การเสียดสีที่มองไม่เห็น: ทำไม ENIG ถึงล้มเหลวบนขั้วต่อขอบ

ความล้มเหลวมักจะอยู่ในกอง RMA ซึ่งปลอมตัวเป็น “ข้อผิดพลาดซอฟต์แวร์” กุญแจความปลอดภัย USB หยุดตรวจสอบตัวตนหลังจากไม่กี่สัปดาห์ การ์ด PCIe ในแร็กเซิร์ฟเวอร์หลุดออกเป็นระยะๆ กระตุ้นให้เคอร์เนลพัง ทีมซอฟต์แวร์ใช้สัปดาห์ในการแก้บั๊กไดรเวอร์ แต่สาเหตุหลักไม่ได้อยู่ที่โค้ด มันมองเห็นได้เฉพาะด้วยกำลังขยาย 20 เท่า

ถ้าคุณซูมเข้าไปที่ขอบของโมดูลที่ล้มเหลว เรื่องเล่านั้นรุนแรง การเคลือบทองไม่ได้เพียงสึกหรอเท่านั้น แต่ถูกตัดออกทั้งหมด สิ่งที่เหลืออยู่คือคราบสนิมไนกเกิลดำและทองแดงที่เปิดเผย ความต้านทานการเชื่อมต่อเพิ่มขึ้นจาก 30 มิลลิโอห์มที่จัดการได้เป็นวงจรเปิด

นี่ไม่ใช่ข้อบกพร่องในการผลิตในความหมายดั้งเดิม โมดูลถูกสร้างขึ้นตามแบบ พลาดเกิดขึ้นในซอฟต์แวร์การออกแบบ เมื่อมีการใช้ข้อกำหนด “การเคลือบด้วยทอง” ที่ลดความซับซ้อนกับขั้วต่อที่ออกแบบมาให้ทนต่อความรุนแรงทางกายภาพของการแทรกซึม

เปรียบเทียบฟิสิกส์กับโบรชัวร์การตลาด

มีความเข้าใจผิดอย่างแพร่หลายในกลุ่มจัดซื้อและวิศวกรระดับจูเนียร์ว่า “ทองคือทอง” ถ้าข้อมูลแผ่นคุณบอกว่าพื้นผิวคือทองและมันนำไฟฟ้าได้ สมมุติฐานก็คือมันใช้งานได้กับตัวเชื่อมต่อ ความเชื่อนี้แพงเพราะมันไม่สนใจศาสตร์วัสดุพื้นฐานของโลหะ ทองบริสุทธิ์นุ่มมาก ในโลกของโลหะวิทยาเราวัดความนุ่มนวลนี้ด้วยมาตราส่วนความแข็งของวีแคร์ (HV)

การเคลือบทองแบบ ELECTROLESS NICKEL IMMERSION GOLD (ENIG) ซึ่งเป็นพื้นผิวมาตรฐานสำหรับโมดูลแบบ surface-mount ที่ทันสมัยเกือบจะเป็นทองบริสุทธิ์ ส่วนใหญ่อยู่ระหว่าง 60 ถึง 90 HV มันนุ่มพอที่เล็บจะทิ้งรอยไว้ได้ เมื่อคุณเลื่อนโมดูลเคลือบ ENIG เข้าไปในขั้วต่อที่เข้ากันได้ โลหะในขั้วต่อจะทำงานคล้ายเครื่องมือเหล็กแข็งที่ขุดเข้าไปในพื้นผิวทองคำที่อ่อนนุ่ม เมื่อทำซ้ำ 10 ถึง 20 ครั้ง ทองก็จะหมดไป คุณเจาะผิวเคลือบและเชื่อมต่อพินโดยตรงกับนิกเกิลด้านล่าง นิกเกิลจะถูกออกไซด์อย่างรวดเร็วเมื่อถูกเปิดเผยต่ออากาศ จนเกิดชั้นดำที่เป็นฉนวนซึ่งทำให้สัญญาณตาย

เพื่อทนต่อแรงเฉือนของการแทรกซึม คุณไม่สามารถใช้ทองบริสุทธิ์ได้ คุณต้องการ “ทองแข็ง” ซึ่งรู้จักกันในชื่อทางเทคนิคว่า Electrolytic Nickel Gold ซึ่งเป็นโลหะผสม โดยปกติผสมด้วยในปริมาณน้อยของโคบอลต์หรือบางครั้งนิกเกิล ซึ่งเปลี่ยนโครงสร้างผลึกของการฝาก การเคลือบทองแข็งมีค่าระหว่าง 130 ถึง 200 HV บนมาตราส่วนวีแคร์ มันไม่ถล่ม; มันลื่นไหล ถูกออกแบบให้ทนต่อการเชื่อมต่อหลายร้อยหรือพันครั้งโดยไม่เปิดเผยโลหะพื้นฐาน

เรามักจะเห็นผู้ขายหรือโรงงานเสนอกว่า “ENIG หนา” เป็นเส้นทางสายกลาง — เพียงแช่โมดูลไว้ในถังแช่อย่างนานขึ้นเพื่อสร้างชั้นทองบริสุทธิ์ที่หนาขึ้น นี่เป็นกับดัก ในขณะที่มันอาจชะลอการสึกหรอออกไปได้ไม่กี่รอบ แต่ก็แนะนำความเสี่ยงใหม่: “Black Pad” ซึ่งเป็นปรากฏการณ์การแตกหักแบบเปราะที่เกิดจากการกัดกร่อนของชั้นนิกเกิลในระหว่างกระบวนการแช่นานขึ้น นอกจากนี้ เรายังต่อสู้กับฟิสิกส์ด้วยวัสดุที่ผิด ลึกลงไปชั้นที่หนาขึ้นของเนยนุ่มก็ยังคงเป็นเนย มันจะไม่ต้านมีด

ข้อจำกัดในการผลิต: คานร้อย

ถ้าทองแข็งเป็นตัวเลือกที่ดีกว่าสำหรับขั้วต่อ ทำไมไม่ได้เป็นค่าเริ่มต้นสำหรับโมดูลทั้งแผ่น คำตอบอยู่ในกระบวนการผลิต ENIG คือกระบวนการทางเคมี ซึ่งคุณจุ่มแผ่นในถัง แล้วปฏิกิริยาเกิดขึ้นทั่วทุกพื้นที่ที่ทองแดงเปิดเผย มันเรียบเนียน แบนราบ และไม่ต้องการการเชื่อมต่อภายนอก

ฮาร์ดโกลด์เป็นแบบอิเล็กโทรลิติก มันต้องการกระแสไฟฟ้าสำหรับขับไอออนทองไปยังผิวหน้า เพื่อให้กระแสไปถึงนิ้วหัวต่อขอบในระหว่างการผลิต นักออกแบบบอร์ดต้องใส่ “แท่งเชื่อม” หรือ “สายบัส”—รอยต่อต่าง ๆ ที่เชื่อมต่อทองคำเข้ากับขอบของแผงผลิตภัณฑ์ รอยต่อนี้จะนำกระแสมาสู่ในระหว่างการชุบ

หลังจากการชุบแล้ว แผงจะถูกตัดออกจากแผงหลัก และแท่งเชื่อมเหล่านั้นจะถูกตัดออก คุณมักจะเห็นร่องรอยของมันถ้าสังเกตให้ดีที่ปลายสุดของนิ้วทอง—จุดเล็ก ๆ ของทองแดง exposed ที่ถูกตัดเป็นการเชื่อมต่อ ความต้องการนี้เป็นการจำกัดการออกแบบ ไม่สามารถมีเกาะทองแข็ง “ลอยตัว” อยู่ในกลางแผงได้ เช่นเดียวกับกระบวนการที่เพิ่มขั้นตอนและงาน เพิ่มความซับซ้อน โรงงานผลิตต้องทำการปิดผนึกด้วยแม่พิมพ์แยกต่างหากเพื่อปกคลุมส่วนที่เหลือของแผง ชุบเต็มนิ้วทอง แล้วเสร็จขั้นตอนอื่น ๆ

ซึ่งนำไปสู่จุดที่ทำให้เกิดความขัดแย้งในการประมาณราคา ผู้จัดการจัดซื้อจะเห็นรายการ “นิ้วทองแข็ง” เพิ่มเข้าไปในต้นทุนแผง 5-10% แล้วถามว่า “เราไม่สามารถใช้การชุบแบบเดิมเหมือนแผงส่วนอื่นได้ไหม” หรือในทางกลับกัน พวกเขาอาจขอให้ชุบทั้งแผงด้วย Hard Gold เพื่อให้กระบวนการง่ายขึ้น สิ่งนี้ก็มีความเสี่ยงเช่นกัน โดยโคบัลต์ที่ทำให้ Hard Gold ทนทานก็ทำให้ยากต่อการบัดกรี การเชื่อมต่อบน Hard Gold จะแตกหักง่ายและมีแนวโน้มที่จะล้มเหลว กฎคือ: ENIG (หรือ OSP/เงินเคลือบแบบจุ่ม) สำหรับชิ้นส่วน, Hard Gold สำหรับตัวเชื่อมต่อ ห้ามผสมกัน ทั้งหมด และ

สมการของการเรียกคืน

การตัดสินใจไม่ใช้ Hard Gold เกือบจะเป็นเรื่องการเงินเสมอ ในการผลิตต้นแบบ 50 แผง ค่าตั้งต้นสำหรับ Hard Gold อาจเพิ่มขึ้นประมาณ $200 ในการผลิต 10,000 ชิ้น มันอาจเพิ่มค่าใช้จ่ายประมาณ $0.40 ต่อแผง ในสเปรดชีต การประหยัด $4,000 ดูเหมือนเป็นชัยชนะ

แต่ความน่าเชื่อถือเป็นเมตริกทางเศรษฐกิจเท่าเทียมกับการวิศวกรรม เราต้องเปรียบเทียบ $0.40 กับต้นทุนของความล้มเหลว หากอุปกรณ์เป็นเซ็นเซอร์ที่ใช้แล้วทิ้งซึ่งเชื่อมต่อครั้งเดียวระหว่างการประกอบและไม่เคยแตะต้องอีกเลย ENIG ก็เพียงพอในทางเทคนิค จำนวนการแทรกเข้าเป็นหนึ่ง ความเสี่ยงต่ำ

แต่ถ้าอุปกรณ์เป็น USB dongle, การ์ดหน่วยความจำ, หรือบอร์ดลูกแบบโมดูลาร์ ผู้ใช้ จะ เสียบเข้าไป พวกเขาจะถอดออก พวกเขาจะใส่มันลงในถุงแล้วเสียบใหม่ หากตัวเชื่อมต่อนั้นล้มเหลวหลังจากหกเดือน ค่าใช้จ่ายไม่ใช่ $0.40 ราคาคือค่าขนส่งคืน การวิเคราะห์ความล้มเหลว งานแรงงาน ค่าทดแทน และความเสียหายทางชื่อเสียง

เราได้วิเคราะห์กรณีที่เกี่ยวข้องกับตัวควบคุม RAID แบบกำหนดเอง ซึ่งผู้ขายสามารถประหยัดได้ประมาณ $1.20 ต่อแผงโดยใช้ ENIG บนข้อต่อ PCIe ตัวเชื่อมต่อเริ่มสนิมในสนาม เพิ่มความต้านทาน ความร้อนที่เกิดจากความต้านทานนั้นไม่ได้แค่ทำให้บัตรล้มเหลวเท่านั้น แต่ยังทำให้ช่องเสียบ PCIe พลาสติกบนเมนบอร์ดโฮสต์ละลายด้วย "การประหยัด" ในการชุบทำให้ต้องเปลี่ยนเมนบอร์ดเซิร์ฟเวอร์ 200 ตัวด้วยมือ ROI ของการตัดสินใจนี้เป็นสิ่งที่หายนะ

เรขาคณิตของการแทรกซึม

แม้จะเป็นโลหะที่ถูกต้อง รูปร่างทางกายภาพของขอบบอร์ดก็สามารถทำลายตัวเชื่อมต่อได้ แผงวงจรพิมพ์มาตรฐานถูกตัดด้วยเครื่องกัด โดยเหลือขอบแหลมที่มุม 90 องศา ถ้าคุณบังคับให้แผงหนา 1.6mm ที่มีขอบแหลม 90 องศาเข้าไปในข้อต่อ คุณกำลังใช้กิโลตุนนิ้วในขั้วต่อ

นี่คือจุดที่ข้อกำหนด “Chamfer” หรือ “Bevel” ช่วยกำหนดความสำคัญ ข้อกำหนดขอบที่เหมาะสมต้องมีมุมเอียงของแผง PCB โดยทั่วไปประมาณ 20 หรือ 30 องศา ทางลาดนี้ช่วยให้ขั้วต่อเดินขึ้นไปบนแผ่นทองได้อย่างราบรื่น แทนที่จะชนเข้ากับขอบหน้าสัมผัสไฟเบอร์กลาส

เป็นเรื่องปกติที่จะเห็นการออกแบบที่ระบุ “Hard Gold, 30 ไมโครนิ้ว” แต่ลืมระบุ chamfer ผลก็คือแผงที่สมบูรณ์ทางเคมีแต่ทำลายทางกล ขั้วต่อจับบนไฟเบอร์กลาส งอหรือขีดข่วนอย่างรุนแรงกับขอบทอง ซึ่งก่อนที่อุปกรณ์จะเข้าที่เต็มที่ ก็ถูกสึกก่อนแล้ว หากโรงงานผลิตของคุณไม่ได้ถามคุณเกี่ยวกับมุมเอียงเมื่อคุณส่งแบบมาที่มีนิ้วขอบ พวกเขากำลังปล่อยให้คุณเดินเข้าสู่กับดัก

ข้อกำหนดสุดท้าย

เมื่อคุณเซ็นอนุมัติ BOM แล้ว คุณไม่ได้ซื้อแค่ชิ้นส่วนเท่านั้น แต่คุณกำลังซื้อความน่าจะเป็น เพื่อให้ความน่าจะเป็นของความล้มเหลวในการเชื่อมต่อใกล้ศูนย์ คำจำกัดความในภาพวาดการผลิตต้องชัดเจน อย่าอาศัยค่าดีฟอลต์ของผู้ขาย

1. ระบุวัสดุ: ขออย่างชัดเจนว่าเป็น “ทองอัลคาไลน์แข็ง” หรือ “อัลลอยทอง/โคบอลต์”
2. ระบุความหนา: “ฟลัชทอง” เป็นคำทางการตลาด ไม่ใช่มาตรฐาน สำหรับข้อต่อขอบมาตรฐาน (PCIe, USB, ISA) มาตรฐานอุตสาหกรรม (IPC-6012 Class 2/3) โดยทั่วไปกำหนดความหนาขั้นต่ำที่ 30 ไมครอน (ประมาณ 0.76 ไมครอน) อะไรก็ตามน้อยกว่า 15 ไมครอนถือเป็นตัวชี้เวลาการสึกหรอ
3. ระบุเรขาคณิต: ระบุมุมเฉียง 20-30 องศาบนขอบเชื่อมต่อกัน

ไม่มีซอฟต์แวร์แพตช์สำหรับการสึกหรอของขั้วต่อ เมื่อทองคำหมดไป อุปกรณ์ก็ใช้งานไม่ได้ ค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมในการชุบเคลือบที่ถูกต้องเป็นประกันภัยที่ถูกที่สุดที่คุณจะซื้อได้