一種新型可裝配式PGA陳列引腳封裝千兆網絡高頻脈沖變壓器

李宗正++梁永林

摘 要：局域網的使用逐年走進千家萬戶，每條網線的兩端都必須各有一個相應的網絡變壓器來匹配網線與網絡芯片，所以網絡變壓器的不斷創新與發展要跟上網絡設備的更新換代。如何在提高電子消費品的性能和可靠性的同時，又能降低成本，將是提高網絡變壓器生產企業行業競爭力的唯一途徑。該研究介紹的一種新型封裝的網絡變壓器可以滿足這些要求，為國家信息網絡國產化建設起到巨大的推動作用。

關鍵詞：局域網絡用高頻脈沖變壓器 引腳陣列式封裝 雙列直插形式封裝 表面焊接器件

中圖分類號：TM433 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（b）-0001-05

Abstract：The use of local area network （LAN） has entered innumberable families， at both ends of each LAN cable must have a corresponding network transformer to match each Ethernet cable and network chip， so the network transformer constant innovation and development to keep up with the network equipment renewal， how to improve the performance and reliability of electronic consumer products at the same time， can reduce cost， too， will be the only way to improve the network transformer production industry competitiveness， this paper introduces a new type of encapsulation of network transformer can meet these requirements， for the localization of national information network construction play a huge role in promoting.

Key Words：Local area network transformer；Pin grid array；Dual in line package；Surface mount devices

隨著網絡通訊連年不斷持續的遞增式發展，千兆局域網絡的連接越來越走進個人的生活，從2000年開始，設備生產商為了節約空間，要求供應商把網絡變壓器組裝到RJ45接口里面，這種帶千兆網絡變壓器的集成化RJ45接口特別是雙層多口（例如2×6口，2×8口），由于價格高（每個口大約要1美元）不能被中端網絡設備廠商在價格競爭中所接受。除此之外，集成化RJ45的生產主要在外資企業因專利因素而掌控，其可靠性要做好也不容易，所以，到了2008年開始越來越多的廠商要求使用不帶網絡變壓器的RJ45接口，把變壓器又獨立出來當作一個元件串接在RJ45接口后面的PCB空位上，這樣可以節約大約30%以上的成本。也就是說網絡通訊設備生產商可以采購標準的低成本的里面不帶網絡變壓器的RJ45接口，再選購專門廠商制作的網絡變壓器配套使用，來節約成本。故此，市場需要巨大量的千兆網口變壓器器件（到目前2014年每年的需求量在10億只以上），然而，這時的網絡速度也在高速前進，從當年的百兆上升到千兆，理論上講網絡變壓器的尺寸增大了一倍，原來百兆一個口需要兩路，現在千兆需要四路，大量的千兆網絡變壓器都是因為尺寸超長不能對應的直接放置在網絡接口RJ45連接器后面滿足網絡設備制造商如中興，華為，華三等客戶要求，超寬的網絡變壓器如果排列在較窄RJ45接口后面，旁邊的通道會延長線路而產生信號的不對稱和損失，因為不帶網絡變壓器的RJ45是工業標準件，而網絡變壓器不是標準件，4口（每層2個口，兩層為2×2=4個口）千兆RJ45的寬度是30mm左右，目前千兆網絡變壓器的寬度有不同的幾種，單口24PIN千兆網口變壓器寬度為18mm，用4個這種變壓器的話要4×18mm=72mm，遠遠大于30mm顯然放不下，如果用2口千兆48PIN網絡變壓器，2個的寬度也要2×28mm=56mm也大遠于30mm，顯然放不下，這些舊的結構尺寸寬度較長放不下的原因是在于排列線圈的放法只在在于寬度方向延伸，沒有充分利用深度即縱深排列。如果既考慮橫向又考慮縱向排列，那么就要突破舊有的網絡變壓器兩排PIN腳的傳統方式，要按矩陣式排列，像電腦CPU芯片一樣，在IC的底部都做橫向×縱向=X×Y兩個方向陣列分布，也就是PGA（引腳陣列式封裝）。這樣的排列就可以滿足寬度小于30mm的要求，也就是在30mm以內排下一個4口千兆網絡變壓器。

1 技術簡介

設計4口千兆引腳陣列式封裝的網絡變壓器，除了功能上要達到IEEE802.3標準要求外，作為大量生產節約成本的考慮，要分成模塊化積木式組裝。最后，也是重要的一環要找到現有 DIP或SMD封裝結構中低可靠性的根源，在新設計中加以克服，才能從根本上提高多引腳的PGA封裝的可靠性。

1.1 傳統結構封裝介紹

傳統的網絡變壓器插腳結構的內部連線方式如圖1所示，焊點位置與磁性線圈之間的結構設計比緊密，導致現行結構有下列缺點：

（1）纏線焊接后，要移動線圈，銅線容易受損傷，有可靠性問題。

（2）內部焊點與線圈緊密靠近，客戶焊接到PCB上時里面焊點容易二次熔化容易產生短路和斷線，同時容易造成內部焊點與線圈之間短路。

1.2 新技術研發的意義及必要性endprint

一種可以象積木式組裝一樣的變壓器模塊，能將復雜的多口變壓器的需求分解成小組件能大量生產而不容易有壞品。然后再簡單象裝配積木一樣的組裝成多端口成品，保證多端口成品的電性能和可靠性與單個模塊一樣好，滿足了高端客戶的需求，簡化了變壓器生產過程中的不良，節約了生產成本，給通訊變壓器生產指出了一種新方法。

1.3 新技術簡介

網口變壓器產品在生產過程中使用的電磁線比較細微，最怕線受傷變脆，隨著時間延長在客戶使用過程中產生斷裂，生產過程中里面的焊點也會燙傷電線，在客戶使用時也有機會適得其反變壓器內部的焊點和電線受熱引起變化，針對這些要求，開發出了新型模塊結構設計。

1.4 技術的特點或優勢

（1）纏線焊接前后，不需要移動線圈，銅線不會受損，一直到成品完成。

（2）纏線后的焊點遠離線圈，客戶焊接時也不容易二次熔化。

（3）可靠性高，在我們的客戶使用時，我們產品里面的焊點和電線不容易受熱變化。

2 新技術的實現方法

網口變壓器的發展經過了從單口到多口，PIN腳數量從少到多，隨之而來的網速也從低到高的過程，圖4～圖8介紹了我們從現有結構到新的結構的發展過程。

對于客戶而言，這些器件插板裝配比較容易，但是要千兆將口集成起來96PIN，客戶插板安裝就遇到PIN之間的偏差，插板困難或根本不能插入的問題。

千兆4口網絡變壓器96PIN，網絡變壓器行業首個使用PGA（pin grid array） 陳列引腳封裝高頻變壓器。我們特別設計了定位孔插板，將理想變成了現實，我們的專利設計（國家專利號：200820235461.7等4項相關專利）相關的實物圖，見圖9～圖12。

雖然是PGA陳列引腳封裝，有96個PIN，但是客戶在使用過程沒有插不到PCB板的情況。

3 小結

新結構與現有結構的比較見圖13和表1，明顯具有容易生產制作，可靠性高，在客戶板上占有的寬度小，能配合標準的RJ45排列，從2009年到目前為止，總數生產量超過1500萬只，有力的支持了國內網絡設備生產企業與國外同行的激烈競爭，為國家信息化國產化建設起到了巨大的貢獻。

4 結語

本研究介紹的是PGA引腳陣列封裝在網絡變壓器行業的創新應用，也有同行在試用BGA（Ball Grid Array，球柵陣列封裝）來封裝網絡變壓器，這種工藝在半導體IC生產中已經廣泛使用，但是，在網絡變壓器應用中到目前為止還在研發和小批量生產階段，因為相比本研究介紹的PGA工藝，這種BGA要求的投入資金較大，生產過程中的工藝控制要求也高，網絡設備客戶選用不到第二或第三供應商，所以客戶不愿意選用，也就更阻止了BGA在網絡變壓器行業的應用，不過，BGA在網絡變壓器行業的新發展我們值得關注。

參考文獻

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