Niewidzialny tlenek: dlaczego złoto i cyna to niestabilna mieszanka

Maszyna się zatrzymuje. Może to być wysokoprzepustowy przemysłowy krosno w wilgotnej tekstylnej fabryce lub medyczny wózek monitorujący na cichym oddziale szpitalnym. Objaw jest zawsze ten sam: nagła, niewytłumaczalna utrata sygnału, która zatrzymuje operacje. Technik otwiera szafkę, puknie w skrzynkę sterowniczą, a system ożywa. Inżynierowie zapisują to jako “błąd oprogramowania” lub “duch w maszynie” i idą dalej. Błądzą.

Rzadko kiedy to jest oprogramowanie. Jeśli wyjmiesz tę płytkę obwodu i umieścisz interfejs złącza pod skaningowym mikroskopem elektronowym przy powiększeniu 50x, duch ukaże się jako fizyczna blizna. Ta korozja powstaje wskutek decyzji podjętej miesiące wcześniej: połączenia złoconego nagłówka z niklowanym gniazdem. Niedobory w łańcuchu dostaw lub chęć obniżenia kosztów wytwarzania (BOM) często prowadzą do takiego wyboru, ale fizyka pobiera od tego podatek. Płacisz go w czasie przestoju, roszczeniach gwarancyjnych i panikowym wymianie “odpowiednich” części, które nigdy nie były takie same.

Galwaniczna pułapka

Aby zrozumieć, dlaczego ta awaria jest nieunikniona, spójrz na podstawową chemię. Złoto i Cyna znajdują się w różnych obszarach na wykresie szeregu galwanicznego. Złoto to metal szlachetny; nie utlenia się. Pozostaje przewodzące i obojętne praktycznie na zawsze. Cyna to metal podstawowy. Chce chce utleniać się, tworząc cienką, twardą skórkę tlenku cyny (SnO2) niemal natychmiast po wystawieniu na działanie powietrza.

Gdy łączysz te dwa metale w systemie złączy — powiedzmy, standardowy nagłówek o rozstawie 0.100″ z serii Molex C-Grid lub TE AMPMODU — tworzysz potencjał galwaniczny. Różnica w potencjale elektrody między złotem a cyną wynosi około 0,4 volty. Dodaj nawet minimalną wilgotność, a ta różnica potencjałów zamienia interfejs złącza w małą baterię. Cyna staje się anodą i zaczyna się korodować w przyspieszonym tempie.

Projektanci często próbują oszukać tę rzeczywistość. Często w przeglądach projektów pytanie brzmi, czy “złocenie złotem” (bardzo cienka warstwa złota, często poniżej 0,1 mikronów) wystarczy, by połączyć się z cyną. Założenie jest takie, że niektóre złoto jest lepsze od braku złota. Jednak złocenie złotem często jest porowate. Pozwala to podłożyu niklowemu lub miedzianemu migrować przez, tworząc złożone produkty korozji interdyscyplinarnych, które są jeszcze trudniejsze do przewidzenia niż czysto cynowe złącze. Chemia jest bezwzględna: jeśli systemy powlekania nie pasują do siebie, interfejs jest niestabilny od momentu opuszczenia fabryki.

Jednak sam efekt baterii rzadko zabija sygnał natychmiast. Gdyby złącze było zupełnie nieruchome, uszczelnione w bloczku epoksydowym, mogłoby przewodzić przez lata mimo galwanicznego niedopasowania. Prawdziwy zabójca potrzebuje drugiego wspólnika: ruchu.

Sprzeczka: napęd zniszczenia

Nazywamy to Korozją Tarcia. Nie jest spowodowana dużymi, widocznymi ruchami, takimi jak odłączanie i ponowne podłączanie kabla. Rozwija się na mikroruchach — ruchach mierzonych w mikrometrach — które występują podczas, gdy złącze jest pozornie „zablokowane” na miejscu.

Wibracje często są obwiniane — szum fabryki lub dudnienie podzespołów pojazdu. Jednak w wielu przypadkach winowajcą jest po prostu cykliczne cykle termiczne. Rozważ płytkę PCB zamontowaną wewnątrz plastikowej obudowy. Gdy urządzenie się nagrzewa podczas pracy, a w nocy stygnie, plastikowa obudowa i włókno szklane FR-4 PCB rozszerzają się i kurczą w różnych temp. Niezgodność ta zmusza piny złącza do tarcia w przód i w tył o styki dopasowujące.

Gdy kontakt z cyny łączy się z innym kontaktem z cyny, to tarcie jest tak naprawdę korzystne; przebija się przez warstwę tlenku i odsłania świeły, przewodzący metal. To „samooczyszczanie”. Ale gdy twardy Goldowy gwint współpracuje z miękkim gniazdem cyny, dynamika się zmienia. Twardy Goldowy pin działa jak pilnik. Przy każdym cyklu termicznym zeskrobuje miękkie cyna. Cyna się utlenia, a złoto zeskrobuje tlenek.

Z czasem — może przy 200 cyklach, a może przy 2000 — ten osad się gromadzi. Tlenek cyny jest podobny do ceramiki: twardy, kruchy i elektrycznie izolujący. Nie odchodzi sam; zostaje uwięziony w interfejsie kontaktowym. Pod mikroskopem ten osad wygląda jak „Czarna Plama” na środku powierzchni kontaktu. Wygląda jak stos drewna. W końcu, ten sadzań się na tyle zagęszcza, by całkowicie oddzielić metalowe powierzchnie. Opór połączenia nie rośnie liniowo; rośnie wykładniczo. W jednym momencie opór wynosi 30 mΩ; następnego jest przerwany obwód.

Istnieją wyjątki. Jeśli system złącza jest zaprojektowany z dużą siłą normalną — pomyśl o wysokociśnieniowym, szczelnym zacisku lub zacisku z bolcem — ciśnienie może przebić się przez niemal każdą warstwę tlenku. Ale dla większości złączy PCB-to-plaża i przewodowo używanych w elektronice przemysłowej i konsumenckiej, siła kontaktu opiera się na małej, tłoczonej sprężynie metalowej. Po prostu nie ma wystarczającej siły, by zgnieść osady tlenku generowane przez niedopasowanie złota i cyny.

Iluzja oprogramowania

Najbardziej niebezpieczną cechą korozji tarcia jest jej przerywany charakter. Ponieważ stos luźnego odłamku powoduje awarię, połączenie jest mechanicznie niestabilne. Lekka wibracja, przesunięcie termiczne lub nawet perkusyjna naprawa technika stukającego w pudełko mogą przesunąć stos odłamków wystarczająco, by przywrócić kontakt.

To tworzy marnotrawny schemat w zespołach inżynierskich. Sprzęt zawodzi na polu, ale gdy wraca do laboratorium na „Testy na Stanie”, działa idealnie. Odłączenie urządzenia do wysyłki wyczyściło kontakt, lub stabilna temperatura w laboratorium zapobiega rozszerzaniu się termicznemu, które wywołuje otwarty obwód.

Dlatego zespół hardware zatwierdza, a winę zrzuca się na firmware. Programiści spędzają tygodnie na pisaniu algorytmów „debounce”, filtrujących szum na pinach wejściowych lub dodających retry logic do pakietów komunikacyjnych. Starają się rozwiązać problem fizyczny kodem. Żaden software'owy debounce nie naprawi lokalnego połączenia o wysokim oporze, które fizycznie oddziela ścieżkę sygnału. Nie da się zakodować przeskoczenia przez przerwę powietrzną.

Złagodzenie i bandaż olejowy

Jeśli flota urządzeń jest już wdrożona z tą niedopasowaną powłoką, a wycofanie ich z rynku jest niemożliwe finansowo, pozostaje tylko jedno niezawodne rozwiązanie: smarowanie. Specjalistyczne smary kontaktowe, takie jak Nyogel 760G, mogą być wstrzykiwane do interfejsu złącza.

Smar pełni dwa cele. Po pierwsze, uszczelnia obszar kontaktu przed tlenem i wilgocią, spowalniając galwaniczną korozję. Po drugie, i co ważniejsze, zawiesza odłamki tlenku. zamiast zagęszczać się w twardą warstwę izolującą, osad unosi się w smarze, umożliwiając metalicznym ostrokom przebić się i nawiązać kontakt.

Jednak poleganie na smarze jako głównym elemencie projektowym dla interfejsów z mieszanych metali to duże ryzyko. Tworzy obowiązek konserwacji. Przyciąga kurz. W końcu wysycha. To jak plaster na ranę, której nie powinno być. Jedyny przypadek, gdy mieszany interfejs jest akceptowalny, to elektronika konsumencka o krótkim czasie życia — telefon komórkowy wymieniany co dwa lata może nie doświadczyć wystarczającej liczby cykli termicznych, aby zbudować krytyczną masę tlenku. Ale w przypadku sprzętu przemysłowego, motoryzacyjnego czy medycznego, zaprojektowanego na dekadę, smar ostatecznie się wyczerpie, a fizyka znów zacznie swoje działanie.

Wyrok: Zasady zaangażowania

Ekonomiczny argument za mieszaniem powłok jest zazwyczaj prosty: „Mamy tysiące złotych nagłówków na magazynie, ale gniazda z cyny są tańsze”. lub „łańcuch dostaw jest uszkodzony i możemy dostać tylko złotą wersję nagłówka”. Oszczędności mogą wynieść grosze na jednostkę.

Porównaj te oszczędności z kosztami pojedynczej awarii pola. W środowisku przemysłowym, wizyta ciężarówki w celu zdiagnozowania zatrzymanej maszyny może kosztować od $500 do $1 000. Jeśli awaria spowoduje zatrzymanie linii produkcyjnej, koszty mogą sięgać tysięcy dolarów na godzinę. Współczynnik awaryjności nawet 0.1% niweczy oszczędności wynikające z BOM dla całej serii produkcyjnej.

Zasady współpracy są bezwzględne. Jeśli nagłówek jest złoty, gniazdo musi być złote. Jeśli nagłówek jest cynowy, gniazdo musi być cynowe. Nie ma rozwiązania „hybrydowego”, które byłoby bezpieczne dla długoterminowej niezawodności. BOM nie jest listą zakupów, gdzie składniki można wymieniać w oparciu o codzienne ceny rynkowe; jest to definicja układu elektromechanicznego. Pojednanie złota z cyną nie oszczędza pieniędzy. Budujesz timer.