در یککانکتور پین پوگوماژول،پد پین پوگوسطح تماس ثابتی است که با پین بارگذاری شده بهار-جفت می شود. معمولاً به‌عنوان یک پد مسی روکش‌شده روی PCB یا به‌عنوان یک کنتاکت فلزی جداگانه که روی محفظه یا برد مدار دستگاه برقی نصب می‌شود، اجرا می‌شود. هر بار که دستگاه به پایه شارژ متصل می شود یا از آن خارج می شود، پین پوگو یک چرخه تماس لغزشی را در سطح پد پین پوگو تکمیل می کند.

در{0}}برنامه‌های شارژ سریع پین pogo-مانند ایستگاه‌های شارژ رباتیک AGV، پایه‌های شارژ دستگاه‌های پزشکی، و تجهیزات تست صنعتی{2}}پد پین پوگو ممکن است ده‌ها تا بیش از صدها چرخه جفت‌گیری را در روز انجام دهد. در طول عمر محصول، تعداد کل چرخه های درج و برداشت معمولاً از 50000 تا 150000 متغیر است.

چالشی که در برنامه‌های{0}}جریان بالا وجود دارد این است که حفظ یک ناحیه تماس رسانا به اندازه کافی بزرگ به یک رابط پین پوگو نیاز دارد تا نیروی تماسی بسیار بالاتری نسبت به رابط سطح سیگنال اعمال کند. به جای کمتر از 0.5 نیوتن، نیروی تماس معمولاً از 1 نیوتن تا 3 نیوتن متغیر است و به طور قابل ملاحظه ای سایش تولید شده در هر چرخه جفت گیری را افزایش می دهد. در عین حال، هنگامی که جریان‌های بالا (معمولاً بالای 5 A) از تماسی با مقاومت محدود عبور می‌کنند، گرمایش ژول حاصل، تخریب حرارتی سطح آبکاری شده را تسریع می‌کند. اثرات ترکیبی افزایش سایش مکانیکی و تنش حرارتی، دستیابی به مقاومت سایشی طولانی مدت برای پدهای پین pogo فعلی بسیار چالش برانگیزتر از اتصال دهنده های سیگنال معمولی است.

مکانیسم‌های شکست: قبل از تعیین روکش طلای ضخیم‌تر بدانید که در کجا شکست می‌خورد

پدهای{0}}پین پوگو با جریان بالا تنها به یک روش خراب نمی شوند. بر اساس موارد میدانی که روی آنها کار کرده‌ایم، مکانیسم‌های خرابی متعدد اغلب به طور همزمان رخ می‌دهند، اما هر کدام به راه‌حل مهندسی متفاوتی نیاز دارند. برخورد با آنها به عنوان یک مشکل معمولا منجر به هدر رفتن تلاش می شود.

سایش مکانیکی (سایش چسب و ساینده)

هر بار که یک پین پوگو روی پد پین پوگو می لغزد، مقدار کمی فلز از سطح آبکاری شده جدا می شود. حجم سایش را می توان با استفاده از معادله سایش آرچارد تخمین زد:

W = k × F × L / H

کجاWحجم سایش است،Fنیروی تماس است،Lفاصله لغزشی است،Hسختی مواد است وkضریب سایش بدون بعد است که به جفت مواد و شرایط روانکاری بستگی دارد.

مفهوم ساده است: هر چه مواد سخت تر باشد، سایش کمتر است. طلا (Au) معمولاً دارای سختی ویکرز فقط 60-80 HV است، در حالی که آلیاژهای PdNi معمولاً به 400-600 HV می رسند. این تفاوت در سختی یکی از دلایل اصلی این است که طول عمر آنها بسیار متفاوت است.

یک اشتباه محاسباتی قابل ذکر است. برخی از مهندسان سایش پد پین پوگو را با استفاده از ضریب اصطکاک برای فولاد-روی تماس فولادی (μ ≈ 0.2-0.3) تخمین می زنند. در واقع،-مخاطبین فلز به-مخاطب فلزی-به‌ویژه طلا-روی{10}}واسط‌های طلا{11}}معمولاً ضریب اصطکاک بین 0.5 و 1.5 را نشان می‌دهند. استفاده از 0.3 می تواند سایش را بین دو تا پنج دست کم بگیرد.

خستگی آبکاری و لایه لایه شدن سطحی

این حالت خرابی یک ویژگی متمایز دارد: مقاومت تماس به تدریج افزایش نمی یابد، بلکه به طور ناگهانی پس از تعداد معینی از چرخه های جفت گیری افزایش می یابد.

بارگذاری مکرر مکانیکی باعث ایجاد ترک های خستگی در سطح مشترک بین آبکاری و بستر می شود. هنگامی که مواد خورنده از طریق منافذ در پوشش نفوذ می کنند، بستر زیرین شروع به خوردگی می کند. در بسترهای برنجی، روی به ویژه حساس است. همانطور که روی اکسید می شود و حجم آن افزایش می یابد، آبکاری را از زیر بالا می برد و منجر به تاول زدن و لایه برداری{3}}در مقیاس بزرگ می شود.

یکی از مواردی که ما مورد بررسی قرار دادیم شامل پدهای پین پوگو بود که با آبکاری طلا مستقیماً بر روی یک بستر برنجی تولید می‌شدند، و برای کاهش هزینه‌ها، لایه زیرین نیکل حذف شد. پس از حدود 7400 چرخه جفت گیری، مقاومت تماس از 12 mΩ به بیش از 800 mΩ افزایش یافت. تجزیه و تحلیل مقطعی{6}SEM نشان داد که یک لایه اکسید روی متراکم در زیر آبکاری طلا تشکیل شده است و آن را مجبور به جدا شدن از بستر می کند.

یک لایه زیرین نیکل 2 تا 5 میکرومتر، لایه سد استاندارد صنعتی برای جلوگیری از این نوع خرابی است و نباید حذف شود.

خوردگی الکتروشیمیایی

در محیط‌هایی با رطوبت نسبی بیش از 60 درصد، فلزات غیرمشابه در پین پوگو و پد پین پوگو، سلول‌های گالوانیکی میکروسکوپی را تشکیل می‌دهند که به طور پیوسته باعث خوردگی الکتروشیمیایی می‌شوند.

این مکانیسم در سیستم‌های شارژ پین پوگو مستقر در انبارهای ساحلی، تأسیسات تولید مرطوب یا سایر محیط‌های مستعد رطوبت، مستحق توجه ویژه است.

فرسایش قوس-ولتاژ پایین

بیشتر سیستم‌های شارژ پین pogo با ولتاژ 5 تا 48 ولت DC کار می‌کنند، بنابراین مکانیسم خرابی آنها با قوس‌های ولتاژ بالا{2} معمولی متفاوت است.

در برنامه های کاربردی با ولتاژ پایین-جریان بالا، نگرانی اصلی جریان هجومی در طول تماس اولیه است که می تواند به 10 تا 20 برابر جریان عملیاتی نامی برسد. گرمایش موضعی حاصل حفره‌های کوچک و علائم کربنی روی سطح پد پین پوگو ایجاد می‌کند.

مدار شروع نرم-یکی از مؤثرترین راه‌ها برای کاهش این نوع آسیب است.

خوردگی فرسایشی-حالت شکست که اغلب به اشتباه تشخیص داده می‌شود

در میان تمام مکانیسم‌های خرابی، خوردگی فرتینگ احتمالاً اغلب اشتباه شناسایی می‌شود. در واقع، این مشکل اساسی در هر سه مورد مشتری بود که قبلاً ذکر شد.

خوردگی فرتینگ زمانی اتفاق می‌افتد که رابط تماس، حرکت نوسانی مکرر با دامنه بسیار کوچک، معمولاً بین 1 تا 100 میکرومتر را تجربه کند. برای پدهای پین پوگو نصب شده بر روی تجهیزات صنعتی یا وسایل نقلیه، ارتعاش از دستگاه میزبان به آسانی از طریق ساختار مکانیکی به رابط تماس منتقل می شود. حتی اگر حرکت با چشم غیرمسلح نامرئی باشد، اغلب برای شروع اخم کافی است.

یکی از واضح‌ترین توصیف‌ها از این فرآیند از بررسی آنتلر در سال 1985 منتشر شده استمعاملات IEEE. ریز{1}}لغزش مکرر به طور مداوم لایه اکسید روی سطح فلز را مختل می کند. فلز تازه بلافاصله در معرض هوا قرار می گیرد و دوباره اکسید می شود. از آنجایی که جابجایی بسیار کوچک است، پسماندهای اکسید نمی توانند از ناحیه تماس فرار کنند و در عوض در سطح مشترک تجمع می یابند و ذرات سایش عایق الکتریکی را تشکیل می دهند.

این یک چرخه خود{0}تقویت‌کننده ایجاد می‌کند: با تجمع زباله‌های بیشتر، سطح تماس موثر کاهش می‌یابد، فشار تماس موضعی افزایش می‌یابد و سایش تسریع می‌شود.

یک راه عملی برای شناسایی خوردگی فرتینگ از طریق بازرسی بصری است. اگر آبکاری تا حد زیادی دست نخورده باقی بماند اما قهوه‌ای مایل به قرمز (اکسیدهای مس یا طلا) یا پودر سیاه در ناحیه تماس جمع شده باشد، تقریباً به طور قطعی علت آن خوردگی خراش است. بسیاری از مهندسان به سادگی پودر را تمیز می‌کنند و قطعه را به سرویس برمی‌گردانند، فقط برای مشاهده عود همان خرابی پس از چند هزار چرخه جفت‌گیری اضافی، زیرا مکانیسم زیربنایی مورد توجه قرار نگرفته است.

سه استراتژی کاهش اثبات شده وجود دارد که می توان آنها را نیز ترکیب کرد. افزایش نیروی تماس به بیش از 1.5 نیوتن به رابط کمک می کند تا از لایه اکسیدی عبور کند و تماس را از حالت لغزشی به سمت تماس چسبنده پایدارتر تغییر دهد. استفاده از آبکاری های با سختی بالا مانند PdNi، میزان ضایعات سایش تولید شده در طول هر رویداد ریز-را کاهش می دهد. استفاده از یک روان کننده تماس مهندسی، مانند Nyogel 760G، روی سطح پد پین پوگو، رابط را از اکسیژن جدا می کند و به طور قابل توجهی روند اکسیداسیون را کند می کند.

انتخاب آبکاری مناسب: طلای ضخیم‌تر را پیش‌فرض نکنید

درست است که "به جای طلای سخت با PdNi" راه حل معتبری برای پوشیدن پد پین پوگو در بسیاری از موارد است. با این حال، مهندسانی که مستقیماً از طلای سخت به PdNi می پرند، اغلب دو ملاحظۀ مهم را نادیده می گیرند: هزینه اضافی PdNi و حساسیت آن به تشکیل پسماند قهوه ای در محیط های عملیاتی خاص.

طلای سخت (Au{0}}Co, 130–200 HV)طیف گسترده ای از عمر سایش را ارائه می دهد، معمولاً بین 20000 تا 45000 چرخه جفت گیری، بسته به کیفیت آبکاری-به ویژه تخلخل-و نیروی تماس واقعی. بسیاری از تامین کنندگان داخلی "1 میکرومتر طلای سخت" را در نقشه های خود مشخص می کنند، اما اندازه گیری های مقطعی SEM اغلب ضخامت واقعی 0.4-0.6 میکرومتر را نشان می دهد. این یک مسئله رایج است و بعداً در بخش صلاحیت تامین کننده مورد بحث قرار خواهد گرفت. اگر کیفیت آبکاری به خوبی کنترل شود و عمر سرویس مورد نیاز کمتر از 30000 چرخه جفت گیری باشد، طلای سخت به طور کلی بهترین تعادل را بین عملکرد و هزینه فراهم می کند.

PdNi (80Pd/20Ni، 400–600 HV)یک مزیت واضح در مقاومت در برابر سایش ارائه می دهد. با توجه به معادله سایش آرچارد، افزایش سختی مواد با ضریب سه تا چهار، حجم سایش را تقریباً به یک چهارم -آبکاری طلا کاهش می‌دهد. با این حال، یک اشکال مهم وجود دارد که اغلب نادیده گرفته می شود.

موضوع "پودر قهوه ای" با PdNi

پالادیوم (Pd) یک کاتالیزور موثر برای بسیاری از واکنش های آلی است. در محیط‌های حاوی ترکیبات آلی فرار (VOCs)-مانند بخارات ناشی از چسب‌ها، عوامل آزادکننده قالب-یا حلال‌های پاک‌کننده، که همگی در تأسیسات تولیدی رایج هستند-گرمای اصطکاکی تولید شده در طول جفت‌گیری مکرر می‌تواند سطح بخارساز پلی‌افیلیدی را فعال کند و به طور ارگانیک‌سازی کاتاها را فعال کند. نتیجه تشکیل یک فیلم عایق قهوه ای در ناحیه تماس پد پین پوگو است که باعث می شود مقاومت تماس به سرعت افزایش یابد.

این پدیده برای اولین بار در صنعت اتصالات خودرو در دهه 1980 شناسایی شد و صنعت مدتهاست که یک راه حل موثر را اتخاذ کرده است: استفاده از0.05-0.1 میکرومتر طلای فلاش (فلش طلا)روی آبکاری PdNi این لایه طلای فوق نازک سطح پالادیوم را ایزوله می کند و فعالیت کاتالیزوری آن را بدون به خطر انداختن مقاومت سایشی PdNi زیرین حذف می کند. در طول چرخه‌های جفت‌گیری اولیه، طلای فلش به سرعت تحت نیروی تماس معمولی ساییده می‌شود، پس از آن لایه PdNi عملکرد سایش طولانی‌مدت- را ارائه می‌دهد.

هرگاه یک پد پین پوگو در محیطی کار کند که ترکیبات آلی فرار (VOCs) وجود دارد،PdNi با طلای فلش باید به جای PdNi خالی مشخص شودبدون توجه به منبع بخارات آلی.

مقایسه عملکرد آبکاری

شرایط آزمون:بستر برنجی، نیروی تماس 2 نیوتن، مقاومت تماس مطابق با استاندارد IEC 60512-2-1 (آزمایش مقاومت تماس در سطح میلی ولت) اندازه‌گیری شده است.

توجه: A زیر صفحه نیکل 2-5 میکرومتربرای تمام سیستم های آبکاری ضروری است. این هم به عنوان یک مانع انتشار عمل می کند و از مهاجرت فلزات زیرلایه به داخل آبکاری عملکردی جلوگیری می کند و هم به عنوان یک لایه پشتیبانی سخت که دوام مکانیکی پوشش را بهبود می بخشد.

مواد بستر و طراحی مکانیکی: جزئیات کوچکی که تفاوت بزرگی ایجاد می کند

مس بریلیم (BeCu)

مس بریلیم (C17200) به عنوان ماده بستر ترجیحی برای پدهای پین پوگو باقی می ماند زیرا تعادل عالی بین هدایت الکتریکی (تقریباً 22٪ IACS) و سختی (HV 380-420) را ارائه می دهد. با این حال، یک موضوع شایسته توجه ویژه است.

در بازار داخلی، مواد فروخته شده به عنوان "مس بریلیوم" همیشه اصل نیستند. بخش قابل توجهی حاوی بریلیم ناکافی است یا با مس-کروم-زیرکونیوم (CuCrZr) یا آلیاژهای مشابه جایگزین شده است. در حالی که این جایگزین ها اغلب ظاهر و رسانایی الکتریکی مشابهی دارند، سختی و مدول الاستیک آنها به طور قابل توجهی متفاوت است.

برای احراز صلاحیت تأمین‌کننده، روش استاندارد ما این است که به گزارش تجزیه و تحلیل مواد EDS (انرژی{0}}طیف‌سنجی پرتو ایکس پراکنده-) نیاز داشته باشیم. محتوای بریلیم اندازه گیری شده باید در محدوده 1.8-2.0 درصد وزنی باشد.

فسفر برنز

فسفر برنز (C51000، HV 200-280) یک جایگزین مقرون به صرفه برای مس بریلیوم است. این به خوبی برای برنامه‌های پد پین pogo با 1-8 A مناسب است، یک زنجیره تامین داخلی پایدار ارائه می‌دهد و به طور قابل‌توجهی تأیید صحت مواد نسبت به BeCu آسان‌تر است.

نیروی تماس

نیروی تماس یکی از پارامترهای مورد بحث در{0}}طراحی اتصال پین pogo فعلی بالاست.

افزایش نیروی تماس به شکستن لایه‌های اکسید سطحی و سرکوب خوردگی فرت کمک می‌کند، اما سایش مکانیکی را نیز تسریع می‌کند. بر اساس داده‌های آزمایشی خودمان، ما نیروی تماس 1.5-2.5 نیوتن را برای برنامه‌های دارای 5-15 A توصیه می‌کنیم. البته شایان ذکر است که هیچ استاندارد پذیرفته‌شده جهانی در ادبیات منتشر شده وجود ندارد و مقدار بهینه ممکن است بسته به محیط عملیاتی متفاوت باشد.

در طول آزمایش دوام، حفظ نیروی فنر نیز باید ارزیابی شود. یک کانکتور پین پوگو با کیفیت بالا باید حداقل 85 درصد نیروی فنر اولیه خود را پس از تکمیل تست استقامت مشخص شده در IEC 60512-9-1 حفظ کند.

بارگذاری جانبی

سایش موضعی تنها در یک طرف پد پین پوگو تقریباً همیشه ناشی از بارگذاری جانبی ناشی از ناهماهنگی در حین اتصال است.

ویژگی های تراز مغناطیسی یا شکاف های مکان یابی مکانیکی می توانند خطای موقعیت را به داخل محدود کنند± 0.5 میلی متر. در عمل، بهبود هم ترازی اغلب نسبت به جابجایی به آبکاری مقاوم‌تر در طول عمر مفیدتر است، با این حال یکی از جنبه‌های اغلب نادیده گرفته شده در طراحی کانکتور باقی می‌ماند.