手首に装着するフィットネス トラッカーの保証データを確認し、返品されたすべてのデバイスで報告された問題を分析しました。{0}ポゴピンコンタクトの接触抵抗は、公称 25 mΩ から 180 mΩ に増加するか、開回路になることさえありました。
私たちは最初に波止場にあるポゴピンを追いかけました。それは間違った仮定でした。デバイスを取り外し、XRF で接触パッドをテストしたところ、金の大部分が失われており、残ったのは酸化ニッケルでした。デバイス上のポゴピンパッド領域は、PCB の残りの部分と同じ ENIG プロセス、つまり約 0.07μm の金を含む無電解ニッケル浸漬金で仕上げられていました。設計レビュー中に私はそれについて疑問を抱きませんでした。 ENIG は、機械的接触サイクルに耐えるためではなく、組み立てプロセスを通じてはんだ付け可能な表面を保護するために存在します。約 200～400 回のドックと充電サイクルで、0.07μm の金層がなくなりました。--
修正は、パッド領域に専用のコバルト{0}}硬化電気めっき金を施し、基板表面の仕上げとは別に指定された、最小 3 μm の無電解ニッケルよりも μm の金を施しました。-その仕様に従って構築されたユニットは、その障害モードで戻ってきませんでした。それ以来、ポゴパッドのメッキ仕様にこだわってきました。
「ハード」と「ソフト」の実際の意味
どちらの用語も物理的な処理や厚さを指すものではないため、この用語は混乱を招きます。違いは合金組成です。
ソフトゴールドは、- 99.9% Au 以上の純金です。元素の金は本質的に柔らかいため、この素材は本質的に柔らかいです。電気めっきされたソフトゴールドのヌープ硬度は、浴の化学的性質と析出条件によって異なりますが、約 60 ～ 90 KHN です。
硬質金は金合金であり、ほとんどの場合、重量の約 0.1～0.3% のコバルトを含む金-です。場合によっては金-ニッケル合金も見かけますが、コネクタ用途ではコバルトの方が一般的です。コバルトは堆積中に粒界で析出し、粒子の成長を妨げ、より硬く、より細かい粒子の堆積物を生成します。-。コバルト-硬化金は、AMS 2422 仕様によれば 130 ～ 200 KHN です - は、軟金のおよそ 2 倍、場合によってはそれ以上の硬度です。
Wear Life: データとそれが実際に伝えること
ポゴ ピン パッドの場合、故障シーケンスはほとんど常に同じです。つまり、ばね仕掛けのピン先端が接触サイクルを繰り返すと金層を摩耗させます。{0}}金はニッケルの下層まで磨耗します。ニッケルは酸化します。接触抵抗が上がります。それが上記のリストバンド製品で起こったことですが、金がアプリケーションには薄すぎたため、予想よりも速かっただけです。
0.5 μm のコバルト硬化金を使用したポゴピン パッドでは、100～200gf 未満のばね接触力で通常 10,000～50,000 サイクルの範囲で磨耗します。{0}{2}正直に言うと、この範囲は広く、実際のスプレッドは - ピン先端の形状が非常に重要です。丸いまたはクラウン-先端のポゴピンは、同じ荷重下で平坦またはチゼルチップと比較して接触応力をより広い範囲に分散し、パッドの寿命を延ばします。 150gf とクラウン-チップ ピンを使用した独自のサイクル テストでは、測定可能な抵抗の増加が見られるまでに、0.5μm コバルト金で約 35,000 サイクルに達しました。同じ力で平らな先端を使用した場合、数値は 8,000 近くまで減少しました。ポゴ ピン パッドを指定していて、ドックが使用するピン ジオメトリがわからない場合は、広い範囲が適切です - 情報がわかったら範囲を狭くしてください。
0.5μmのソフトゴールドはかなり早く摩耗します。私たちのテストでは、ソフトゴールドパッドの寿命は、同じ厚さとバネ力で同等のコバルト硬化ゴールドの約 20～30% であることが判明しました。{4}これは正確な数値ではなく、独自のテストを実行せずに製品設計を行うことはできません。- この比率は接触力、サイクル レート、環境、ピンの形状によって変化します。しかし、結論の方向性は一貫しています。つまり、意味のあるサイクル数を伴うアプリケーションでは、ソフトゴールドにはかなり厚い堆積物を使用するか、より頻繁に交換する必要があります。
ソフトゴールドが実用化されるサイクル数のしきい値は、交換前に 50 回の接触サイクルが見られる製造テスト治具、- の製造テスト治具、使い捨ての診断アクセサリ、臨床現場での一時的なセンサー パッドなどです。-数百サイクル以下では、硬質金の耐摩耗性の利点は本物ですが、ほとんど使用されず、発揮しない能力に対してお金を払っていることになります。
ニッケル下地層
ポゴパッドのめっき仕様では、金の種類と厚さに重点が置かれ、ニッケル下地層の仕様が過小評価されることがよくあります。ニッケルには 2 つの働きがあります。1 つは、高温で金が銅基板に移動するのを防ぐ拡散バリアとして機能し、もう 1 つは金が最終的に摩耗したときに耐食性を提供することです。
金は銅の中に拡散します。バリア層がないと、熱サイクルを繰り返すと、堆積物の銅-側から金が徐々に消耗し、機械的磨耗だけが示唆するよりも早く、有効な金層が薄くなります。 IPC{6}}4552 プロセス ガイドラインに準拠した 2～5μm 範囲の無電解ニッケルは、コネクタ- グレードのポゴ パッド アプリケーションの標準です。 2μm未満では、ニッケル層のピンホール被覆により、金が摩耗したり破損したりすると銅が腐食する可能性のある場所が作成されます。 5μmを超えると、ニッケル堆積物の応力が金とニッケルの界面での接着に影響を及ぼし始めます。
ニッケルに関するもう 1 つの問題は、酸化ニッケルが導電性に劣ることです。ポゴ ピン パッドの金層が摩耗し、ニッケル表面が湿気または酸化雰囲気にさらされると、-手首に装着するデバイスが見られる条件とまったく同じです-。追加の機械的磨耗がなくても、ニッケルが酸化し、接触抵抗がさらに上昇します。これが、パッドの磨耗が通常、回復不可能な故障である理由です。{{6}ニッケルが露出して酸化すると、洗浄して許容可能な接触抵抗に戻すことはできません。
用途別の厚み
消費者向けウェアラブル機器 - のスマートウォッチ、フィットネス トラッカー、イヤフォン - を毎日充電すると、年間 300 ～ 600 回のドック サイクルが蓄積されます。 3{5}}～{6}}の製品寿命では、合計 1,000～2,500 サイクルになります。 3μm の無電解ニッケルよりも 0.3 ～ 0.5μm のコバルト-硬化金がこの範囲をカバーします。私は 0.3μm を指定し、クリーンな屋内環境で製品のライフサイクル全体にわたって維持できるようにしました。汗にさらされると計算が変わります。- 塩は、金の磨耗が発生すると腐食プロセスを加速します。そのため、パッド領域が定期的に皮膚と接触する場合、0.5μm は意味のある追加マージンを与えます。
-接触サイクルの頻度が高い医療機器および産業機器 - 1 日に複数回ドッキングする診断ハンドヘルド、実験室機器、テストステーションのドッキング インターフェース - では、3〜5μm のニッケル上に 0.5〜1.0μm のコバルト-硬化金が保証されます。使用の合間にイソプロピル アルコールや第 4 級アンモニウム消毒剤で拭く製品には、化学洗浄剤が金であっても表面の微細な攻撃を促進する可能性があるため、厚い金の利点が得られます。また、厚い堆積物は磨耗に達するまでに時間がかかるからです。-臨床用ハンドヘルドの 0.5μm のポゴピン コンタクト パッドが 18 か月間毎日使用すると目に見えて劣化しているのを見たことがあります。 0.8μm での同じ形状は、その時点ではまだ仕様の範囲内で機能していました。
製造用テスト治具は異なります。サイクル数は多いですが、治具は管理された環境にあり、検査可能で、メンテナンス項目として交換可能です. 0.5μm の硬質金と 3μm のニッケルが一般的な仕様であり、多くの治具オペレータは、故障するまで実行するのではなく、サイクル数のしきい値でパッドの交換をスケジュールしています。
ソフトゴールドを指定する場合
はんだ付け性が主なケースです。コバルト-硬化した金ははんだ接合部で問題を引き起こします-コバルトはフラックスの化学反応を妨げ、柔らかい金やENIGに比べて濡れが悪くなります。ポゴ ピン パッドを接触面としてのみ使用するのではなく、組み立て中にはんだ付けする必要がある場合は、ソフト ゴールドまたは ENIG がはんだ付け要件に適しています。パッドが繰り返しサイクルされる場合、トレードオフは接触寿命です。これは一部の二重目的設計では深刻な問題です。-
サイクル数が非常に少なく、コストを重視するアプリケーションは、{0}}もう 1 つのケースです。パッドの耐用年数全体で接触サイクルが 200 回未満である場合は、適切な厚さのソフトゴールドで十分です。
私が何度も押し返してきたソフトゴールドに関する議論の 1 つは、「製品が仕様に準拠するまで、実験室でのテスト (おそらく 50 サイクル) を乗り切る必要があるだけである」というものです。テストパッドでは、予想よりも早く多くのサイクルが確認されています - 顧客がエンジニアリング サンプルを手に入れると、50 個は数百個になります。その段階でプロジェクトに特定のコスト制約がない限り、私はエンジニアリングサンプルにソフトゴールドを指定するのをやめました。
仕様の確認
金メッキの仕様は図面に書きやすいため、サプライヤーが生産中に誰にも気づかれずに見逃されやすいです。
XRF (蛍光 X-) は、完成したポゴピン パッドの金層の厚さを検証するための標準的な非破壊方法です。-入荷検査時に XRF データが必要です - めっきタンクからの浴記録ではなく、ロットからの部品の実際の測定値。サプライヤーがこれを提供できない場合、そのプロセス管理は不完全です。
めっき断面クーポンのヌープまたはビッカース微小硬度試験により、金合金が実際にコバルト硬化されていることを確認します。{{1}硬度の範囲は重複しません。柔らかい金（60～90 KHN）とコバルト-で硬化された硬い金（130～200 KHN）です。めっきバッチから引き出されたテストクーポンからの 1 回の測定が決定的です。このテストは破壊的なものであるため、完成品ではなくクーポンに対して行われます。本格的な電気めっきサプライヤーは、浴の品質管理の一環としてこれを実行しています。最初の記事検査パッケージの一部としてデータを要求します。-
ASTM B117 または IEC 60068-2-11 に基づく塩水噴霧は、腐食環境のパッドに関連します。金は腐食しないため、磨耗までの塩水噴霧テストを実行すると、テストしている環境条件で下地のニッケルがどれだけ早く劣化するかがわかります。
よくある質問
私のPCBハウスは、パッド領域に「コネクタゴールド」を実行できると言っています。それはコバルト-硬化金を個別に指定することと同じですか?
必ずしもそうではなく、区別が重要です。多くの PCB 製造業者はコネクタの金をアドオンとして提供していますが、合金の種類、硬度、ニッケル下地層の厚さを明示的に指定しないと、得られるものは異なります。-一部のショップでは、本物のコバルト-硬化電気メッキ金を使用しています。他のものはコネクタの厚さに合わせてソフトゴールドメッキを施しています。具体的には、コバルト含有量、最新の浴試験による硬度 (KHN)、およびサンプル部品の XRF データについて問い合わせてください。 PCB-一体型ポゴ ピン パッド ゴールドは、受入検査で厚さの 30 ～ 40% が仕様を下回っていました。-測定しないと捕まりません。
金の厚さは初期の接触抵抗に影響しますか、それとも長期的な性能にのみ影響しますか?{0}}
-長期的なパフォーマンスが発揮されます。厚さ 0.3 ～ 1.0 μm の範囲の金は、接触ピンに対して本質的に同じ貴金属表面を示すため、初期の接触抵抗の測定値では両者が区別されません。新しいポゴ ピン パッドの接触抵抗の上昇を測定している場合は、めっきの仕様が原因ではない可能性があります。- めっきの仕様に進む前に、表面の汚れ、ピン先端の形状、バネ力を確認してください。
めっき仕様を図面に正しく書くにはどうすればよいですか?
最小: 金合金の種類、最小厚さ、および基準を参照したニッケル下地層の最小厚さ。完全なコールアウトには、「Au (Co-硬化) min. 0.5μm、EN min. 3.0μm (IPC-4552 Class B あたり)」と書かれています。標準基準は、サプライヤーがめっきを検証および認証する方法を定義するため重要です。基準基準のない「硬質金 0.5μm」では、試験方法が未指定のままであり、監査する対象が何もありません。自動車または航空宇宙のトレーサビリティ要件については、AMS 2422 は、IPC-4552 ではカバーされていない特定の金の純度および硬度要件に対応します。
私たちはウェアラブル医療機器用のポゴピン コンタクト パッドを設計しています。何が変わるのでしょうか？
材料仕様 - コバルト-無電解ニッケル上硬化金 - は変わりません。変わるのは、その周りの検証とトレーサビリティの構造です。 ISO 13485 では、電気めっきは特別なプロセスであるため、サプライヤーは資格を取得する必要があり、最終検査データを提供するだけでなく、監査できるプロセス記録を維持する必要があります。設計履歴ファイルにはサプライヤー認定文書が必要ですが、これは消費者向け製品に必要なものとは異なります。
ポゴピンのパッド部分が皮膚に接触する経路があるかどうか、生体適合性について検討する価値があります。金は生体適合性があります。ニッケルは、人口の大部分において感作物質およびアレルゲンとして知られています。機械的レイアウトが皮膚接触に近い場所にパッド領域を配置する場合は、摩耗をできるだけ長く遅らせるために厚い金を指定するか、ニッケルと金の間にパラジウム中間層を追加します。-パラジウムは追加の拡散バリアを提供し、ニッケルと同じ生体適合性の懸念を引き起こしません。ウェアラブル医療用ポゴパッドの設計のほとんどは、特にこの問題を避けるために、パッドを皮膚との接触から遠ざけています。これは、後で改造するのではなく、機械的レイアウトの早い段階で決定する価値があります。
受入検査には XRF のみではなく、どのくらいの頻度で硬度検証を含めるべきですか?
ロットごとの XRF、最初の製品のクーポンからの硬度、その後、継続的なプロセス検証のために品質計画に必要な頻度で行われます。- 安定した文書化されたプロセスと適合ロットの実績を持つサプライヤーの場合、通常は四半期ごとに行われます。浴の化学変化の履歴がある場合はより頻繁に行われます。また、サプライヤーがめっき浴の化学薬品を変更したり、新しい薬品ロットを補充したりするたびに、硬度検証を実行します。これは、浴の組成がコバルトの混入率、ひいては硬度に直接影響するためです。こうした変更の通知を受け取ることは、供給契約に含める価値があります。
ポゴピンパッドの仕様についてお問い合わせください
ポゴ ピン パッドのゴールド仕様を正しく取得するには、通常、実際のサイクル数を知ること、環境への曝露を理解すること、サプライヤーが提供するものを指定したものと照合することの 3 つのことに集約されます。仕様の決定に取り組んでいる場合、または現場で接触抵抗の問題をデバッグしている場合、[Dongguan Xinteng Electronics Co., Ltd.] のエンジニアリング チームはこれらの故障モードを数多く確認しており、通常、メッキが原因である可能性が高いかどうかをすぐに判断できます。
アプリケーションの詳細と現在の仕様を添えて、[xt@xtpogopin.com] までご連絡ください。比較テスト用に、異なるハード ゴールド構成とソフト ゴールド構成のサンプル ポゴ ピン パッドが必要な場合は、提供できます - [ポゴピンコンタクトパッド].
