt de BOM-besparingen van de hele productieperiode.

De regels voor betrokkenheid zijn absoluut. Als de header Goud is, moet de socket Goud zijn. Als de header Tin is, moet de socket Tin zijn. Er is geen 'hybride' oplossing die veilig is voor langdurige betrouwbaarheid. De BOM is geen boodschappenlijst waar ingrediënten kunnen worden geruild op basis van dagelijkse marktprijzen; het is een definitie van het elektromechanische systeem. Wanneer je Goud en Tin mengt, bespaar je geen geld. Je bouwt een timer.