A Abrasão Invisível: Por que o ENIG Falha nos Conectores de Borda

A falha geralmente acaba na pilha de RMA disfarçada de uma "falha de software." Uma chave de segurança USB para autenticação para de funcionar após algumas semanas. Uma placa PCIe em um servidor cai do barramento intermitentemente, acionando uma pane no kernel. A equipe de software passa semanas depurando drivers, mas a causa raiz não é o código. É visível apenas sob uma lupa de 20x.

Se você ampliar o conector de borda dessas placas falhadas, a história é violenta. O revestimento de ouro não apenas desgastou; foi completamente cortado. O que sobra é uma mancha de óxido de níquel preto e cobre exposto. A resistência de contato saltou de 30 milliohms gerenciáveis para um circuito aberto.

Isso não é um defeito de fabricação no sentido tradicional. A placa foi construída exatamente de acordo com o projeto. A falha aconteceu 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.

Divulgação de Física vs. Marketing

Há um equívoco prevalente em círculos de compras e engenharia júnior de que "ouro é ouro". Se a folha de dados diz que o acabamento é ouro e conduz eletricidade, a suposição é de 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 metalurgia, medimos essa maciez na escala de dureza de Vickers (HV).

Ouro Imerso de Níquel sem Eletrólise (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 uma unha deixar uma marca nele. Quando você desliza uma placa revestida com ENIG em um conector de acoplamento, os molares de metal dentro do conector atuam como arados de aço endurecido cavando na superfície de ouro macio. Dentro de 10 a 20 ciclos de inserção, o ouro desaparece. Você desgasta o acabamento e agora acopla os pinos do conector diretamente ao níquel subjacente. O níquel oxida rapidamente ao ser exposto ao ar, criando aquela camada negra resistiva que anula 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. Trata-se de 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 arado; desliza. Foi projetado para sobreviver a centenas, às vezes milhares, de ciclos de acoplamento sem expor o metal de base.

Frequentemente vemos fornecedores ou fábricas sugerindo "ENIG Grosso" como um meio-termo — simplesmente deixando a placa na solução imersora por mais tempo para criar 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 Restriçãp de Fabricação: Barras de Aperto

Se o Ouro Duro é a melhor escolha para conectores, por que não é o padrão para a placa inteira? 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 está exposto. É elegante, plano e não requer conexões externas.

O Ouro Dourado é eletrolítico. Ele requer uma corrente elétrica ativa para mover os íons de ouro para a superfície. Para fazer essa corrente chegar aos dedos do conector de borda durante a fabricação, o designer da placa deve incluir "correntes de conexão" 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 galvanoplastia.

Após a galvanoplastia, a placa é cortada do painel, e essas correntes de conexão são cortadas. Você pode frequentemente ver os remanescentes delas se olhar de perto na ponta de um dedo de ouro — uma pequena mancha de cobre exposto onde a conexão foi cortada. Essa necessidade impõe restrições ao layout. Você não pode facilmente ter "ilhas" de ouro duro "flutuando" no meio de uma placa. Também significa que o processo é aditivo em termos de mão de obra e etapas. A fábrica precisa executar um processo de máscara separado para cobrir o restante da placa, galvanizar os dedos e depois finalizar o restante.

Isso leva a um ponto comum de atrito na elaboração de orçamentos. Um gerente de compras vê o item na linha de "Dedos de Ouro Duro" adicionando 5-10% ao custo da placa e pergunta: "Não podemos usar o mesmo acabamento que o resto da placa?" Ou, inversamente, eles pedem para galvanizar toda a placa em Ouro Duro para simplificar o processo. Isso é igualmente perigoso. O Cobalto que torna o Ouro Duro durável também o torna terrível para soldagem. As juntas de solda em Ouro Duro são frágeis e propensas à falha. A regra é rígida: ENIG (ou OSP/Prata por Imersão) para os componentes, Ouro Duro para o conector. Nunca misture-os. inteira O que torna a decisão de pular o Ouro Duro quase sempre financeira. Em uma produção de 50 placas, a taxa de configuração 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.

O Cálculo do Recall

A decisão de pular o Hard Gold é quase sempre financeira. Em uma execução de protótipo de 50 placas, a taxa de instalação 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 de engenharia. Temos que pesar aquele $0,40 contra o custo da falha. Se o dispositivo for um sensor descartável que é plugado uma vez durante a montagem e nunca mais tocado, o 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 daughterboard 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 no campo, aumentando a resistência. O calor gerado por essa resistência não apenas falhou a placa; derreteu os slots PCIe de plástico nas placas-mãe hospedeiras. A 'economia' na galvanoplastia 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 força uma placa de 1,6mm de espessura com uma borda afiada de 90 graus em um conector, você está basicamente usando uma guilhotina nos pinos do conector.

É aqui que a especificação de 'Chanfro' ou 'Bevel' se torna crítica. Um conector de borda adequado exige que a borda da PCB seja angulada, geralmente em 20 ou 30 graus. Essa rampa permite que os pinos do conector subam suavemente até as plaquetas de ouro, ao invés de colidir com a borda de fibra de vidro.

É comum ver designs que especificam 'Ouro Duro, 30 micropolegadas' mas esquecem de especificar o chanfro. O resultado é uma placa que é quimicamente perfeita, mas mecanicamente destrutiva. Os pinos do conector pegam na fibra de vidro, dobram ou arranham violentamente contra a borda superior do ouro, desgastando a superfície antes mesmo de o dispositivo estar completamente encaixado. Se sua fábrica não perguntar sobre o ângulo do chanfro ao você enviar um projeto com dedos de borda, eles estão te deixando entrar em uma armadilha.

A Especificação Final

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

1. Especifique o Material: Solicite explicitamente “Dourado 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 Classe 2/3) normalmente exige um mínimo de 30 micro polegadas (aprox. 0,76 microns). Qualquer coisa abaixo de 15 micro polegadas é, na prática, um temporizador de desgaste.
3. Especifique a Geometria: Indique um chanfro de 20-30 graus na borda de acoplamento.

Não há patch de software para um contato desgastado. Uma vez que o ouro se vai, o dispositivo está morto. Os centavos extras gastos na platina correta são a política de seguro mais barata que você já comprou.