Niewidzialne ścieranie: Dlaczego ENIG zawodzi na krawędziowych złączach

Awaria zwykle trafia do stosu RMA, ukryta jako “błąd oprogramowania”. Klucz bezpieczeństwa USB przestaje się uwierzytelniać po kilku tygodniach. Karta PCIe w serwerowym racku odłącza się od magistrali, wywołując panic kernela. Zespół programistów spędza tygodnie na debugowaniu sterowników, ale przyczyna nie leży w kodzie. Widać to tylko pod powiększeniem 20x.

Jeśli przybliżysz się do krawędzi złącza tych uszkodzonych płytek, historia jest brutalna. Złocenie nie tylko się ścierało; zostało całkowicie odcięte. Pozostaje tylko smuga czarnego tlenku niklu i odsłonięta miedź. Rezystancja kontaktowa wzrosła z zarządzalnych 30 milliohmów do obwodu otwartego.

To nie jest wada produkcyjna w tradycyjnym znaczeniu. Płyta została zbudowana dokładnie zgodnie z dokumentacją. Awaria wystąpiła w oprogramowaniu projektowym, w momencie, gdy zastosowano uproszczoną specyfikację „złocenia” do złącza, które miało wytrzymać fizyczną brutalność osadzania.

Fizyka kontra Broszury Marketingowe

Istnieje powszechne przekonanie w kręgach zamówień i młodszych inżynierów, że "złoto to złoto". Jeśli karta katalogowa mówi, że wykończenie jest złote i przewodzi prąd, przyjmuje się, że to działa w przypadku złącza. To przekonanie jest kosztowne, ponieważ ignoruje podstawową naukę o metalach. Czyste złoto jest niesamowicie miękkie. W świecie metalurgii mierzymy tę miękkość na skali twardości Vickersa (HV).

Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG), standardowe wykończenie dla większości nowoczesnych płytek montażowych, to prawie czyste złoto. Zazwyczaj mieści się w zakresie 60-90 HV. Jest na tyle miękkie, że można na nim zostawić ślad paznokcia. Gdy wkładasz płytę pokrytą ENIG do złącza współpracującego, sprężyny wewnątrz tego złącza zachowują się jak utwardzona stal, drążąc w miękkim złocie. Po 10-20 cyklach osadzania złoto znika. Zgruszczałeś powłokę i teraz łączysz piny złączek bezpośrednio z podkładem niklowym. Nikiel utlenia się bardzo szybko pod wpływem powietrza, tworząc czarną, rezystancyjną warstwę, która tłumi sygnał.

Aby wytrzymać siły ścinające podczas osadzania, nie można używać czystego złota. Potrzebujesz „Twardego Złota”, technicznie zwanego Elektrolicznym Niklem Złotem. Jest to stop, zazwyczaj domięsza niewielkie ilości kobaltu lub czasami niklu, który zasadniczo zmienia strukturę krystaliczną osadu. Twarde Złoto osiąga od 130 do 200 HV na skali Vickersa. Nie drąży; ślizga się. Zostało zaprojektowane tak, aby przetrwać setki, a czasem tysiące cykli kontaktowych bez odsłonięcia metalu bazowego.

Często widzimy, jak sprzedawcy lub zakłady produkcyjne sugerują „Grube ENIG” jako kompromis — po prostu pozostawiają płytę dłużej w kąpieli immersyjnej, aby zbudować grubszą warstwę czystego złota. To pułapka. Chociaż może opóźnić zużywanie się o kilka cykli, wprowadza nowe ryzyko: „Black Pad”, kruchy fenomen pękania spowodowany korozją warstwy niklowej podczas przedłużonego procesu zanurzenia. Ponadto nadal walczysz z fizyką niewłaściwym materiałem. Grubsza warstwa miękkiego masła to nadal masło; nie wytrzyma noża.

Ograniczenia produkcyjne: Pręty łącznikowe

Jeśli Twarde Złoto jest lepszym wyborem dla złączy, dlaczego nie jest domyślnie stosowane na całej płycie? Odpowiedź leży w procesie produkcji. ENIG to proces chemiczny; zanurzasz płytę w zbiorniku, a reakcja zachodzi wszędzie tam, gdzie wystawiona jest miedź. To eleganckie, płaskie i nie wymaga zewnętrznych połączeń.

Hard Gold jest elektrolityczny. Wymaga aktywnego przepływu prądu do naprowadzenia jonów złota na powierzchnię. Aby zapewnić ten prąd do palców złącza na krawędzi podczas produkcji, projektant płytki musi uwzględnić „pręty łączące” lub „linie szynowe” — ślady, które fizycznie łączą złote palce z krawędzią panelu produkcyjnego. Te ślady przewodzą prąd podczas kąpieli galwanicznej.

Po zakończeniu powlekania, płytka jest wycinana z panelu, a te pręty łączące są odcinane. Często można zauważyć ich pozostałości, jeśli przyjrzeć się dokładnie końcówce złotego palca — małemu miejscu odsłoniętej miedzi, w którym została przecięta połączenie. Wymóg ten narzuca ograniczenia odnośnie do układu. Nie można łatwo mieć „uniesione” wyspy z twardego złota na środku płytki. Oznacza to również, że proces jest dodawany pod względem pracy i kroków. Zakład produkcyjny musi przeprowadzić osobny proces maskowania, aby pokryć resztę płytki, powlecić palce i następnie dokończyć resztę.

Prowadzi to do powszechnego punktu spornych przy wycenie. Kierownik ds. zaopatrzenia widzi pozycję na liście „Twarde złote palce” dodającą 5-10% do kosztu płytki i pyta: „Czy nie możemy po prostu użyć takiego samego wykończenia jak reszta płytki?” Albo odwrotnie, proszą o powleczenie całej płytki twardym złotem, aby uprościć proces. To jest równie niebezpieczne. Kobalt, który czyni Twarde Złoto trwałym, czyni je fatalnym do lutowania. Połączenia lutownicze na Twardym Złocie są kruche i podatne na awarie. Zasada jest jednoznaczna: ENIG (lub OSP/Immersion Silver) dla komponentów, Twarde Złoto dla złącza. Nigdy ich nie mieszaj. cały wystarczy układ na Hard Gold, aby uprościć proces. To jest równie niebezpieczne. Kobalt, który sprawia, że Hard Gold jest trwały, sprawia, że jest on fatalny do lutowania. Połączenia lutownicze na Hard Gold są kruche i podatne na awarie. Reguła jest rygorystyczna: ENIG (lub OSP/Immersion Silver) dla komponentów, Hard Gold dla złączy. Nigdy nie mieszać ich ze sobą.

Rachunek przypomnienia

Decyzja o pominięciu Twardego Złota jest prawie zawsze kwestia finansową. Przy prototypowej serii 50 płytek opłata za przygotowanie do powlekania twardym złotem może wynieść $200. Przy serii produkcyjnej 10 000 sztuk może to kosztować $0.40 za sztukę. W arkuszu kalkulacyjnym oszczędność $4 000 wygląda jak wygrana.

Ale niezawodność to miara ekonomiczna równie ważna jak inżynieryjna. Musimy porównać tę $0.40 z kosztem awarii. Jeśli urządzenie jest jednorazowym sensorem, który jest podłączany raz podczas montażu i nigdy więcej nie jest dotykane, ENIG jest technicznie akceptowalne. „Liczba wstawek” to jeden. Ryzyko jest niskie.

Ale jeśli urządzenie to gadżet USB, karta pamięci lub modułowa płytka córki, użytkownik będzie będzie go podłączać. Odłączy go. Wrzuci do torby i podłączy ponownie. Jeśli ten złącze zawiedzie po sześciu miesiącach, koszt nie wynosi $0.40. Koszt to wysyłka zwrotna, praca przy analizie awarii, wymienna jednostka i szkody reputacyjne.

Analizowaliśmy przypadek niestandardowego kontrolera RAID, w którym dostawca zaoszczędził około $1.20 na płytce, używając ENIG na krawędziowym złączu PCIe. Złącza zaczęły się utleniać w terenie, zwiększając opór. Ciepło wytwarzane przez ten opór nie tylko uszkodziło kartę, ale również stopiło plastykowe sloty PCIe na głównych płytach. „Oszczędności” na powlekania doprowadziły do konieczności ręcznej wymiany 200 płyt głównych serwera. Zwrot z tej decyzji był katastrofalny.

Geometria osadzenia

Nawet z odpowiednią metalurgią, fizyczny kształt krawędzi płytki może zniszczyć złącze. Standardowa płyta PCB jest frezowana ostrzem frezującym, pozostawiając ostrą krawędź o kącie 90 stopni. Jeśli wpychasz płytę o grubości 1,6 mm z ostrą krawędzią pod kątem 90 stopni do złącza, w zasadzie używasz gilotyny na pinach złącza.

To miejsce, gdzie specyfikacja „Zaokrąglenie” lub „Pochylenie” staje się kluczowa. Odpowiednie złącze krawędziowe wymaga, aby krawędź płytki była pochylona, zwykle o 20 lub 30 stopni. Ta rampą umożliwia pinom złącza gładkie podjechanie na złote pady, zamiast zderzania się z przednim krawędzią włókna szklanego.

Często można zobaczyć projekty, które określają „Twarde Złoto, 30 mikro-inchów”, ale zapominają określić pochylenie. W efekcie otrzymujemy płytkę chemicznie doskonałą, ale mechaniczną destrukcję. Piny złącza haczą się na włóknie szklanym, zginają lub gwałtownie drapią przednią krawędź złota, zużywając powierzchnię jeszcze przed pełnym osadzeniem urządzenia. Jeśli zakład produkcyjny nie pyta o kąt pochylenia przy składaniu projektu z krawędziowymi palcami, to pozwalasz na utworzenie pułapki.

Ostateczna specyfikacja

Kiedy zatwierdzasz BOM, nie kupujesz tylko części; kupujesz prawdopodobieństwo. Aby zapewnić, że prawdopodobieństwo awarii połączenia pozostaje bliskie zero, specyfikacja na rysunku produkcyjnym musi być wyraźna. Nie polegaj na domyślnych ustawieniach dostawcy.

1. Określ materiał: Wyraźnie zażądaj „Twardego elektrolitycznego złota” lub „Stopu złota/kobaltu”.
2. Określ grubość: „Złoto błyskowe” to termin marketingowy, nie specyfikacja. Dla standardowych złączy krawędziowych (PCIe, USB, ISA) standard branżowy (IPC-6012 Klasa 2/3) zazwyczaj wymaga minimum 30 mikro-inci (około 0,76 mikrona). Co mniej niż 15 mikro-inci jest skutecznie timerem zużycia.
3. Określ geometrię: Wskazać fazowanie pod kątem 20-30 stopni na krawędzi współpracującej.

Nie ma softwarowej poprawki na zużyty kontakt. Gdy złoto zniknie, urządzenie jest martwe. Dodatkowe grosze wydane na odpowiednie pokrycie to najtańsza polisa ubezpieczeniowa, jaką kiedykolwiek kupisz.