Невидимый оксид: почему золото и олово — взрывоопасная смесь

Машина останавливается. Может быть, это промышленный ткацкий узор с высокой скоростью в влажной текстильной фабрике или медицинский мониторинговый тележка в тихой больничной палате. Симптом всегда один и тот же: внезапная, необъяснимая потеря сигнала, которая останавливает работу. Техник открывает шкаф, постукивает по контрольному блоку, и система возрождается. Инженеры записывают это как «сбой программного обеспечения» или «призрак в машине» и продолжают работу. Они ошибаются.

Это редко программное обеспечение. Если бы вы сняли эту плату и поместили интерфейс разъема под сканирующий электронный микроскоп с увеличением 50x, призрак проявился бы в виде физической шрамы. Эта коррозия возникает из-за определенного решения, приняного за несколько месяцев до этого: соединения золотой платиновой штырьки с оловянной гнездовой разъемом. Недостатки цепочки поставок или желание сэкономить несколько сотых цента на списке материалов (BOM) часто приводят к такому выбору, но физика взимает с этого налог. Вы платите его в виде времени простоя, гарантийных претензий и яростной замены «эквивалентных» деталей, которые никогда не были эквивалентны.

Гальваническая ловушка

Чтобы понять, почему это сбой неминуем, взглянем на фундаментальную химию. Золото и олово находятся в разных районах на графике гальванической серии. Золото — благородный металл; оно не окисляется. Оно остается проводящим и практически инертным навсегда. Олово — недрагоценный металл. Оно хочет подвергнуться окислению, образуя тонкую, твердыю кожу из окиси олова (SnO2), практически сразу при контакте с воздухом.

Когда вы соединяете эти два металла в системе разъемов — скажем, стандартный штырь с шагом 0,100″ из серии Molex C-Grid или TE AMPMODU — вы создаете гальванический потенциал. Разница в электроном потенциале между золото и оловом составляет примерно 0,4 вольта. Добавьте даже минимальную влажность, и эта разница потенциалов превращает интерфейс разъема в маленькую батарею. Олово становится анодом и начинает ускоренно корродировать.

Проектировщики часто пытаются обмануть эту реальность. Распространенный вопрос на обзоре проекта — достаточно ли «золотого покрытия» (очень тонкого слоя золота, часто менее 0,1 микрон), чтобы соединиться с оловом. Предполагается, что некоторое золото лучше, чем ничего. Но покрытие с золотым слоем часто пористое. Оно позволяет underlying никелю или меди проникать, создавая сложные межметаллические продукты коррозии, которые даже труднее предсказать, чем интерфейс между чистым оловом и оловом. Химия безжалостна: если системы гальванического покрытия не совпадают, интерфейс нестабилен уже в момент выхода из фабрики.

Тем не менее, эффект батареи сам по себе редко мгновенно уничтожает сигнал. Если разъем был бы идеально неподвижен, герметично запаян в блок эпоксидной смолы, он мог бы проводить ток годами, несмотря на гальванический разрыв. Истинным убийцей является второй соучастник: движение.

Фреттинг: двигатель разрушения

Это называется трением коррозия. Она не вызывается большими видимыми движениями, такими как отключение и повторное подключение кабеля. Она процветает за счет микродвижений — движений, измеряемых в микрометрах — которые происходят, пока разъем, ostensibly “заперт” на месте.

Вибрация часто винится — гул фабрики или дребезжание шасси транспортного средства. Но во многих случаях виновником является просто термический цикл. Рассмотрите плату PCB, установленную внутри пластикового корпуса. По мере нагрева устройства в процессе работы и его охлаждения ночью, пластиковый корпус и стеклопластик FR-4 платы расширяются и сжимаются с разной скоростью. Эта несогласованность заставляет штыри разъема тереться об их сочетающиеся контакты туда и обратно.

Когда оловянный контакт соединяется с другим оловянным контактом, это трение фактически полезно; оно прорывает окисный слой и обнажает свежий, проводящий металл. Это “самоочищение”. Но когда твердая позолоченная штыревая вставка соединяется с мягкой оловянной розеткой, ситуация меняется. Твердий позолоченный штырь действует как напильник. При каждом термическом цикле он царапает мягкий олова. Олово окисляется, а золото счищает этот окисленный слой.

Со временем — возможно, после 200 циклов, возможно, 2000 — этот мусор накапливается. Окись олова похожа на керамический материал: твердая, ломкая и электрически изолирующая. Она не отваливается; она застревает в контактном интерфейсе. Под микроскопом это накопление выглядит как “Черное пятно” в центре контактной области. Оно напоминает копоть. В конечном итоге эта копоть становится настолько густой, что полностью разделяет металлические поверхности. Сопротивление соединения не растет линейно; оно возрастает экспоненциально. В один момент сопротивление составляет 30 миллиощееим, а в следующий — разрыв цепи.

Есть исключения. Если система разъемов спроектирована с помощью силы нормального давления — например, герметичный зажим высокого давления или болтовой термини — давление может прорвать почти любой окисный слой. Но для большинства межплатных и проводных разъемов, используемых в промышленной и потребительской электронике, сила контакта основана на небольшом металлическом пружинном элементе. Он просто не обладает enough силой, чтобы разрушить окисный мусор, вызванный несоответствием олова и золота.

Иллюзия программного обеспечения

Самым опасным аспектом трения коррозии является его прерывистость. Поскольку сыпучий мусор вызывает отказ, соединение механически нестабильно. Небольшая вибрация, тепловой скачок или даже перкуссионное обслуживание расстроенного техника, постукивающего по корпусу, могут сдвинуть мусорный холм достаточно, чтобы восстановить контакт.

Это создает расточительный цикл в инженерных командах. Аппарат ломается в поле, но когда устройство возвращается в лабораторию для “Испытаний на стенде”, оно работает идеально. Отключение устройства перед отправкой очищает контакт, или стабильная температура в лаборатории предотвращает тепловое расширение, вызывающее разрыв цепи.

Таким образом, инженерная команда пытается решить физическую проблему с помощью кода. Оптимизация программного обеспечения не может исправить локализованный контакт с высоким сопротивлением, который физически разъединяет сигнал. Невозможно запрограммировать перепрыгивание воздушного зазора.

Смягчение и временная пластырь для смазки

Если парк устройств уже развернут с этим несоответствующим покрытием, а отзывов по финансовым причинам невозможно, есть только один надежный способ — смазка. Специализированные контактные смазки, такие как Nyogel 760G, могут быть введены в интерфейс разъема.

Смазка выполняет две функции. Во-первых, она запечатывает контактную зону от кислорода и влажности, замедляя гальваническую коррозию. Во-вторых, и что важнее, она suspendoxide debris. Вместо того чтобы упаковываться в твердую изоляционную прослойку, мусор плавает в смазке, позволяя металлическим заусенцам проталкиваться и устанавливать контакт.

Однако, полагаться на смазку как на основную стратегию дизайна для интерфейса смешанных металлов — это азартная игра. Это создает нагрузку по обслуживанию. Она притягивает пыль. В конечном итоге она высыхает. Это пластырь для раны, которая не должна существовать. Единственный случай, когда допустим интерфейс с смешанными металлами, — это бытовая электроника с коротким сроком службы — мобильный телефон, замененный за два года, возможно, не испытает достаточного количества тепловых циклов для накопления критической массы окисла. Но для промышленного, автомобильного или медицинского оборудования, рассчитанного на десятилетнюю работу, смазка рано или поздно выйдет из строя, и физика возьмет свое.

Вердикт: Правила взаимодействия

Экономический аргумент за использование различных покрытий обычно прост: «У нас есть тысячи позолоченных головок в наличии, а оловянные разъемы дешевле». Или, «Цепочка поставок сломана, и мы можем получить только позолоченную версию головки». Экономия может составлять несколько центов за единицу.

Сравните эти экономии с затратами на один сбой в поле. В промышленной сфере вызов грузовика для диагностики остановившейся машины может стоить от $500 до $1 000. Если сбой вызывает остановку производственной линии, затраты могут достигать тысяч долларов в час. Даже уровень отказов в 0.1% полностью уничтожает экономию на БОМ всей производственной серии.

Правила взаимодействия абсолютны. Если заголовок — Золото, разъем должен быть Золотым. Если заголовок — Олово, разъем должен быть Оловянным. Нет «гибридных» решений, которые были бы безопасны для долгосрочной надежности. Базовая перечень материалов (БОМ) — это не список покупок продуктов, где ингредиенты можно менять в зависимости от рыночных цен; это определение электромеханической системы. Когда вы смешиваете Золото и Олово, вы не экономите деньги. Вы создаете таймер.