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

 

本文探討了各種不含鹵素(halogen-free)的DDR4插座的開發(fā)工作，并且根據(jù)嚴格的JEDECDDR4規(guī)范和IEC61249-2無鹵素依從性，討論了不同的外殼材料選項。我們檢測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)，并且重點探討與關鍵參數(shù)相關的特性，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)各種選項總結的DDR要求和材料特性

 

圖1(左)所示為同時用于SMT和超低側高(ultra-low-profile,ULP)DDR4連接器測試的材料。對于DDR4應用，回流焊接期間的零起泡和優(yōu)秀的共面性(co-planarity)是兩個關鍵的合格要求(qualifier)，這兩項設計要求外殼材料具有最高的熱性能和機械性能。圖1(右)所示為PTH和壓入配合設計的相同視圖。關鍵的合格要求就是波峰焊期間不起泡和出色的共面性。其它較不重要的設計參數(shù)就是所謂的差異要求(differentiator)(簡寫D)。

 

 

端接是指用于連接一個端子和一個導體的方法，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(SMT)(這是設計趨勢)

 

　　●針腳通孔(PTH)(目前的主流技術)

 

　　●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設計中的多種組裝技術

 

連接器設計細節(jié)上的差異可以直接引發(fā)外殼材料的選擇問題。例如，通孔回流焊(Pin-In-Paste)和表面安裝(SMT)設計必須采用極高溫塑料，因為它們在裝配期間必須經(jīng)受回流焊步驟。這種連接器完全符合RoHS標準要求，暴露在260-280℃范圍的無鉛(lead-free)安裝溫度。連接器外殼選擇材料必須具有極端的機械和熱性能，以承受約10秒的峰值溫度。而且，材料必須適當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。

 

以上要求對于PTH設計來說則較為不重要，因為在PTH設計中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)連接器設計的結合，實際裝配仍然在回流焊過程中進行。壓入配合裝配期間不會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廠商喜歡在所有設計中都用上DDR連接器等組件，所以最佳的成本和設計，以及供應鏈靈活性都不得不取決于是否選擇高溫塑料。

 

 

當連接器被焊接到PCB上而失去共面性時，就會發(fā)生連接器翹曲(warpage)情況。此類翹曲是一種復雜的現(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性，以及外殼注塑成型期間產(chǎn)生的相關應力。

 

線性熱膨脹系統(tǒng)(CLTE)

 

為了在FR4或最新的無鹵素(halogen-free)PCB上達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，需要結合負載下的高硬度和高變形溫度(highdeflectiontemperature,HDT)，確保回流焊后低翹曲。

 

流動性

 

為了生產(chǎn)高品質DDR4連接器，同時保持OEM廠商可承擔的成本，制造商尋找的外殼材料需具有盡可能大的流動性，并滿足其它關鍵設計要求如共面性。使用高流動性材料在注塑成型工藝中填充了高數(shù)量的模腔(cavity)。而且，通過注塑機的單一注射，可以生產(chǎn)更多的外殼，從而降低制造成本。同時，使用高流動性材料意味著外殼的應力耐受較小，因為連接器裝配期間在較高暴露溫度下的應力較小。結果，連接器可能會翹曲，而特別地，兩端的信號針腳可能失去與PCB的電氣連接，從而產(chǎn)生遠遠超過制造成本的高維修成本。

 

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

圖3：各種絕緣材料的流動性

 

圖3所示是為DDR4連接器測試的各種材料的流動長度。流動性水平越高，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模腔設計的最低流動性水平，以及用于ULP或SMT外殼的4模腔設計的最低流動性水平。藍線以下的材料具有極小的余量，無法實現(xiàn)高模腔模具設計，或者在批量生產(chǎn)期間帶來重大的處理問題。從流動性的角度來看，LCP顯示了最佳的性能，其次是PA46、PA66和PA4T。

 

雖然LCP具有出色的流動性，并且能夠達到DDR3及前代產(chǎn)品可接受的要求，但從DDR4開始，所有的LCP材料都受到翹曲問題困擾，原因是DDR4連接器具有顯著提高的設計復雜性、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，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，使設計中的任何預測和翹曲校正幾乎不可能實現(xiàn)。為了響應這個問題，LCP材料供應商現(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。

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，遠低于0.1mm規(guī)范。此外，兩種聚酰胺都沒有顯示出翹曲方向的任何變化，能夠實現(xiàn)良好的翹曲預測和校正。

 

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，過低的HDT會導致連接器側壁輕微塌陷。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出現(xiàn)裂縫；或插撥次數(shù)會大幅減少。圖6所示為連接器側壁的此類塌陷。

圖5：不同聚合物的HDT-A(1.8MPa)

 

需要達到藍色部分的溫度范圍，確保低翹曲和避免連接器側壁的塌陷。

 

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。可防止端子脫出或端子變松。通常，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：當絕緣材料的HDT過低時，DDR4連接器在焊接期間發(fā)生側壁塌陷

 

間距大小從DDR3的1mm減少到DDR4的0.85mm，增加了對于針腳保持力的挑戰(zhàn)(DDR4要求至少0.3kgf/端子)。因為內(nèi)存連接器規(guī)定了大約25次的插拔次數(shù)(請參見圖7左邊)，在現(xiàn)場使用中，對于連接器和整個線路板的品質和可靠性，較大的針腳保持力是至關重要的。在內(nèi)存模塊拔出時，連接器外殼必須保持牢固地附著在針腳上。過低的針腳保持力會帶來致命的故障，引起產(chǎn)品返修，這不僅代價昂貴，還會損害OEM廠商的聲譽。特別是在電信領域或金融領域，這樣的故障是完全不可接受的，制造商必須設計具有5至10年使用壽命的產(chǎn)品。

　圖7：過低的針腳保持力可能導致致命的故障

 

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計的強大影響。例如，對于超低側高(ultra-low-profile,ULP)設計，由于設計具有較大的補償，因為允許較廣泛的針腳保持力材料容差。在針腳通孔設計中靈活性較小，正確地選擇塑料材料成為連接器質量和可靠性的關鍵因素。

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

 

圖8顯示了ULP和SMT設計中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，品質和可靠性會受到影響，并存在著裝配期間的高返修風險，或者多次使用的返工風險。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設計的參考材料，要成功地開發(fā)DDR4設計不僅要求深入了解應用和材料，而且連接器制造商、材料供應商和主要的OEM廠商都必須緊密合作。

 

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

 

翹曲已經(jīng)是服務器內(nèi)使用DDR3連接器的關鍵挑戰(zhàn)，隨著SMT、ULP和VLP設計的使用增加，每個服務器電路板上的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，顯著降低了代價昂貴的PCB返修和返工風險，高翹曲性和低機械強度使得LCP無法符合DDR4技術應用要求。

 

電子行業(yè)日益關注可持續(xù)性發(fā)展，不僅聚焦于避免使用有害物質，符合歐盟的RoHS指令2011/65/EU，而且還完全符合IEC61240-2-21的無鹵素要求。聚酰胺PA46和PA4T確保完全符合無鹵素阻燃劑要求，從而避免了連接器生產(chǎn)商或OEM廠商對合格性進行進一步重新驗證的要求。