為DDR4內(nèi)存模塊連接器選擇合適的材料

　　在電子行業(yè)，綠色設(shè)計(jì)（Green Design）是業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。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(shè)計(jì)（Green Design）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插座的開發(fā)工作，并且根據(jù)嚴(yán)格的JEDEC DDR4規(guī)范和IEC 61249-2無鹵素依從性，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（liquid crystal polymer， 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） （簡(jiǎn)寫Q），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D）。

　　DDR4連接器端接方法

　　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（Pin in Paste） （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)來說則較為不重要，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。

　　連接器翹曲

　　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（heat distortion temperature， HDT）、塑料殼體和PCB之間比較熱膨脹系數(shù)（comparetive thermal expansion， 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（high deflection temperature， 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)期間帶來重大的處理問題。從流動(dòng)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(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(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0.1 mm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?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。