Я изучил данные о гарантии на фитнес-трекер,-носимый на запястье, и проанализировал проблемы, о которых сообщалось на всех возвращенных устройствах. Контактное сопротивление штыревых контактов увеличилось с номинальных 25 мОм до 180 мОм или даже стало обрывом цепи.
Сначала мы пошли за пого-кнопками на причале. Это было неправильное предположение. Когда мы вытащили устройства и протестировали контактные площадки с помощью РФА, большая часть золота исчезла -, а остался окисленный никель. Область контактной площадки Pogo на устройстве была обработана тем же процессом ENIG, что и остальная часть печатной платы: иммерсионное никелевое золото с содержанием золота около 0,07 мкм. Я не задавался этим вопросом во время проверки дизайна. ENIG существует для защиты паяемых поверхностей в процессе сборки, а не для выдерживания циклических механических контактов. Примерно через 200–400 циклов стыковки-и-зарядки слой золота толщиной 0,07 мкм исчез.
Исправлением было специальное покрытие кобальтом-закаленным гальваническим золотом на площади площадки - 0.5мкм минимум с толщиной никеля, полученного химическим способом, более 3 мкм, указанное отдельно от отделки поверхности платы. Устройства, построенные по этой спецификации, не возвращались с таким отказом. С тех пор я обдумывал спецификацию покрытия Pogo Pad.
Что на самом деле означают слова «жесткий» и «мягкий»
Терминология сбивает с толку, поскольку ни один из терминов не относится к физической обработке или толщине. Разница заключается в составе сплава.
Мягкое золото — это чистое золото - 99.9 % Au или выше. Материал по своей природе мягкий, потому что элементарное золото по своей природе мягкое. Твердость по Кнупу гальванического мягкого золота составляет примерно 60–90 KHN, в зависимости от химического состава ванны и условий нанесения.
Твердое золото – это сплав золота, почти всегда содержащий золото-кобальт с содержанием кобальта около 0,1–0,3 % по весу. Иногда можно встретить золото-никелевый сплав, но в разъемах чаще встречается кобальт. Кобальт осаждается на границах зерен во время осаждения, прерывая рост зерен и образуя более твердый и мелкозернистый осадок. Твердость кобальтового-золота составляет 130–200 кхон согласно спецификации AMS 2422 - примерно в два раза выше твердости мягкого золота, а иногда и больше.
Wear Life: данные и что они на самом деле говорят вам
Для подушечек штифтов пого-последовательность последовательность отказов почти всегда одинакова: подпружиненный-наконечник штифта истирает слой золота в ходе повторяющихся циклов контакта; золото изнашивается до подслоя никеля; никель окисляется; Контактное сопротивление возрастает. Именно это и произошло с браслетом выше, только быстрее, чем ожидалось, потому что золото было слишком тонким для такого применения.
На подушечке штифта с -закаленным кобальтом золотом толщиной 0,5 мкм износ-при контактной силе пружины менее 100–200 гс обычно происходит где-то в диапазоне 10 000–50 000 циклов. Я хочу быть честным: этот диапазон широк, и разброс реален, - геометрия кончика иглы имеет большое значение. Пого-штифт с закругленным или корончатым-наконечником распределяет контактное напряжение по большей площади и продлевает срок службы колодки по сравнению с плоским или долотовидным наконечником при той же нагрузке. В наших собственных велосипедных тестах с силой 150 гс и штифтом с корончатым наконечником мы выполнили около 35 000 циклов на кобальтовом золоте толщиной 0,5 мкм, прежде чем увидели измеримое увеличение сопротивления. При использовании плоского наконечника с той же силой число упало примерно до 8000. Если вы указываете контактную площадку Pogo и не знаете, какую геометрию контактов будет использовать ваша док-станция, подойдет широкий диапазон - сузьте его, когда у вас есть эта информация.
Мягкое золото толщиной 0,5 мкм изнашивается значительно быстрее. Наши испытания показали, что срок службы подушечки из мягкого золота составляет примерно 20–30 % от эквивалентного золота, закаленного кобальтом-, при той же толщине и силе пружины. Это не точное число, и я бы не стал делать ставку на него при проектировании продукта, не проведя собственных испытаний - соотношение меняется в зависимости от контактного усилия, частоты циклов, окружающей среды и геометрии штифта. Но вывод однозначен: для любого применения с значимым количеством циклов мягкое золото требует либо значительно более толстого слоя покрытия, либо более частой замены.
Порог количества циклов, при котором мягкое золото становится жизнеспособным, действительно низок: - приспособления для производственных испытаний, выдерживающие 50 циклов контакта перед заменой, одноразовые-диагностические аксессуары, временные сенсорные панели в клинических условиях. При сроке менее нескольких сотен циклов преимущество твердого золота в износостойкости вполне реально, но в основном оно не используется, и вы платите за возможности, которые не будете использовать.
Никелевая подложка
В спецификациях покрытия Pogo Pad часто основное внимание уделяется типу и толщине золота и недостаточно оговаривается подслой никеля. Никель выполняет две функции: он действует как диффузионный барьер, предотвращающий миграцию золота в медную подложку при повышенных температурах, и обеспечивает коррозионную стойкость, когда золото со временем изнашивается.
Золото диффундирует в медь. Без барьерного слоя повторяющиеся термические циклы постепенно истощают золото с медной- стороны отложения, утончая эффективный слой золота быстрее, чем можно было бы предположить только при механическом износе. Химический никель в диапазоне 2–5 мкм в соответствии с технологическими инструкциями IPC-4552 является стандартом для разъемов-пого-пэдов. При толщине менее 2 мкм микроотверстия в слое никеля создают места, где медь может подвергнуться коррозии, когда золото изнашивается или разрушается. При толщине выше 5 мкм напряжение в никелевом осадке начинает влиять на адгезию на границе раздела золото-никель.
Другая проблема с никелем заключается в том, что оксид никеля является плохим проводником электричества. Как только золотой слой на подушечке штифта изнашивается и никелевая поверхность подвергается воздействию влаги или окислительной атмосферы -, в тех же условиях, которые воспринимает устройство,-носимое на запястье, - никель окисляется, и контактное сопротивление еще больше возрастает, даже без дополнительного механического износа. Вот почему износ колодок-обычно является не-неисправимой неисправностью. Вы не сможете вернуться к приемлемому контактному сопротивлению, если никель обнажится и окислится.
Толщина по применению
Бытовые носимые устройства, заряжающие ежедневно - умные часы, фитнес-трекеры, наушники -, совершают 300–600 циклов стыковки в год. За срок службы изделия от трех-до-четырех лет это составляет 1000–2500 полных циклов. Кобальт-закаленное золото толщиной 0,3–0,5 мкм по сравнению с никелем, полученным химическим способом, толщиной 3 мкм, охватывает этот диапазон. Я указал толщину 0,3 мкм и гарантировал, что она сохранится на протяжении всего жизненного цикла продукта в чистых помещениях. Воздействие пота меняет расчет. - соль ускоряет процесс коррозии, как только происходит износ золота, поэтому, если область подушечки регулярно контактирует с кожей, 0,5 мкм дает вам значительный дополнительный запас.
Медицинские и промышленные устройства с более-частотными контактными циклами - диагностические карманные компьютеры, стыкуемые несколько раз в день, лабораторное оборудование, стыковочные интерфейсы испытательных станций - гарантируют наличие кобальта 0,5–1,0 мкм-закаленного золота по сравнению с никелем 3–5 мкм. Продукты, которые протирают изопропиловым спиртом или дезинфицирующими средствами на основе четвертичного аммония между использованиями, выигрывают от более густого золота, поскольку химические чистящие средства могут ускорить поверхностную микро-атаку даже на золото, а более толстому отложению требуется больше времени, чтобы изнашиваться-насквозь. Я видел контактные площадки с пого-пинами на клинических портативных устройствах толщиной 0,5 мкм, которые выглядели заметно испорченными через 18 месяцев ежедневного использования; та же геометрия при толщине 0,8 мкм на тот момент все еще работала в пределах спецификации.
Приспособления для производственных испытаний бывают разные. Количество циклов велико, но приспособление находится в контролируемой среде, его можно осмотреть и заменить в качестве элемента технического обслуживания.. 0.5 Твердое золото с толщиной никеля 3 мкм является общепринятой спецификацией, и многие операторы приспособлений планируют замену колодок при достижении порогового значения количества циклов, а не до отказа.
Когда использовать мягкое золото
Паяемость является основным случаем. Кобальт-закаленное золото создает проблемы в паяном соединении - кобальт мешает химическому составу флюса и плохо смачивает по сравнению с мягким золотом или ENIG. Если контактную площадку Pogo необходимо припаивать во время сборки, а не использовать исключительно в качестве контактной поверхности, для пайки подойдет мягкое золото или ENIG. Компромиссом является срок службы контактов, если колодка также подвергается повторяющимся циклам, что является реальной проблемой для некоторых конструкций двойного-целевого назначения.
Другой случай – приложения с очень малым количеством циклов,-чувствительные к затратам. Если колодка действительно выдержит менее 200 циклов контакта за весь срок службы, мягкое золото достаточной толщины справится со своей задачей.
Один из аргументов в пользу мягкого золота, от которого я неоднократно отказывался: «нам нужно всего лишь выдержать лабораторные испытания, возможно, 50 циклов, прежде чем производство будет соответствовать спецификации». Тестовые площадки выполняют больше циклов быстрее, чем ожидалось -, как только клиенты получат в свои руки инженерные образцы, 50 превратится в несколько сотен. Я перестал указывать мягкое золото для инженерных образцов, если на этом этапе проект не имеет конкретных ограничений по стоимости.
Проверка спецификации
Спецификации позолоты легко написать на чертеже, и поставщику легко пропустить их на производстве, и никто их не заметит.
РФА (рентгенофлуоресценция-лучей) — это стандартный не-метод проверки толщины слоя золота на готовых контактных площадках для штифтов. Требуйте данные XRF при входном контроле - фактических измерений деталей из партии, а не записи ванны из гальванического резервуара. Если поставщик не может этого обеспечить, его контроль над процессом является неполным.
Испытание микротвердости по Кнупу или Виккерсу на купоне поперечного сечения-покрытия подтверждает, что золотой сплав действительно-закален кобальтом. Диапазоны твердости не перекрываются: мягкое золото (60–90 KHN) и твердое золото, закаленное кобальтом- (130–200 KHN). Однократное измерение на тестовом купоне, извлеченном из партии покрытия, является окончательным. Испытание является разрушительным, поэтому оно проводится на купонах, а не на готовых деталях. Любой серьезный поставщик гальваники использует это как часть контроля качества ванны; запросите данные в рамках вашего первого-пакета проверки товара.
Солевой туман согласно ASTM B117 или IEC 60068-2-11 применим для колодок, работающих в агрессивных средах. Золото не подвергается коррозии, поэтому испытание на износ в солевом тумане покажет вам, насколько быстро основной никель разлагается в условиях окружающей среды, которые вы тестируете.
Часто задаваемые вопросы
В моей компании по производству печатных плат говорят, что они могут делать «золотые разъемы» на контактных площадках. Это то же самое, что отдельно указать кобальт-закаленное золото?
Не обязательно, и различие имеет значение. Многие производители печатных плат предлагают позолоченные разъемы в качестве дополнения-, но без явного указания типа сплава, твердости и толщины никелевого подслоя вы получаете разные варианты. В некоторых магазинах продается настоящее кобальтовое-золото, закаленное гальваническим способом; другие пластины из мягкого золота соответствуют толщине разъема. Запросите конкретно содержание кобальта, твердость (KHN) по результатам последних испытаний в ванне и данные РФА на образцах деталей. У меня были-встроенные в печатную плату золотые контактные площадки с пого-пинами, которые при входном контроле не соответствовали-спецификациям на 30–40 % по толщине. Без измерения его не поймать.
Влияет ли толщина золота на начальное контактное сопротивление или только на долгосрочную-работу?
Долгосрочная-эффективность – вот где это проявляется. Золото в диапазоне толщин 0,3–1,0 мкм представляет собой по существу ту же поверхность благородного металла, что и контактный штифт, поэтому первоначальные показания контактного сопротивления не различают их. Если вы измеряете повышенное контактное сопротивление на новых контактных площадках с пого-штырями, характеристики покрытия, вероятно, не являются причиной, - проверьте загрязнение поверхности, геометрию кончика штыря и силу пружины, прежде чем переходить к характеристикам покрытия.
Как правильно написать спецификацию покрытия на чертеже?
Минимум: тип золотого сплава, минимальная толщина и минимальная толщина никелевого подслоя с указанием нормативной информации. Полная выноска гласит: «Au (Co-закаленный) мин. 0.5мкм по EN мин. 3.0мкм по IPC-4552, класс B». Стандартная ссылка имеет значение, поскольку она определяет, как поставщик проверяет и сертифицирует покрытие: «твердое золото 0,5 мкм» без нормативной ссылки оставляет метод испытаний неопределенным и не дает вам ничего для проверки. Для требований отслеживания в автомобильной или аэрокосмической отрасли AMS 2422 соответствует конкретным требованиям к чистоте и твердости золота, которые не охватываются IPC-4552.
Мы разрабатываем контактную площадку с пого-штырем для носимого медицинского устройства. Что изменится?
Характеристики материала - кобальт-закаленное золото вместо никеля, полученного химическим способом -, остаются прежними. Что меняется, так это структура проверки и отслеживания вокруг него. Согласно стандарту ISO 13485, гальваника представляет собой особый процесс, а это означает, что поставщик должен быть квалифицирован и вести записи процесса, которые можно проверить, а не просто предоставлять данные окончательной проверки. Для вашего файла истории проектирования необходима квалификационная документация поставщика, которая отличается от той, которая требуется для потребительского продукта.
Стоит подумать о биосовместимости, если есть какой-либо путь контакта подушечки с пого-булавкой с кожей. Золото биосовместимо; Никель является известным сенсибилизатором и аллергеном у значительной части населения. Если ваша механическая схема направляет область колодки где-то близко к контакту с кожей, либо укажите более толстое золото, чтобы задержать износ-как можно дольше, либо добавьте промежуточный слой палладия между никелем и золотом - палладий обеспечивает дополнительный диффузионный барьер и не вызывает таких же проблем биосовместимости, как никель. Большинство носимых медицинских подушечек размещают подушечку вдали от контакта с кожей специально, чтобы избежать этого вопроса, и это стоит решить на ранней стадии механической компоновки, а не переоборудовать позже.
Как часто входной контроль должен включать проверку твердости, а не только РФА?
РФА для каждой партии, твердость по купону на первое изделие, а затем с любой частотой, которую требует ваш план качества для постоянной проверки процесса - обычно ежеквартально для поставщика со стабильным, документированным процессом и историей соответствующих партий, чаще, если есть история изменений химического состава ванны. Я бы также проводил проверку твердости каждый раз, когда поставщик меняет химический состав гальванической ванны или пополняет новую партию химикатов, поскольку состав ванны напрямую влияет на скорость включения кобальта и, следовательно, на твердость. Уведомление об этих изменениях стоит включить в договор поставки.
Свяжитесь с нами по поводу спецификации вашей Pogo Pin Pad
Чтобы получить правильную золотую спецификацию для пого-контактной площадки, обычно сводится к трем вещам: знание фактического количества циклов, понимание воздействия на окружающую среду и проверка соответствия того, что поставляет поставщик, тому, что вы указали. Если вы работаете над решением спецификации или устраняете проблему с контактным сопротивлением в полевых условиях, команда инженеров компании [Dongguan Xinteng Electronics Co., Ltd.] наблюдала множество таких режимов отказа и обычно может быстро сказать вам, является ли причиной этого покрытие.
Свяжитесь с нами по адресу [xt@xtpogopin.com] и сообщите сведения о своем приложении и текущие спецификации. Если вам нужны образцы подушечек для штифтов Pogo в различных конфигурациях из твердого и мягкого золота для сравнительного тестирования, мы можем предоставить их - [контактная площадка Pogo Pin].
