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為DDR4記憶體模組連接器選擇合適材料
 

【作者: Molex】   2014年12月22日 星期一

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在電子行業,綠色設計(Green Design)是現今業界主要的關注重點。除了降低能耗,業界對在連接器外殼中使用某些鹵素作為阻燃劑的作法,也有越來越多的限制。支援下一代綠色設計的記憶體必需滿足提高性能、增加功率密度、改進可靠性、降低功耗並避免使用有害物質等諸多要求,而這也就是今年市場推出最新一代SDRAM電腦記憶體DDR4的背景情況。


本文將探討各種不含鹵素(halogen-free)的DDR4插座的開發工作,並且根據嚴格的JEDEC DDR4規範和IEC 61249-2無鹵素依從性,討論了各種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(liquid crystal polymer, LCP)、聚醯胺4T和不同的聚鄰苯二甲醯胺(polyphthalamide, PPA),並且重點探討與關鍵參數相關的特性,比如連接器可靠性、針腳滯留力(retention force)、翹曲,以及匹配PCB的線性熱膨脹係數(CLTE)等。



圖一a
圖一a

圖一b :  根據各種選項總結的DDR要求和材料特性
圖一b : 根據各種選項總結的DDR要求和材料特性

圖一 a所示為同時用於SMT和超低側高(ultra-low-profile, ULP) DDR4連接器測試的材料。對於DDR4應用,回流焊接期間的零起泡和優秀的共面性(co-planarity)是兩個關鍵的限定子 (qualifier;簡寫Q),這兩項設計要求外殼材料具有最高的熱性能和機械性能。圖一b所示為PTH和壓入配合(press-fit)設計的相同視圖。關鍵的限定子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就是所謂的差異要求 (differentiator;簡寫D)。


DDR4連接器端接方法

端接(termination)是指用來連接一個端子和一個導體的方法,良好的端接可確保穩固的電氣接觸,而氣密連接則可防止腐蝕。DDR4連接器的常用端接方法有:


‧ 表面黏著技術(SMT)(這是設計趨勢)


‧ 針腳通孔(PTH)(目前的主流技術)


‧ 通孔回流焊(Pin in Paste)(主要用於整合式全功能PC)


‧ 壓入配合(主要用於電信)



圖二 : DDR4設計中的多種組裝技術
圖二 : DDR4設計中的多種組裝技術

連接器設計細節上的差異可以直接引起外殼材料的選擇問題。例如,通孔回流焊(Pin-In-Paste)和表面黏著(SMT)設計必須採用極高溫的塑膠,因為它們在裝配期間必須經受回流焊步驟。這種完全符合RoHS標準要求的連接器將會暴露在攝氏260~280度範圍的無鉛 (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,材料必須在低吸濕性和高表面張力之間取得適當的平衡,這樣可避免高溫紅外回流焊(IR-reflow)製程期間形成的所謂的氣泡。


以上要求對於PTH設計來說則較為不重要,因為在PTH設計中,PCB在裝配期間可充當熱遮罩使用。這類連接器外殼的有效暴露溫度大約比回流焊的低攝氏15度。


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,但實際裝配仍然是在回流焊的製程中進行。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膠。然而,由於大多數OEM廠商喜歡在所有設計中都採用DDR連接器等元件,所以最佳的成本和設計,以及供應鏈靈活性都不得不取決於是否選擇高溫塑膠。


連接器翹曲

當連接器被焊接到PCB上而失去共面性時,就會發生連接器翹曲 (warpage) 的情況。這種翹曲是一種複雜的現象,受各種參數的影響,比如用於連接器外殼的材料熱變形溫度(heat distortion temperature;HDT)、塑膠殼體和PCB之間比較熱膨脹係數(comparetive thermal expansion;CTE)的不同,以及外殼材料的流動性,以及外殼注塑成型(injection molding)期間產生的相關應力。


線性熱膨脹係數(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,必須儘量使線路板和連接器外殼材料間的CLTE可以相互匹配。另外,需要結合負載下的高硬度和高偏轉溫度(high deflection temperature;HDT),確保回流焊後低翹曲。


流動性

為了生產高品質的DDR4連接器,同時保持OEM廠商可承擔的成本,製造商所尋找外殼材料的流動性需盡可能得大,並滿足其它關鍵的設計要求,如共面性。使用高流動性材料在注塑成型製程中填充了數量大的模腔(cavity)。而且,通過注塑機的單一注射,可以生產出更多的外殼,從而降低製造成本。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,兩端的訊號針腳可能失去與PCB的電氣連接,從而產生的維修成本將遠遠超過製造成本。


傳統上,當注塑廠商或連接器製造商尋求高流動性材料時,液晶聚合物(LCP)通常是他們首選的材料。



圖三 : 各種絕緣材料的流動性
圖三 : 各種絕緣材料的流動性

圖三所示是為DDR4連接器測試的各種材料的流動長度(flow length)。流動性越高,填充模腔越容易,並且可以在注塑期間使用更多的模腔。紅色的條狀線表示用於PTH外殼的8模腔設計的最低流動性水準,以及用於ULP或SMT外殼的4模腔設計的最低流動性水準。藍色條狀線以下的材料具有極小的餘量,無法實現高模腔模具設計,或者在大量生產期間帶來重大的處理問題。從流動性的角度來看,LCP表現最佳的性能,其次是PA46、PA66和PA4T。


雖然LCP具有出色的流動性,並且能夠達到DDR3及前代產品可接受的要求,但從DDR4開始,所有的LCP材料都深受翹曲問題的困擾,原因是DDR4連接器具有顯著提高的設計複雜性、更薄的殼壁、更窄的寬度和更矮的高度,以及更多的針腳數目。


圖四顯示DDR4連接器在裝配前後的翹曲,上面的是LCP材料;而下面的是PA4T和PA46材料。在注塑時,兩種材料所產生的翹曲都差不多。然而,在組裝到PCB上後,LCP外殼表現出了明顯的翹曲,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。針對此一問題,LCP材料供應商現在可提供較新的LCP/PPS混合材料,其中PPS的更高硬度可改善某些彎曲,並已用於DDR3,但仍不能滿足DDR4所要求的共面性等級。



圖四 : 焊接到PCB上的DDR連接器的翹曲影響
圖四 : 焊接到PCB上的DDR連接器的翹曲影響

圖四下面的部分是採用PA4T或PA46材料的DDR4外殼,裝配後的翹曲顯著降低,遠低於0.1 mm規範。此外,兩種聚醯胺都沒有顯示出翹曲方向的任何變化,能夠實現良好的翹曲預測和校正。


熱變形溫度

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會導致連接器的側壁輕微塌陷。此塌陷將增加所需要的記憶體模組插拔力。在插座的插拔期間,連接器的薄弱部分可能會出現裂縫;或插撥次數會大幅減少。圖六所示為連接器側壁的此類塌陷。



圖五 : 不同聚合物的HDT-A(1.8MPa)
圖五 : 不同聚合物的HDT-A(1.8MPa)

需要達到藍色部分的溫度範圍,以確保低翹曲和避免連接器側壁的塌陷。


要求塑膠材料具有高HDT,只有PA46 和PA4T材料具有保持高可靠性所需的高溫度範圍。


針腳滯留力

針腳滯留力將端子固定在外殼的腔體中。這可防止端子脫出或端子變鬆。通常,稱為柄腳(tang)的鎖定裝置使用類似彈簧的壓力,將端子固定在外殼壁上。“對外殼的接觸滯留力”規範描述了拔出正確安裝端子所需要的力量。


圖六 : 當絕緣材料的HDT過低時,DDR4連接器在焊接期間發生側壁塌陷
圖六 : 當絕緣材料的HDT過低時,DDR4連接器在焊接期間發生側壁塌陷

間距大小從DDR3的1mm縮減到DDR4的0.85 mm,增加了對於針腳滯留力的挑戰(DDR4要求至少0.3kgf/針腳)。因為記憶體連接器規定了大約25次的插拔次數(請參見圖七左邊),在現場使用中,對於連接器和整個線路板的品質和可靠性,較大的針腳滯留力是很重要的。在記憶體模組拔出時,連接器外殼必須牢固地附著在針腳上。過低的針腳滯留力會帶來致命的故障,使得產品要送回修理,這不僅代價昂貴,還會損害OEM廠商的商譽。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,製造商必須設計具有5至10年使用壽命的產品。



圖七 : 過低的針腳滯留力可能會導致致命的故障
圖七 : 過低的針腳滯留力可能會導致致命的故障

針腳滯留力在很大程度上取決於所用外殼材料的類型,而且也深受連接器和引腳設計的影響。例如,對於超低側高(ultra-low-profile, ULP)設計,由於設計具有較大的補償,因此可以讓它有較廣泛的針腳滯留力材料容差(material tolerance)。在針腳通孔設計中靈活性較小,正確地選擇塑膠材料成為連接器品質和可靠性的關鍵因素。



圖八 : 不同絕緣材料在焊接前後的針腳滯留力,用於SMT和ULP設計的材料(左)和用於PTH及壓入配合設計的材料(右)
圖八 : 不同絕緣材料在焊接前後的針腳滯留力,用於SMT和ULP設計的材料(左)和用於PTH及壓入配合設計的材料(右)

圖八顯示了ULP和SMT設計中PA4T的突出性能,在焊接前後提供了盡可能大的針腳滯留力。對於PTH連接器的針腳滯留力,PA46材料被發現是同類最佳的,在焊接後還能保持所要求的0.3kgf/針腳。其它材料如PAs (PA10T、PA6T/66)或PA66,可能在連接器組裝期間提供足夠的滯留力,但在焊接後卻大大減小,低於規定的0.3 kgf/針腳。使用這類材料,品質和可靠性會受到影響,並存在著裝配期間的高返修風險,或者多次使用的回修風險。將這些材料用於DDR4連接器並不能獲得高成本性能比。


結論

聚醯胺 PA46和PA4T是目前用於DDR1到DDR3設計的參考材料,要成功地開發DDR4設計不僅要求要深入地瞭解應用和材料,而且連接器製造商、材料供應商和主要的OEM廠商都必須密切地合作。


DDR4的挑戰性設計以及來自先前DDR3技術的各種改變,大大地提高了對於機械強度、針腳滯留力和流動性的應用要求。由於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°C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。


翹曲已經是伺服器內使用DDR3連接器的關鍵挑戰,隨著SMT、ULP和VLP設計的使用增加,每個伺服器電路板上的DDR插座數目不斷增加,翹曲已經變得是愈來愈有挑戰性了。PA46 和PA4T材料具有突出的共面性,顯著地降低了代價昂貴的PCB回修和返工風險,高翹曲性和低機械強度使得LCP無法符合DDR4技術應用的要求。


電子產業愈來愈重視可持續性發展,聚焦於避免使用有害物質,不僅要符合歐盟的RoHS 指令2011/65/ EU,而且還要完全符合IEC61240-2-21的無鹵素要求。聚醯胺PA46和PA4T可確保完全符合無鹵素阻燃劑的要求,從而避免了連接器生產商或OEM廠商對合格性進行進一步重新驗證的需求。(本文作者為Molex公司Dr. S. Hubert Leni, M. Soh, P.W. Kiong;DSM 工程塑料 - S.H. Quah, S.W. Ong, J. Krijgsman, J. Hsieh, Dr. T.Sidiki)


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