A Abrasão Invisível: Por Que a ENIG Falha em Conectores de Borda

A falha geralmente cai na pilha de RMA disfarçada de uma “falha de software”. Uma chave de segurança USB para de autenticar após algumas semanas. Uma placa PCIe em um rack de servidor cai do barramento intermitentemente, acionando um panic do kernel. A equipe de software passa semanas depurando drivers, mas a causa raiz não é o código. Ela só é visível sob 20x de ampliação.

Se você aproximar o conector de borda dessas placas com falha, a história é violenta. O revestimento de ouro não apenas se desgastou; foi completamente cortado. O que sobra é uma mancha de óxido de níquel preto e cobre exposto. A resistência de contato disparou de 30 mili-ohms gerenciáveis para um circuito aberto.

Isso não é um defeito de fabricação no sentido tradicional. A placa foi construída exatamente conforme o projeto. A falha ocorreu no software de design, no momento em que uma especificação simplificada de “Revestimento de Ouro” foi aplicada a um conector destinado a sobreviver à brutalidade física da inserção.

Física vs. Folhetos de Marketing

Existe uma concepção errada predominante em círculos de aquisição e engenharia júnior de que “ouro é ouro”. Se a folha de dados diz que o acabamento é ouro e conduz eletricidade, presume-se que funciona para um conector. Essa crença é cara porque ignora a ciência fundamental do material do metal. Ouro puro é incrivelmente macio. No mundo da metallurgia, medimos essa maciez na escala de Dureza Vickers (HV).

O Revestimento de Níquel Imerso em Ouro sem Eletroforese (ENIG), o acabamento padrão para a maioria das placas de montagem superficial modernas, é quase ouro puro. Geralmente, oscila entre 60 e 90 HV. É macio o suficiente para que uma unha deixe uma marca nele. Quando você desliza uma placa com revestimento ENIG em um conector de acoplamento, os dentes de metal internos agem como arados de aço endurecido cavando na superfície de ouro macio. Dentro de 10 a 20 ciclos de inserção, o ouro se foi. Você perfurou o acabamento e agora está acoplando os pinos do conector diretamente contra o níquel subjacente. O níquel oxida rapidamente quando exposto ao ar, criando aquela camada preta e resistiva que mata o sinal.

Para resistir às forças de cisalhamento da inserção, você não pode usar ouro puro. Você precisa de “Ouro Duro”, tecnicamente conhecido como Ouro de Níquel Eletrolítico. Este é uma liga, geralmente dopada com pequenas quantidades de Cobalto ou às vezes Níquel, que altera fundamentalmente a estrutura cristalina do depósito. O Ouro Duro registra entre 130 e 200 HV na escala de Vickers. Ele não arrasta; ele desliza. É projetado para sobreviver a centenas, às vezes milhares, de ciclos de acoplamento sem expor o metal base.

Costumamos ver fornecedores ou casas de fabricação sugerindo “ENIG Grosso” como um meio-termo — simplesmente deixando a placa no banho de imersão por mais tempo para construir uma camada mais espessa de ouro puro. Isso é uma armadilha. Embora possa atrasar o desgaste por alguns ciclos, introduz um novo risco: “Black Pad”, um fenômeno de fratura frágil causado pela corrosão da camada de níquel durante o processo de imersão prolongada. Além disso, você ainda está lutando contra a física com o material errado. Uma camada mais espessa de manteiga macia ainda é manteiga; ela não resistirá à faca.

A Restrição de Manufatura: Barras de Ligação

Se o Ouro Duro é a melhor escolha para conectores, por que não é o padrão para toda a placa? A resposta está no processo de fabricação. ENIG é um processo químico; você mergulha a placa em um tanque, e a reação acontece onde o cobre estiver exposto. É elegante, plano e não requer conexões externas.

O Hard Gold é eletrolítico. Ele requer uma corrente elétrica ativa para fazer os íons de ouro se depositarem na superfície. Para que essa corrente chegue aos dedos do conector de borda durante a fabricação, o designer da placa deve incluir "travas" ou "linhas de ônibus"—trilhas que conectam fisicamente os dedos de ouro à borda do painel de produção. Essas trilhas conduzem a corrente durante o banho de platina.

Após a platina ser aplicada, a placa é cortada do painel, e essas travas são severadas. Você pode frequentemente ver os remanescentes delas se olhar atentamente na pontinha de um dedo de ouro—uma pequena mancha de cobre exposto onde a conexão foi cortada. Essa exigência impõe restrições ao layout. Você não pode facilmente ter ilhas de ouro duro "flutuantes" no meio de uma placa. Também significa que o processo é aditivo em termos de trabalho e etapas. A fábrica precisa realizar um processo de máscara separado para cobrir o restante da placa, platinar os dedos e, em seguida, finalizar o restante.

Isso leva a um ponto de fricção comum na cotação. Um gerente de compras vê o item de linha para "Dedos de Ouro Duro" adicionando 5-10% ao custo da placa e pergunta: "Não podemos usar o mesmo acabamento que o restante da placa?" Ou, ao contrário, eles pedem para platinar toda a placa em Ouro Duro para simplificar o processo. Isso é igualmente perigoso. O Cobalto que faz o Ouro Duro durável também faz com que seja terrível para soldagem. As juntas de solda em Ouro Duro são quebradiças e propensas a falhas. A regra é rígida: ENIG (ou OSP/Prata Imersa) para os componentes, Ouro Duro para o conector. Nunca misture-os. todo placa em Ouro Duro para simplificar o processo. Isso é igualmente perigoso. O Cobalto que torna o Ouro Duro durável o torna terrível para soldar. As juntas de solda em Ouro Duro são quebradiças e propensas a falhas. A regra é rígida: ENIG (ou OSP/Prata Imersa) para os componentes, Ouro Duro para o conector. Nunca misture-os.

O Cálculo da Recordação

A decisão de pular o Ouro Duro é quase sempre financeira. Em uma produção piloto de 50 placas, a taxa de setup para ouro duro pode adicionar $200. Em uma produção de 10.000 unidades, pode adicionar $0,40 por placa. Na planilha, economizar $4.000 parece uma vitória.

Mas a confiabilidade é uma métrica econômica tanto quanto uma métrica de engenharia. Precisamos comparar esses $0,40 com o custo da falha. Se o dispositivo for um sensor descartável que é conectado uma vez durante a montagem e nunca mais tocado, ENIG é tecnicamente aceitável. A "contagem de inserções" é uma. O risco é baixo.

Mas se o dispositivo for um dongle USB, um cartão de memória ou uma filha modular, o usuário irá conectá-lo. Eles irão desconectá-lo. Eles irão jogá-lo em uma bolsa e conectá-lo novamente. Se esse conector falhar após seis meses, o custo não é $0,40. O custo é o envio da devolução, o trabalho da análise de falhas, a unidade de reposição e o dano à reputação.

Analisamos um caso envolvendo um controlador RAID personalizado onde o fornecedor economizou aproximadamente $1,20 por placa usando ENIG em um conector de borda PCIe. Os conectores começaram a oxidar em campo, aumentando a resistência. O calor gerado por essa resistência não apenas falhou a placa; derreteu os slots PCIe de plástico nas placas-mãe do host. A "economia" na platina resultou na necessidade de substituir manualmente 200 placas-mãe de servidores. O ROI dessa decisão foi catastrófico.

A Geometria da Inserção

Mesmo com a metalurgia correta, a forma física da borda da placa pode destruir um conector. Uma PCB padrão é usinada com uma broca de fresagem, deixando uma borda aguda de 90 graus. Se você forçar uma placa de 1,6 mm de espessura com uma borda aguda de 90 graus em um conector, essencialmente estará usando uma guilhotina nos pinos do conector.

Aqui é onde a especificação de “Chanfro” ou “Bisel” se torna crítica. Um conector de borda adequado exige que a borda da PCB seja inclinada, normalmente para 20 ou 30 graus. Essa rampa permite que os pinos do conector subam suavemente nas pads de ouro em vez de colidirem com a extremidade de fibra de vidro.

É comum ver projetos que especificam “Ouro Duro, 30 micro polegadas”, mas esquecem de especificar o chanfro. O resultado é uma placa quimicamente perfeita, mas mecanicamente destrutiva. Os pinos do conector ficam presos na fibra de vidro, dobram ou riscam violentamente contra a extremidade de ouro, desgastando a superfície antes mesmo de o dispositivo estar totalmente encaixado. Se sua fábrica não perguntar sobre o ângulo do chanfro quando você envia um projeto com dedos de borda, eles estão deixando você cair em uma armadilha.

A Especificação Final

Quando você aprova uma BOM, não está apenas comprando peças; está comprando probabilidade. Para garantir que a probabilidade de falha na conexão permaneça próxima de zero, a especificação no desenho de fabricação deve ser explícita. Não confie na padrão do fornecedor.

1. Especifique o Material: Solicite explicitamente “Ouro Eletrolítico Duro” ou “Liga de Ouro/Cobalto.”
2. Especifique a Espessura: “Gold flash” é um termo de marketing, não uma especificação. Para conectores de borda padrão (PCIe, USB, ISA), o padrão da indústria (IPC-6012 Class 2/3) normalmente exige um mínimo de 30 micro polegadas (cerca de 0,76 microns). Qualquer coisa abaixo de 15 micro polegadas é efetivamente um temporizador de desgaste.
3. Especifique a Geometria: Informe um chanfro de 20-30 graus na borda de acoplamento.

Não há patch de software para um contato desgastado. Uma vez que o ouro desaparece, o dispositivo está morto. Os centavos extras gastos na reposição correta do banho de ouro são a apólice de seguro mais barata que você comprará.