在電子行業(yè)，綠色設(shè)計(jì)(GreenDesign)是業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。除了降低能耗，業(yè)界正越來(lái)越多地限制在連接器外殼中使用某些鹵素作為阻燃劑。支持下一代綠色設(shè)計(jì)(GreenDesign)的內(nèi)存器必需滿足提高性能，增加功率密度，改進(jìn)可靠性，降低功耗并避免使用有害物質(zhì)等諸多要求，這就是今年市場(chǎng)推出最新一代SDRAM計(jì)算機(jī)內(nèi)存器DDR4的背景情況。

 

本文探討了各種不含鹵素(halogen-free)的DDR4插座的開(kāi)發(fā)工作，并且根據(jù)嚴(yán)格的JEDECDDR4規(guī)范和IEC61249-2無(wú)鹵素依從性，討論了不同的外殼材料選項(xiàng)。我們檢測(cè)了各種高性能聚合物，比如液晶聚合物(liquidcrystalpolymer,LCP)、聚酰胺PA4T和不同的聚鄰苯二甲酰胺(polyphthalamide,PPA)，并且重點(diǎn)探討與關(guān)鍵參數(shù)相關(guān)的特性，比如連接器可靠性、針腳保持力、翹曲，以及匹配PCB的線性熱膨脹系統(tǒng)(CLTE)。

圖1：根據(jù)各種選項(xiàng)總結(jié)的DDR要求和材料特性

 

圖1(左)所示為同時(shí)用于SMT和超低側(cè)高(ultra-low-profile,ULP)DDR4連接器測(cè)試的材料。對(duì)于DDR4應(yīng)用，回流焊接期間的零起泡和優(yōu)秀的共面性(co-planarity)是兩個(gè)關(guān)鍵的合格要求(qualifier)，這兩項(xiàng)設(shè)計(jì)要求外殼材料具有最高的熱性能和機(jī)械性能。圖1(右)所示為PTH和壓入配合設(shè)計(jì)的相同視圖。關(guān)鍵的合格要求就是波峰焊期間不起泡和出色的共面性。其它較不重要的設(shè)計(jì)參數(shù)就是所謂的差異要求(differentiator)(簡(jiǎn)寫(xiě)D)。

 

 

端接是指用于連接一個(gè)端子和一個(gè)導(dǎo)體的方法，良好的端接確保穩(wěn)固的電氣接觸，氣密連接則防止腐蝕。DDR4連接器的常用端接方法有：

 

　　●表面安裝技術(shù)(SMT)(這是設(shè)計(jì)趨勢(shì))

 

　　●針腳通孔(PTH)(目前的主流技術(shù))

 

　　●通孔回流焊(PininPaste)(主要用于一體式PC)

 

　　●壓入配合(主要用于電信)

圖2：DDR4設(shè)計(jì)中的多種組裝技術(shù)

 

連接器設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上的差異可以直接引發(fā)外殼材料的選擇問(wèn)題。例如，通孔回流焊(Pin-In-Paste)和表面安裝(SMT)設(shè)計(jì)必須采用極高溫塑料，因?yàn)樗鼈冊(cè)谘b配期間必須經(jīng)受回流焊步驟。這種連接器完全符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)要求，暴露在260-280℃范圍的無(wú)鉛(lead-free)安裝溫度。連接器外殼選擇材料必須具有極端的機(jī)械和熱性能，以承受約10秒的峰值溫度。而且，材料必須適當(dāng)平衡低吸濕性和高表面張力，避免了高溫紅外回流焊(IR-reflow)工藝期間形成所謂的氣泡。

 

以上要求對(duì)于PTH設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)則較為不重要，因?yàn)樵赑TH設(shè)計(jì)中PCB在裝配期間用作熱屏蔽。這類連接器外殼的有效暴露溫度大約比回流焊的降低15℃。

 

通孔回流焊(Pin-in-paste)基本上是回流焊和引腳通孔(PTH)連接器設(shè)計(jì)的結(jié)合，實(shí)際裝配仍然在回流焊過(guò)程中進(jìn)行。壓入配合裝配期間不會(huì)暴露在這樣的溫度下，因此原則上可以使用各種低溫塑料。然而，由于大多數(shù)OEM廠商喜歡在所有設(shè)計(jì)中都用上DDR連接器等組件，所以最佳的成本和設(shè)計(jì)，以及供應(yīng)鏈靈活性都不得不取決于是否選擇高溫塑料。

 

 

當(dāng)連接器被焊接到PCB上而失去共面性時(shí)，就會(huì)發(fā)生連接器翹曲(warpage)情況。此類翹曲是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，受各種參數(shù)影響，比如用于連接器外殼的材料熱變形溫度(heatdistortiontemperature,HDT)、塑料殼體和PCB之間比較熱膨脹系數(shù)(comparetivethermalexpansion,CTE)的不同，以及外殼材料的流動(dòng)性，以及外殼注塑成型期間產(chǎn)生的相關(guān)應(yīng)力。

 

線性熱膨脹系統(tǒng)(CLTE)

 

為了在FR4或最新的無(wú)鹵素(halogen-free)PCB上達(dá)到良好的連接器共面性，必須盡量使線路板和連接器外殼材料間的CLTE匹配。另外，需要結(jié)合負(fù)載下的高硬度和高變形溫度(highdeflectiontemperature,HDT)，確?；亓骱负蟮吐N曲。

 

流動(dòng)性

 

為了生產(chǎn)高品質(zhì)DDR4連接器，同時(shí)保持OEM廠商可承擔(dān)的成本，制造商尋找的外殼材料需具有盡可能大的流動(dòng)性，并滿足其它關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求如共面性。使用高流動(dòng)性材料在注塑成型工藝中填充了高數(shù)量的模腔(cavity)。而且，通過(guò)注塑機(jī)的單一注射，可以生產(chǎn)更多的外殼，從而降低制造成本。同時(shí)，使用高流動(dòng)性材料意味著外殼的應(yīng)力耐受較小，因?yàn)檫B接器裝配期間在較高暴露溫度下的應(yīng)力較小。結(jié)果，連接器可能會(huì)翹曲，而特別地，兩端的信號(hào)針腳可能失去與PCB的電氣連接，從而產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)制造成本的高維修成本。

 

傳統(tǒng)上，當(dāng)注塑廠商或連接器制造商尋求高流動(dòng)性材料時(shí)，液晶聚合物(LCP)通常是首選材料。

圖3：各種絕緣材料的流動(dòng)性

 

圖3所示是為DDR4連接器測(cè)試的各種材料的流動(dòng)長(zhǎng)度。流動(dòng)性水平越高，填充模腔越容易，并且可以在注塑期間使用更多的模腔。紅線表示用于PTH外殼的8模腔設(shè)計(jì)的最低流動(dòng)性水平，以及用于ULP或SMT外殼的4模腔設(shè)計(jì)的最低流動(dòng)性水平。藍(lán)線以下的材料具有極小的余量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高模腔模具設(shè)計(jì)，或者在批量生產(chǎn)期間帶來(lái)重大的處理問(wèn)題。從流動(dòng)性的角度來(lái)看，LCP顯示了最佳的性能，其次是PA46、PA66和PA4T。

 

雖然LCP具有出色的流動(dòng)性，并且能夠達(dá)到DDR3及前代產(chǎn)品可接受的要求，但從DDR4開(kāi)始，所有的LCP材料都受到翹曲問(wèn)題困擾，原因是DDR4連接器具有顯著提高的設(shè)計(jì)復(fù)雜性、更薄的殼壁、更小的寬度和高度，以及更多的針腳數(shù)目。

圖4顯示DDR4連接器在裝配前后的翹曲，上面的是LCP材料；而下面的是PA4T和PA46材料。在注塑時(shí)，兩種材料所生產(chǎn)的翹曲都差不多。然而，在組裝到PCB上后，LCP外殼表現(xiàn)出了明顯的翹曲，在翹曲方向上有變化，使設(shè)計(jì)中的任何預(yù)測(cè)和翹曲校正幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。為了響應(yīng)這個(gè)問(wèn)題，LCP材料供應(yīng)商現(xiàn)在提供了較新的LCP/PPS混合材料，其中PPS的更高硬度可改善某些彎曲，并已用于DDR3，但仍不能滿足DDR4所要求的共面性等級(jí)。

圖4：焊接到PCB上的DDR連接器的翹曲影響

 

圖4下面的部分是采用PA4T或PA46材料的DDR4外殼，裝配后的翹曲顯著降低，遠(yuǎn)低于0.1mm規(guī)范。此外，兩種聚酰胺都沒(méi)有顯示出翹曲方向的任何變化，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的翹曲預(yù)測(cè)和校正。

 

HDT在DDR4連接器的可靠性上還具有非常重要的作用。在裝配到PCB上時(shí)，過(guò)低的HDT會(huì)導(dǎo)致連接器側(cè)壁輕微塌陷。此塌陷將增加所需要的內(nèi)存模塊插拔力。在插座的插拔期間，連接器的薄弱部分可能會(huì)出現(xiàn)裂縫；或插撥次數(shù)會(huì)大幅減少。圖6所示為連接器側(cè)壁的此類塌陷。

圖5：不同聚合物的HDT-A(1.8MPa)

 

需要達(dá)到藍(lán)色部分的溫度范圍，確保低翹曲和避免連接器側(cè)壁的塌陷。

 

要求塑料材料具有高HDT，只有PA46和PA4T材料具有保持高可靠性所需的高溫度范圍。

 

針腳保持力將端子固定在外殼腔體中?？煞乐苟俗用摮龌蚨俗幼兯伞Ｍǔ?，稱為柄腳(tang)的鎖定裝置使用彈簧狀壓力，將端子固定在外殼壁上。“對(duì)外殼的接觸保持力”規(guī)范描述了拔出正確安裝的端子所需要的力量。

圖6：當(dāng)絕緣材料的HDT過(guò)低時(shí)，DDR4連接器在焊接期間發(fā)生側(cè)壁塌陷

 

間距大小從DDR3的1mm減少到DDR4的0.85mm，增加了對(duì)于針腳保持力的挑戰(zhàn)(DDR4要求至少0.3kgf/端子)。因?yàn)閮?nèi)存連接器規(guī)定了大約25次的插拔次數(shù)(請(qǐng)參見(jiàn)圖7左邊)，在現(xiàn)場(chǎng)使用中，對(duì)于連接器和整個(gè)線路板的品質(zhì)和可靠性，較大的針腳保持力是至關(guān)重要的。在內(nèi)存模塊拔出時(shí)，連接器外殼必須保持牢固地附著在針腳上。過(guò)低的針腳保持力會(huì)帶來(lái)致命的故障，引起產(chǎn)品返修，這不僅代價(jià)昂貴，還會(huì)損害OEM廠商的聲譽(yù)。特別是在電信領(lǐng)域或金融領(lǐng)域，這樣的故障是完全不可接受的，制造商必須設(shè)計(jì)具有5至10年使用壽命的產(chǎn)品。

　圖7：過(guò)低的針腳保持力可能導(dǎo)致致命的故障

 

針腳保持力在很大程度上取決于所用外殼材料的類型，而且也受到連接器和引腳設(shè)計(jì)的強(qiáng)大影響。例如，對(duì)于超低側(cè)高(ultra-low-profile,ULP)設(shè)計(jì)，由于設(shè)計(jì)具有較大的補(bǔ)償，因?yàn)樵试S較廣泛的針腳保持力材料容差。在針腳通孔設(shè)計(jì)中靈活性較小，正確地選擇塑料材料成為連接器質(zhì)量和可靠性的關(guān)鍵因素。

圖8：不同絕緣材料在焊接前后的針腳保持力，用于SMT和ULP設(shè)計(jì)的材料(左)和用于PTH及壓入配合設(shè)計(jì)的材料(右)

 

圖8顯示了ULP和SMT設(shè)計(jì)中PA4T的突出性能，在焊接前后提供了盡可能大的針腳保持力。對(duì)于PTH連接器的針腳保持力，已發(fā)現(xiàn)PA46材料是同類最佳的，在焊接后還能保持所要求的0.3kgf/端子。其它材料如PPA(PA10T、PA6T/66)或PA66，可能在連接器組裝期間提供足夠的保持力，但在焊接后卻大大減小，低于規(guī)定的0.3kgf/端子。使用這類材料，品質(zhì)和可靠性會(huì)受到影響，并存在著裝配期間的高返修風(fēng)險(xiǎn)，或者多次使用的返工風(fēng)險(xiǎn)。將這些材料用于DDR4連接器并不能獲得高成本性能比。

 

 

聚酰胺PA46和PA4T是目前用于DDR1到DDR3設(shè)計(jì)的參考材料，要成功地開(kāi)發(fā)DDR4設(shè)計(jì)不僅要求深入了解應(yīng)用和材料，而且連接器制造商、材料供應(yīng)商和主要的OEM廠商都必須緊密合作。

 

DDR4的挑戰(zhàn)性設(shè)計(jì)以及相比先前DDR3技術(shù)的各種改變，大大提高了對(duì)于機(jī)械強(qiáng)度、針腳保持力和流動(dòng)性的應(yīng)用要求。由于PA46具有出色的流動(dòng)性和機(jī)械特性組合，所以是最適合PTH和壓入配合設(shè)計(jì)的材料。PA4T具有大約高出25℃的熔融點(diǎn)，更高的表面張力和更低的吸濕性，被認(rèn)為是SMT和ULP設(shè)計(jì)的首選材料。

 

翹曲已經(jīng)是服務(wù)器內(nèi)使用DDR3連接器的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，隨著SMT、ULP和VLP設(shè)計(jì)的使用增加，每個(gè)服務(wù)器電路板上的DDR插座數(shù)目不斷增加，翹曲已經(jīng)成為一個(gè)日益增加的挑戰(zhàn)。PA46和PA4T材料具有突出的共面性，顯著降低了代價(jià)昂貴的PCB返修和返工風(fēng)險(xiǎn)，高翹曲性和低機(jī)械強(qiáng)度使得LCP無(wú)法符合DDR4技術(shù)應(yīng)用要求。

 

電子行業(yè)日益關(guān)注可持續(xù)性發(fā)展，不僅聚焦于避免使用有害物質(zhì)，符合歐盟的RoHS指令2011/65/EU，而且還完全符合IEC61240-2-21的無(wú)鹵素要求。聚酰胺PA46和PA4T確保完全符合無(wú)鹵素阻燃劑要求，從而避免了連接器生產(chǎn)商或OEM廠商對(duì)合格性進(jìn)行進(jìn)一步重新驗(yàn)證的要求。