为DDR4内存模块连接器选择合适的材料[荐读]

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在电子行业，绿色设计(Green Design)是业界关注的重点。除了降低能耗，业界正越来越多地限制在连接器外壳中使用某些卤素作为阻燃剂。支持下一代绿色设计(Green Design)的内存器必需满足提高性能，增加功率密度，改进可靠性，降低功耗并避免使用有害物质等诸多要求，这就是今年市场推出最新一代SDRAM计算机内存器DDR4的背景情况。
本文探讨了各种不含卤素(halogen-free)的DDR4插座的开发工作，并且根据严格的JEDEC DDR4规范和IEC 61249-2无卤素依从性，讨论了不同的外壳材料选项。我们检测了各种高性能聚合物，比如液晶聚合物(liquid crystal polymer， LCP)、聚酰胺PA4T和不同的聚邻苯二甲酰胺(polyphthalamide， PPA)，并且重点探讨与关键参数相关的特性，比如连接器可靠性、针脚保持力、翘曲，以及匹配PCB的线性热膨胀系统(CLTE)。


图1：根据各种选项总结的DDR要求和材料特性
图 1(左)所示为同时用于SMT和超低侧高(ultra-low-profile， ULP) DDR4连接器测试的材料。对于DDR4应用，回流焊接期间的零起泡和优秀的共面性(co-planarity)是两个关键的合格要求 (qualifier) (简写Q)，这两项设计要求外壳材料具有最高的热性能和机械性能。图1(右)所示为PTH和压入配合设计的相同视图。关键的合格要求就是波峰焊期间不起泡和出色的共面性。其它较不重要的设计参数就是所谓的差异要求 (differenTIator) (简写D)。
. B' B" U$ p$ m# |6 aDDR4连接器端接方法
( B4 O: U2 n: C  S0 a端接是指用于连接一个端子和一个导体的方法，良好的端接确保稳固的电气接触，气密连接则防止腐蚀。DDR4连接器的常用端接方法有：
7 {$ U6 V; Z4 S- t6 E/ ]●表面安装技术 (SMT) (这是设计趋势)
" Z9 k; s  j+ N! i- J+ S6 s●针脚通孔(PTH) (目前的主流技术)
●通孔回流焊(Pin in Paste) (主要用于一体式PC)
●压入配合 (主要用于电信)
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图2：DDR4设计中的多种组装技术
3 L, U" s  o; u" v0 s9 V连接器设计细节上的差异可以直接引发外壳材料的选择问题。例如，通孔回流焊(Pin-In-Paste)和表面安装(SMT)设计必须采用极高温塑料，因为它们在装配期间必须经受回流焊步骤。这种连接器完全符合RoHS标准要求，暴露在260-280℃范围的无铅 (lead-free)安装温度。连接器外壳选择材料必须具有极端的机械和热性能，以承受约10秒的峰值温度。而且，材料必须适当平衡低吸湿性和高表面张力，避免了高温红外回流焊(IR-reflow)工艺期间形成所谓的气泡。
/ D+ W! t' ?1 ^, l( \以上要求对于PTH设计来说则较为不重要，因为在PTH设计中PCB在装配期间用作热屏蔽。这类连接器外壳的有效暴露温度大约比回流焊的降低15℃。
8 Y. r' c0 `6 P通孔回流焊(Pin-in-paste)基本上是回流焊和引脚通孔(PTH)连接器设计的结合，实际装配仍然在回流焊过程中进行。压入配合装配期间不会暴露在这样的温度下，因此原则上可以使用各种低温塑料。然而，由于大多数OEM厂商喜欢在所有设计中都用上DDR连接器等组件，所以最佳的成本和设计，以及供应链灵活性都不得不取决于是否选择高温塑料。
3 H( b, \3 C" x. R/ X0 O连接器翘曲
; r' i! X% B4 t! i, [6 {- Q当连接器被焊接到PCB上而失去共面性时，就会发生连接器翘曲 (warpage) 情况。此类翘曲是一种复杂的现象，受各种参数影响，比如用于连接器外壳的材料热变形温度(heat distorTIon temperature， HDT)、塑料壳体和PCB之间比较热膨胀系数(compareTIve thermal expansion， CTE)的不同，以及外壳材料的流动性，以及外壳注塑成型期间产生的相关应力。
线性热膨胀系统(CLTE)
- @$ m* L: D$ W7 N+ g1 \8 Q. D为了在FR4或最新的无卤素 (halogen-free) PCB上达到良好的连接器共面性，必须尽量使线路板和连接器外壳材料间的CLTE匹配。另外，需要结合负载下的高硬度和高变形温度(high deflecTIon temperature， HDT)，确保回流焊后低翘曲。
流动性
5 H% |5 F0 d: Q8 M+ s为了生产高品质DDR4连接器，同时保持OEM厂商可承担的成本，制造商寻找的外壳材料需具有尽可能大的流动性，并满足其它关键设计要求如共面性。使用高流动性材料在注塑成型工艺中填充了高数量的模腔(cavity)。而且，通过注塑机的单一注射，可以生产更多的外壳，从而降低制造成本。同时，使用高流动性材料意味着外壳的应力耐受较小，因为连接器装配期间在较高暴露温度下的应力较小。结果，连接器可能会翘曲，而特别地，两端的信号针脚可能失去与PCB的电气连接，从而产生远远超过制造成本的高维修成本。
/ E4 B% T) O2 [! @5 R) g传统上，当注塑厂商或连接器制造商寻求高流动性材料时，液晶聚合物(LCP)通常是首选材料。
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5 X' ^0 V$ ]8 a+ o3 P7 {! M
7 b% F- o/ }) {图3：各种绝缘材料的流动性
, ~" q' Q/ k+ z+ _4 T# o& d图 3 所示是为DDR4连接器测试的各种材料的流动长度。流动性水平越高，填充模腔越容易，并且可以在注塑期间使用更多的模腔。红线表示用于PTH外壳的8模腔设计的最低流动性水平，以及用于ULP或SMT外壳的4模腔设计的最低流动性水平。蓝线以下的材料具有极小的余量，无法实现高模腔模具设计，或者在批量生产期间带来重大的处理问题。从流动性的角度来看，LCP显示了最佳的性能，其次是PA46、PA66和PA4T。
虽然LCP具有出色的流动性，并且能够达到DDR3及前代产品可接受的要求，但从DDR4开始，所有的LCP材料都受到翘曲问题困扰，原因是DDR4连接器具有显着提高的设计复杂性、更薄的壳壁、更小的宽度和高度，以及更多的针脚数目。
4 x& ?- x# Z) R" ?9 y4 \图4显示DDR4连接器在装配前后的翘曲，上面的是LCP材料;而下面的是PA4T和PA46材料。在注塑时，两种材料所生产的翘曲都差不多。然而，在组装到PCB上后，LCP外壳表现出了明显的翘曲，在翘曲方向上有变化，使设计中的任何预测和翘曲校正几乎不可能实现。为了响应这个问题，LCP材料供应商现在提供了较新的LCP/PPS混合材料，其中PPS的更高硬度可改善某些弯曲，并已用于DDR3，但仍不能满足DDR4所要求的共面性等级。


. u& o4 D  Y8 }4 V图4：焊接到PCB上的DDR连接器的翘曲影响
图4下面的部分是采用PA4T或PA46材料的DDR4外壳，装配后的翘曲显着降低，远低于0.1 mm规范。此外，两种聚酰胺都没有显示出翘曲方向的任何变化，能够实现良好的翘曲预测和校正。
HDT在DDR4连接器的可靠性上还具有非常重要的作用。在装配到PCB上时，过低的HDT会导致连接器侧壁轻微塌陷。此塌陷将增加所需要的内存模块插拔力。在插座的插拔期间，连接器的薄弱部分可能会出现裂缝;或插拨次数会大幅减少。图6所示为连接器侧壁的此类塌陷。
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. x2 ?# S) G; a; x4 U- R图5：不同聚合物的HDT-A (1.8MPa)
需要达到蓝色部分的温度范围，确保低翘曲和避免连接器侧壁的塌陷。
! X, a2 D3 K0 W- _0 ^. m' X! ^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温度范围。
: n5 b9 C5 X! X& q& }1 }- ZDB连接器

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