Невидимый износ: почему ENIG сходит с дистанционных контактов

Неудача обычно попадает в стопку RMA, скрываясь под видом «сбоя программного обеспечения». USB-ключ безопасности перестает аутентифицировать после нескольких недель. PCIe-карта в серверной стойке периодически отключается от шины, вызывая паника ядра. Команда по программному обеспечению проводит недели, отлаживая драйверы, но коренная причина не в коде. Она видна только при увеличении в 20 раз.

Если приблизиться к краевому разъему вышедших из строя плат, картина жесткая. Золотое покрытие не просто стерлось; оно полностью срезано. Остается пятно черного никелевого окисления и открытая медь. Сопротивление контакта резко увеличилось с управляемых 30 миллионых до разрыва цепи.

Это не дефект изготовления в традиционном смысле. Плата была сделана точно по чертежу. Неудача произошла в программном обеспечении проектирования, в момент применения упрощенной спецификации «Золотое покрытие» к разъему, предназначенному выжить в условиях физического жестокого обращения при вставке.

Физика против маркетинговых брошюр

В кругах закупок и младших инженеров распространено заблуждение, что «золото есть золото». Если datasheet указывает, что покрытие — золото, и оно проводит электричество, предполагается, что оно подходит для разъема. Эта вера обходится дорого, потому что игнорирует фундаментальную материалознательную природу металла. Чистое золото невероятно мягкое. В металлургии это измеряется по шкале твердости Виккерса (HV).

Электролитическое никелево-золотое покрытие (ENIG), стандартное покрытие для большинства современных поверхностных плат, почти чистое золото. Обычно оно имеет показатель твердости от 60 до 90 HV. Оно настолько мягкое, что ноготь может оставить след. Когда вы вставляете плату с покрытием ENIG в сопрягающийся разъем, внутренние пружины этого разъема действуют как закаленные стальные плуги, врезаясь в мягкую золотую поверхность. В течение 10-20 циклов вставки золото исчезает. Вы протерли покрытие и теперь соединяете контакты напрямую с базовым никелем. Никель быстро окисляется на воздухе, образуя черный сопротивляющийся слой, который гасит сигнал.

Чтобы выдержать сдвигающие силы при вставке, нельзя использовать чистое золото. Требуется «Твёрдое золото», технически известное как электролитический никелево-золотой слой. Это сплав, обычно с небольшими добавками кобальта или иногда никеля, который фундаментально меняет кристаллическую структуру осадка. Твёрдое Золото показывает твердость от 130 до 200 HV по шкале Виккерса. Оно не прорезает; оно скользит. Разработано для выживания сотен, а иногда и тысяч циклов соединения без открытия базового металла.

Мы часто видим, как поставщики или производственные компании предлагают «Толстое ENIG» как промежуточный вариант — просто оставляя плату в ванной для осаждения дольше, чтобы получить более толстый слой чистого золота. Это ловушка. Пока это может отсрочить износ на несколько циклов, это вводит новый риск: «Черный подушечный» — хрупкое трещиноватое явление, вызванное коррозией никелевого слоя во время расширенной процедуры погружения. Более того, вы все равно боретесь с физикой неправильным материалом. Толстый слой мягкого масла — это все равно масло; оно не выдержит ножа.

Ограничение производства: связующие стержни

Если Твёрдое Золото — лучший выбор для разъемов, почему оно не является стандартом для всей платы? Ответ кроется в процессе производства. ENIG — это химический процесс; плату погружают в резервуар, и реакция происходит везде, где есть открытая медь. Он элегантен, плоский и не требует внешних соединений.

Хард-голд является электролитическим. Он требует активного электрического тока для переноса ионов золота на поверхность. Чтобы подать этот ток к пальцам соединителя при изготовлении, проектировщик платы должен включать «тросовые штанги» или «шины» — трассы, которые физически соединяют золото на пальцах с краем панели. Эти трассы проводят ток во время процесса гальванизации.

После завершения гальванической обработки, плата вырезается из панели, и эти тросовые штанги разрезаются. Обычно их можно увидеть, если внимательно рассмотреть самый кончик золотого пальца — небольшое место с открытым медным контактом, где разрезали соединение. Это требование накладывает ограничения на расположение элементов. Нельзя легко разместить «плавающие» островки хард-голда посередине платы. Это также означает, что процесс является добавочным по трудозатратам и шагам. Завод должен выполнить отдельный процесс маскировки для покрытия остальной части платы, гальванировать пальцы, а затем закончить остальное.

Это ведет к общему источнику трения при ценообразовании. Менеджер по закупкам видит строку для «Золотых пальцев» добавляющую 5-10% к стоимости платы и спрашивает: «Можем ли мы просто использовать такое же покрытие, как у остальной части платы?» Или наоборот, они просят гальванировать целиком в хард-голд, чтобы упростить процесс. Это также опасно. Кобальт, делающий хард-голд долгосрочным, ухудшает его паяемость. Паяные соединения на хард-голде хрупкие и подвержены отказам. Правило строгое: ENIG (или OSP/иммерсионное серебро) для компонентов, хард-голд для разъемов. Никогда их не смешивайте. весь доска в твердом золоте для упрощения процесса. Это так же опасно. Кобальт, делающий твердое золото прочным, делает его ужасным для пайки. Соединения пайки на твердом золоте являются хрупкими и склонными к разрушению. Правило строгое: ENIG (или OSP/ immersion silver) для компонентов, твердое золото для разъема. Никогда не смешивайте их.

Калькуляция воспоминаний

Решение пропустить твердо-золотое покрытие почти всегда связано с финансами. При прототипной серии из 50 плат плата за настройку твердого золота может добавить $200. При производственной серии из 10 000 единиц это может добавить по $0.40 за плату. В таблице это экономия в $4 000 выглядит как победа.

Но надежность — это экономическая метрика так же, как и инженерная. Мы должны взвесить $0.40 против стоимости отказа. Если устройство — одноразовый датчик, подключаемый один раз во время сборки и больше не трогаемый, то ENIG технически допустим. «Количество вставок» равно одному. Риск низкий.

Но если устройство — это USB-ключ, карта памяти или модульная дочерняя плата, пользователь будет подключит его. Они отключат его. Они бросят его в сумку и снова подключат. Если этот разъем выйдет из строя через шесть месяцев, стоимость не будет $0.40. Стоимость — это доставка возврата, труд по анализу отказа, замена устройства и репутационный ущерб.

Мы проанализировали случай, связанный с заказным RAID-контроллером, когда поставщик сэкономил примерно $1.20 на плате, используя ENIG на PCIe-краевом разъеме. Разъемы начали окисляться в поле, увеличивая сопротивление. Тепло, выделяемое этим сопротивлением, не только выводило из строя карту; оно расплавило пластиковые слоты PCIe на материнских платах хостов. «Экономия» на покрытии привела к необходимости вручную заменить 200 серверных материнских плат. ROI этого решения был катастрофическим.

Геометрия вставки

Даже при правильной металлургии физическая форма края платы может разрушить разъем. Стандартная печатная плата прорезается фрезой, оставляя острый 90-градусный край. Если вы заставите плату толщиной 1,6 мм с острым 90-градусным краем войти в разъем, вы фактически используете гильотину на выводах разъема.

Здесь становится критичным спецификация «фаска» или «скос». Правильный разъем для края платы требует наклона края, обычно до 20 или 30 градусов. Этот уклон позволяет контактам разъема аккуратно подниматься на золотые площадки, а не сталкиваться с передним краем стеклотекстолита.

Бывает, что проектируют с указанием «Твердо-золото, 30 микронов», но забывают указать фаску. В результате получается плата, химически идеальная, но механически разрушительная. Контакты разъема цепляются за стеклоткани, изгибаются или грубо царапаются по переднему краю золота, предварительно изнашивая поверхность, еще не полностью установив устройство. Если ваша фабрика не спрашивает вас о угле скоса при сдаче дизайна с краевыми пальцами, она допускает, что вы ступаете на минное поле.

Итехническая спецификация

Когда вы подписываете спецификацию BOM, вы не просто покупаете детали; вы покупаете вероятность. Чтобы обеспечить, что вероятность отказа соединения останется близкой к нулю, в техническом чертеже должна быть явная спецификация. Не полагайтесь на стандартные параметры поставщика.

1. Укажите материал: Явно запрашивайте «Hard Electrolytic Gold» или «Gold/Cobalt Alloy».
2. Укажите толщину: «Флэш-золото» — это маркетинговый термин, а не характеристика. Для стандартных контактных разъемов (PCIe, USB, ISA) отраслевой стандарт (IPC-6012 классы 2/3) обычно требует минимум 30 микроинчей (прибл. 0,76 микрометра). Всё, что меньше 15 микроинчей, фактически является таймером износа.
3. Укажите геометрию: Обозначьте фаску 20-30 градусов на соединительной грани.

Для изношенного контакта программное исправление не поможет. Как только золото исчезает, устройство выходит из строя. Дополнительные затраты на правильное покрытие — это самая дешевая страховка, которую вы когда-либо приобретете.