在电子行业，绿色设计（Green Design）是现今业界主要的关注重点。除了降低能耗，业界对在连接器外壳中使用某些卤素作为阻燃剂的作法，也有越来越多的限制。支援下一代绿色设计的记忆体必需满足提高性能、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，而这也就是今年市场推出最新一代SDRAM电脑记忆体DDR4的背景情况。

本文将探讨各种不含卤素（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，讨论了各种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）、聚醯胺4T和不同的聚邻苯二甲醯胺（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、针脚滞留力（retention force）、翘曲，以及匹配PCB的线性热膨胀系数（CLTE）等。

图一a

图一b : 根据各种选项总结的DDR要求和材料特性

图一 a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）是两个关键的限定子（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。图一b所示为PTH和压入配合（press-fit）设计的相同视图。关键的限定子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（termination）是指用来连接一个端子和一个导体的方法，良好的端接可确保稳固的电气接触，而气密连接则可防止腐蚀。 DDR4连接器的常用端接方法有：

‧ 表面黏着技术（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）（主要用于整合式全功能PC）

‧ 压入配合（主要用于电信）

图二 : 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起外壳材料的选择问题。例如，通孔回流焊（Pin-In-Paste）和表面黏着（SMT）设计必须采用极高温的塑胶，​​因为它们在装配期间必须经受回流焊步骤。这种完全符合RoHS标准要求的连接器将会暴露在摄氏260~280度范围的无铅 （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，材料必须在低吸湿性和高表面张力之间取得适当的平衡，这样可避免高温红外回流焊（IR-reflow）制程期间形成的所谓的气泡。

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在装配期间可充当热遮罩使用。这类连接器外壳的有效暴露温度大约比回流焊的低摄氏15度。

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，但实际装配仍然是在回流焊的制程中进行。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胶。然而，由于大多数OEM厂商喜欢在所有设计中都采用DDR连接器等元件，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胶。

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） 的情况。这种翘曲是一种复杂的现象，受各种参数的影响，比如用于连接器外壳的材料热变形温度（heat distortion temperature；HDT）、塑胶壳体和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（injection molding）期间产生的相关应力。

线性热膨胀系数（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可以相互匹配。另外，需要结合负载下的高硬度和高偏转温度（high deflection temperature；HDT），确保回流焊后低翘曲。

流动性

为了生产高品质的DDR4连接器，同时保持OEM厂商可承担的成本，制造商所寻找外壳材料的流动性需尽可能得大，并满足其它关键的设计要求，如共面性。使用高流动性材料在注塑成型制程中填充了数量大的模腔（cavity）。而且，通过注塑机的单一注射，可以生产出更多的外壳，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，两端的讯号针脚可能失去与PCB的电气连接，从而产生的维修成本将远远超过制造成本。

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）通常是他们首选的材料。

图三 : 各种绝缘材料的流动性

图三所示是为DDR4连接器测试的各种材料的流动长度（flow length）。流动性越高，填充模腔越容易，并且可以在注塑期间使用更多的模腔。红色的条状线表示用于PTH外壳的8模腔设计的最低流动性水准，以及用于ULP或SMT外壳的4模腔设计的最低流动性水准。蓝色条状线以下的材料具有极小的余量，无法实现高模腔模具设计，或者在大量生产期间带来重大的处理问题。从流动性的角度来看，LCP表现最佳的性能，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材料都深受翘曲问题的困扰，原因是DDR4连接器具有显著提高的设计复杂性、更薄的壳壁、更窄的宽度和更矮的高度，以及更多的针脚数目。

图四显示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，两种材料所产生的翘曲都差不多。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。针对此一问题，LCP材料供应商现在可提供较新的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。

图四: 焊接到PCB上的DDR连接器的翘曲影响

图四下面的部分是采用PA4T或PA46材料的DDR4外壳，装配后的翘曲显著降低，远低于0.1 mm规范。此外，两种聚醯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。

热变形温度

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会导致连接器的侧壁轻微塌陷。此塌陷将增加所需要的记忆体模组插拔力。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。图六所示为连接器侧壁的此类塌陷。

图五 : 不同聚合物的HDT-A（1.8MPa）

需要达到蓝色部分的温度范围，以确保低翘曲和避免连接器侧壁的塌陷。

要求塑胶材料具有高HDT，只有PA46 和PA4T材料具有保持高可靠性所需的高温度范围。

针脚滞留力

针脚滞留力将端子固定在外壳的腔体中。这可防止端子脱出或端子变松。通常，称为柄脚（tang）的锁定装置使用类似弹簧的压力，将端子固定在外壳壁上。 “对外壳的接触滞留力”规范描述了拔出正确安装端子所需要的力量。

图六: 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缩减到DDR4的0.85 mm，增加了对于针脚滞留力的挑战（DDR4要求至少0.3kgf/针脚）。因为记忆体连接器规定了大约25次的插拔次数（请参见图七左边），在现场使用中，对于连接器和整个线路板的品质和可靠性，较大的针脚滞留力是很重要的。在记忆体模组拔出时，连接器外壳必须牢固地附着在针脚上。过低的针脚滞留力会带来致命的故障，使得产品要送回修理，这不仅代价昂贵，还会损害OEM厂商的商誉。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。

图七: 过低的针脚滞留力可能会导致致命的故障

针脚滞留力在很大程度上取决于所用外壳材料的类型，而且也深受连接器和引脚设计的影响。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，因此可以让它有较广泛的针脚滞留力材料容差（material tolerance）。在针脚通孔设计中灵活性较小，正确地选择塑胶材料成为连接器品质和可靠性的关键因素。

图八: 不同绝缘材料在焊接前后的针脚滞留力，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）

图八显示了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滞留力。对于PTH连接器的针脚滞留力，PA46材料被发现是同类最佳的，在焊接后还能保持所要求的0.3kgf/针脚。其它材料如PAs （PA10T、PA6T/66）或PA66，可能在连接器组装期间提供足够的滞留力，但在焊接后却大大减小，低于规定的0.3 kgf/针脚。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，或者多次使用的回修风险。将这些材料用于DDR4连接器并不能获得高成本性能比。

结论

聚醯胺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设计不仅要求要深入地了解应用和材料，而且连接器制造商、材料供应商和主要的OEM厂商都必须密切地合作。

DDR4的挑战性设计以及来自先前DDR3技术的各种改变，大大地提高了对于机械强度、针脚滞留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°C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。

翘曲已经是伺服器内使用DDR3连接器的关键挑战，随着SMT、ULP和VLP设计的使用增加，每个伺服器电路板上的DDR插座数目不断增加，翘曲已经变得是愈来愈有挑战性了。 PA46 和PA4T材料具有突出的共面性，显著地降低了代价昂贵的PCB回修和返工风险，高翘曲性和低机械强度使得LCP无法符合DDR4技术应用的要求。

电子产业愈来愈重视可持续性发展，聚焦于避免使用有害物质，不仅要符合欧盟的RoHS 指令2011/65/ EU，而且还要完全符合IEC61240-2-21的无卤素要求。聚醯胺PA46和PA4T可确保完全符合无卤素阻燃剂的要求，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需求。 （本文作者为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）