为DDR4内存模块连接器选择合适的材料 - 全文

　　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）。

　　DDR4连接器端接方法

　　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：

　　●表面安装技术 （SMT） （这是设计趋势）

　　●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）

　　

　　图2：DDR4设计中的多种组装技术

　　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。

　　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℃。

　　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。

　　连接器翘曲

　　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）

　　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

　　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。

　　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。

　　

　　图3：各种绝缘材料的流动性

　　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。

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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。

　　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。

　　针脚保持力

　　针脚保持力将端子固定在外壳腔体中。可防止端子脱出或端子变松。通常，称为柄脚（tang）的锁定装置使用弹簧状压力，将端子固定在外壳壁上。“对外壳的接触保持力”规范描述了拔出正确安装的端子所需要的力量。

　　

　　图6：当绝缘材料的HDT过低时，DDR4连接器在焊接期间发生侧壁塌陷

　　间距大小从DDR3的1mm减少到DDR4的0.85 mm，增加了对于针脚保持力的挑战（DDR4要求至少0.3kgf/端子）。因为内存连接器规定了大约25次的插拔次数（请参见图7左边），在现场使用中，对于连接器和整个线路板的品质和可靠性，较大的针脚保持力是至关重要的。在内存模块拔出时，连接器外壳必须保持牢固地附着在针脚上。过低的针脚保持力会带来致命的故障，引起产品返修，这不仅代价昂贵，还会损害OEM厂商的声誉。特别是在电信领域或金融领域，这样的故障是完全不可接受的，制造商必须设计具有5至10年使用寿命的产品。

　　

　　图7：过低的针脚保持力可能导致致命的故障

　　针脚保持力在很大程度上取决于所用外壳材料的类型，而且也受到连接器和引脚设计的强大影响。例如，对于超低侧高（ultra-low- profile， ULP）设计，由于设计具有较大的补偿，因为允许较广泛的针脚保持力材料容差。在针脚通孔设计中灵活性较小，正确地选择塑料材料成为连接器质量和可靠性的关键因素。

　　

　　图8：不同绝缘材料在焊接前后的针脚保持力，用于SMT和ULP设计的材料（左）和用于PTH及压入配合设计的材料（右）

　　图 8显示了ULP和SMT设计中PA4T的突出性能，在焊接前后提供了尽可能大的针脚保持力。对于PTH连接器的针脚保持力，已发现PA46材料是同类最佳的，在焊接后还能保持所要求的0.3kgf/端子。其它材料如PPA （PA10T、PA6T/66）或PA66，可能在连接器组装期间提供足够的保持力，但在焊接后却大大减小，低于规定的0.3 kgf/端子。使用这类材料，品质和可靠性会受到影响，并存在着装配期间的高返修风险，或者多次使用的返工风险。将这些材料用于DDR4连接器并不能获得高成本性能比。

　　结论

　　聚酰胺PA46和PA4T是目前用于DDR1到DDR3设计的参考材料，要成功地开发DDR4设计不仅要求深入了解应用和材料，而且连接器制造商、材料供应商和主要的OEM厂商都必须紧密合作。

　　DDR4 的挑战性设计以及相比先前DDR3技术的各种改变，大大提高了对于机械强度、针脚保持力和流动性的应用要求。由于PA46具有出色的流动性和机械特性组合，所以是最适合PTH和压入配合设计的材料。PA4T具有大约高出25℃的熔融点，更高的表面张力和更低的吸湿性，被认为是SMT和ULP设计的首选材料。

　　翘曲已经是服务器内使用DDR3连接器的关键挑战，随着SMT、ULP和VLP设计的使用增加，每个服务器电路板上的 DDR插座数目不断增加，翘曲已经成为一个日益增加的挑战。PA46和PA4T材料具有突出的共面性，显着降低了代价昂贵的PCB返修和返工风险，高翘曲性和低机械强度使得LCP无法符合DDR4技术应用要求。

　　电子行业日益关注可持续性发展，不仅聚焦于避免使用有害物质，符合欧盟的RoHS指令2011/65/ EU，而且还完全符合IEC61240-2-21的无卤素要求。聚酰胺PA46和PA4T确保完全符合无卤素阻燃剂要求，从而避免了连接器生产商或OEM 厂商对合格性进行进一步重新验证的要求。