一种新型可装配式PGA陈列引脚封装千兆网络高频脉冲变压器

李宗正++梁永林

摘 要：局域网的使用逐年走进千家万户，每条网线的两端都必须各有一个相应的网络变压器来匹配网线与网络芯片，所以网络变压器的不断创新与发展要跟上网络设备的更新换代。如何在提高电子消费品的性能和可靠性的同时，又能降低成本，将是提高网络变压器生产企业行业竞争力的唯一途径。该研究介绍的一种新型封装的网络变压器可以满足这些要求，为国家信息网络国产化建设起到巨大的推动作用。

关键词：局域网络用高频脉冲变压器 引脚阵列式封装 双列直插形式封装 表面焊接器件

中图分类号：TM433 文献标识码：A 文章编号：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

随着网络通讯连年不断持续的递增式发展，千兆局域网络的连接越来越走进个人的生活，从2000年开始，设备生产商为了节约空间，要求供应商把网络变压器组装到RJ45接口里面，这种带千兆网络变压器的集成化RJ45接口特别是双层多口（例如2×6口，2×8口），由于价格高（每个口大约要1美元）不能被中端网络设备厂商在价格竞争中所接受。除此之外，集成化RJ45的生产主要在外资企业因专利因素而掌控，其可靠性要做好也不容易，所以，到了2008年开始越来越多的厂商要求使用不带网络变压器的RJ45接口，把变压器又独立出来当作一个元件串接在RJ45接口后面的PCB空位上，这样可以节约大约30%以上的成本。也就是说网络通讯设备生产商可以采购标准的低成本的里面不带网络变压器的RJ45接口，再选购专门厂商制作的网络变压器配套使用，来节约成本。故此，市场需要巨大量的千兆网口变压器器件（到目前2014年每年的需求量在10亿只以上），然而，这时的网络速度也在高速前进，从当年的百兆上升到千兆，理论上讲网络变压器的尺寸增大了一倍，原来百兆一个口需要两路，现在千兆需要四路，大量的千兆网络变压器都是因为尺寸超长不能对应的直接放置在网络接口RJ45连接器后面满足网络设备制造商如中兴，华为，华三等客户要求，超宽的网络变压器如果排列在较窄RJ45接口后面，旁边的通道会延长线路而产生信号的不对称和损失，因为不带网络变压器的RJ45是工业标准件，而网络变压器不是标准件，4口（每层2个口，两层为2×2=4个口）千兆RJ45的宽度是30mm左右，目前千兆网络变压器的宽度有不同的几种，单口24PIN千兆网口变压器宽度为18mm，用4个这种变压器的话要4×18mm=72mm，远远大于30mm显然放不下，如果用2口千兆48PIN网络变压器，2个的宽度也要2×28mm=56mm也大远于30mm，显然放不下，这些旧的结构尺寸宽度较长放不下的原因是在于排列线圈的放法只在在于宽度方向延伸，没有充分利用深度即纵深排列。如果既考虑横向又考虑纵向排列，那么就要突破旧有的网络变压器两排PIN脚的传统方式，要按矩阵式排列，像电脑CPU芯片一样，在IC的底部都做横向×纵向=X×Y两个方向阵列分布，也就是PGA（引脚阵列式封装）。这样的排列就可以满足宽度小于30mm的要求，也就是在30mm以内排下一个4口千兆网络变压器。

1 技术简介

设计4口千兆引脚阵列式封装的网络变压器，除了功能上要达到IEEE802.3标准要求外，作为大量生产节约成本的考虑，要分成模块化积木式组装。最后，也是重要的一环要找到现有 DIP或SMD封装结构中低可靠性的根源，在新设计中加以克服，才能从根本上提高多引脚的PGA封装的可靠性。

1.1 传统结构封装介绍

传统的网络变压器插脚结构的内部连线方式如图1所示，焊点位置与磁性线圈之间的结构设计比紧密，导致现行结构有下列缺点：

（1）缠线焊接后，要移动线圈，铜线容易受损伤，有可靠性问题。

（2）内部焊点与线圈紧密靠近，客户焊接到PCB上时里面焊点容易二次熔化容易产生短路和断线，同时容易造成内部焊点与线圈之间短路。

1.2 新技术研发的意义及必要性endprint

一种可以象积木式组装一样的变压器模块，能将复杂的多口变压器的需求分解成小组件能大量生产而不容易有坏品。然后再简单象装配积木一样的组装成多端口成品，保证多端口成品的电性能和可靠性与单个模块一样好，满足了高端客户的需求，简化了变压器生产过程中的不良，节约了生产成本，给通讯变压器生产指出了一种新方法。

1.3 新技术简介

网口变压器产品在生产过程中使用的电磁线比较细微，最怕线受伤变脆，随着时间延长在客户使用过程中产生断裂，生产过程中里面的焊点也会烫伤电线，在客户使用时也有机会适得其反变压器内部的焊点和电线受热引起变化，针对这些要求，开发出了新型模块结构设计。

1.4 技术的特点或优势

（1）缠线焊接前后，不需要移动线圈，铜线不会受损，一直到成品完成。

（2）缠线后的焊点远离线圈，客户焊接时也不容易二次熔化。

（3）可靠性高，在我们的客户使用时，我们产品里面的焊点和电线不容易受热变化。

2 新技术的实现方法

网口变压器的发展经过了从单口到多口，PIN脚数量从少到多，随之而来的网速也从低到高的过程，图4～图8介绍了我们从现有结构到新的结构的发展过程。

对于客户而言，这些器件插板装配比较容易，但是要千兆将口集成起来96PIN，客户插板安装就遇到PIN之间的偏差，插板困难或根本不能插入的问题。

千兆4口网络变压器96PIN，网络变压器行业首个使用PGA（pin grid array） 陈列引脚封装高频变压器。我们特别设计了定位孔插板，将理想变成了现实，我们的专利设计（国家专利号：200820235461.7等4项相关专利）相关的实物图，见图9～图12。

虽然是PGA陈列引脚封装，有96个PIN，但是客户在使用过程没有插不到PCB板的情况。

3 小结

新结构与现有结构的比较见图13和表1，明显具有容易生产制作，可靠性高，在客户板上占有的宽度小，能配合标准的RJ45排列，从2009年到目前为止，总数生产量超过1500万只，有力的支持了国内网络设备生产企业与国外同行的激烈竞争，为国家信息化国产化建设起到了巨大的贡献。

4 结语

本研究介绍的是PGA引脚阵列封装在网络变压器行业的创新应用，也有同行在试用BGA（Ball Grid Array，球栅阵列封装）来封装网络变压器，这种工艺在半导体IC生产中已经广泛使用，但是，在网络变压器应用中到目前为止还在研发和小批量生产阶段，因为相比本研究介绍的PGA工艺，这种BGA要求的投入资金较大，生产过程中的工艺控制要求也高，网络设备客户选用不到第二或第三供应商，所以客户不愿意选用，也就更阻止了BGA在网络变压器行业的应用，不过，BGA在网络变压器行业的新发展我们值得关注。

参考文献

[1]802.3af-2003 - IEEEE Standard for Information Technology -Telecommunications and Information Exchange Between Systems-Local and Metropolitan Area Networks-Specific Requirements-Part 3： Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection （CSMA/CD） Access Method and Physical Layer Specifications - Data Terminal Equipment （DTE） Power Via Media Dependent Interface （MDI）.

[2]Pulse engineering datasheet H551-Worlds smallest Gigabit Quad/Dual isolation transformer module Designed to Support PoE， Auto MDIX.

[3]Hank Hinrichs.切勿忽视PoE应用中的电缆和连接器失衡[EB/OL].http：//www.ednchina.com/ART_3515_28_19999_OA_e0edefa5.htm，2004-09-01.endprint