高端服務器發(fā)展趨勢對PCB的機遇和挑戰(zhàn)

黃建忠 舒 明

（重慶方正高密電子有限公司，重慶 401332）

1 背景

圖1

服務器（Sever），也稱伺服器。服務器是網(wǎng)絡環(huán)境中的高性能計算機，它偵聽網(wǎng)絡上的其他計算機（客戶機）提交的服務請求，并提供相應的服務，為此，服務器必須具有承擔服務并且保障服務的能力。它的高性能主要體現(xiàn)在高速度的運算能力、長時間的可靠運行、強大的外部數(shù)據(jù)吞吐能力等方面。

根據(jù)賽迪顧問（CCID）發(fā)布的《2012~2013年度中國x86服務器市場研究報告》來看，2012年中國x86服務器市場銷量及銷售額分別達到119.20萬臺和217.40億元，比2011年分別增長17.8%和18.6%，特別值得關(guān)注的是2012年四路以上服務器銷售額增長幅度達到70%，保持高速增長（見圖1）。

2 現(xiàn)主流高端四路x86服務器

IBM System x3850 X5，單臺System x3850 X5配備了4個處理器插槽以及多達64個DIMM內(nèi)存插槽，通過MAX5內(nèi)存擴展可擴展到96個DIMM內(nèi)存插槽，存儲方面，System x3850 X5配備了8個靈活的熱插拔存儲器，使用eXFlash技術(shù)時最多可擴展至 16 個 SSD，并集成了雙端口Emulex 10 Gb虛擬光纖網(wǎng)適配器。

HP ProLiant DL580 G7采用英特爾E7-4800處理器，標配32個DIMM內(nèi)存插槽，最大可擴充到64個DIMM內(nèi)存插槽。HP 4S架構(gòu)、全新的2TB內(nèi)存容量、10 Gb網(wǎng)卡升級選項、最多11個I/O插槽和先進的管理解決方案，讓該系統(tǒng)更加適用于虛擬化應用。

Dell PowerEdge R910是一款高性能4插槽4U機架式服務器，配備英特爾至強E7處理器，提供64個DIMM內(nèi)存插槽，內(nèi)存可擴展至最高2 TB，它具備內(nèi)置可靠性與可擴展性，適用于關(guān)鍵任務應用程序。存儲方面可選用16塊2.5英寸（SFF）6 Gbps（向下兼容3 Gbps）SAS熱插拔驅(qū)動器安裝位，支持傳統(tǒng)SAS、SATA硬盤或者SSD（固態(tài)硬盤），用戶可以根據(jù)需要實現(xiàn)存儲擴展，并支持RAID 6陣列組件。網(wǎng)絡接口方面，R910集成了4個千兆網(wǎng)絡接口。以上三個服務器如圖2。

圖2

隨著云計算技術(shù)的逐漸成熟和落地，為服務器市場的崛起提供了最適合的土壤。以云計算和大數(shù)據(jù)為標志的全新IT時代推動著服務器技術(shù)和市場的變革。未來隨著虛擬化、云計算、桌面云、大數(shù)據(jù)、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫應用和高性能運算等應用熱點領(lǐng)域的發(fā)展，于是四路和四路以上的高端服務器日漸進入大眾視野（見圖3）。

圖3

從整個服務器的發(fā)展歷程我們不難看出，高速、大容量、云計算、高性能的服務器不斷發(fā)展，同時對PCB的設計也隨之不斷升級，如高層數(shù)、大尺寸、高縱橫比、高密度、高速材料的應用、無鉛焊接的應用等等。隨著高端服務器的發(fā)展，對于PCB的層數(shù)要求也隨之越來越高，從之前1U或2U Sever的4層、6層、8層主板發(fā)展到現(xiàn)在4U、8U Sever的層數(shù)16 L以上，背板則在20 L以上，由于層數(shù)的增加從而對PCB制造商的整體加工能力有了更高的要求。

3 PCB在高端服務器中的應用

首先就普通高端服務器中主要用到的PCB做一個大概的羅列（見圖4）。

圖4

（1）背板，用于承載各類line cards的載體，背板的層數(shù)通常大于20L，板厚在4.0 mm以上，縱橫比大于14:1，同時伴隨著x-cede著press fit hole及backdrill的設計；

（2）LC的主板通常的層數(shù)在16L以上，板厚在2.4 mm以上，0.25 mm的via hole的設計，外層線路設計通常在0.1 mm/0.1 mm及以下，同時對信號損耗有著一定的要求；

（3）LC以太網(wǎng)卡，層數(shù)在10L及以上，板厚在1.6 mm左右，GF、HDI+POFV等設計；

（4）Memory card因受面積限制，通常層數(shù)在10L以上，Plus 3 HDI+IVH設計，線路密度設計為0.1 mm /0.1 mm及以下；

由上看出，構(gòu)成整個高端服務器的PCB基本上包括了背板、高層數(shù)線卡、 HDI 卡、 GF 卡等，基本覆蓋了除FPCB外的所有產(chǎn)品。其特點主要體現(xiàn)在高層數(shù)，高縱橫比，高密度及高傳輸速率。

4 PCB制作的機遇和挑戰(zhàn)

如下將針對于如上幾個特點在PCB領(lǐng)域的機遇和挑戰(zhàn)進行逐一的概述，以Dxxx客戶的其中一款高端服務器為例。

4.1 背板

24L高速背板采用IT-150DA高速材料，backdrill stub要求±0.1 mm（其深度部分超過3.5 mm）（見圖5）。

圖5

從實際的PCB制作情況來看，主要缺陷的集中見圖6所示。

圖6

由于tight stub公差，背鉆不良占整個報廢的60%，由此引申出對整體板厚均勻性的管控、各層介質(zhì)厚度的控制、背鉆控深精度的管控等。相應的應對措施如下：

（1）板厚及介質(zhì)均勻性：采用對稱stackup、對稱的殘銅率、（在客戶允許的前提下）在空曠區(qū)域添加dummy pad、調(diào)整border resin channel design等；

（2）背鉆控深精度：背鉆機臺深度能力的校正、壓腳及負壓控制、背鉆區(qū)域的板厚及介質(zhì)厚度的區(qū)分、背鉆coupon設計與單元內(nèi)的匹配性等；

（3）內(nèi)短及層偏：由于背板的整體尺寸較大，基本上為1單元/Panel，從而對整個板材的尺寸穩(wěn)定性、照片尺寸控制、曝光對位及層壓疊層、層壓壓合方式調(diào)整方面做相應的調(diào)整；除此之外，內(nèi)層走線設計較長帶來的內(nèi)短及內(nèi)斷，可以從內(nèi)層芯板前處理的表面清潔、蝕刻均與性、內(nèi)層蝕刻后的AOI全檢、運載工具、壓合組合車間的清潔、銅屑的控制方面做一定改善，同時可以設計相應的監(jiān)控對準度的coupon進行監(jiān)控，鉆孔后可以通過X-Ray機檢查coupon的對位情況；（特別注意高層數(shù)板的同心圓設計的調(diào)整，以免在層壓后出現(xiàn)識別困難或無法識別的情況）。

除以上問題外，背板面臨的比較常見的問題，包括鉆孔披鋒、孔銅控制、成品孔徑管控等等，牽涉到各個工序系統(tǒng)面的參數(shù)及改善。

4.3 16L高速線卡主板，采用IS415材料并有Set2dil要求（圖7）

圖7

從實際的PCB制作的情況來看，主要的缺陷集中見圖8所示。

圖8

線卡主板與背板的部分缺陷問題相同或相似，包括內(nèi)短、內(nèi)斷及層偏等，但線卡在外層設計細密線路的特點，從而帶來的對銅厚及外層蝕刻的挑戰(zhàn)，其缺陷主要體現(xiàn)在外斷、夾膜及外短等。應對措施：主要從外層電鍍銅厚的控制、電鍍均勻性、外層蝕刻均勻性、一銅和二銅的分配、外層干膜（厚度）的選擇等方面進行管控。

4.3 10L Plus 2 HDI PCI card (GF),18L plus 3 HDI memory card

采用高速材料并有set 2 dil要求，其中18L memory card有銅填孔設計，且在次外層有阻抗控制（圖9）。

圖9

由于HDI的設計特點，除了普通多層板出現(xiàn)的問題外，在制作過程中容易發(fā)生的問題集中在：微導通孔斷踣、通盲對位的不匹配、多次壓合帶來的可靠性問題、銅填孔及減銅VS阻抗控制等；如下主要針對于HDI常見問題的應對措施進行粗略的概述：

（1）微導通孔斷路問題，主要從PP的選擇、激光能量、Via孔大小、介質(zhì)厚度管控、電鍍PTH方式選擇（水平或垂直）、電鍍貫孔能力及藥水流動性、FA監(jiān)控等；

（2）通盲不匹配問題：通孔VS盲孔對位方式、通孔VS盲孔漲縮及使用比例、通孔VS盲孔annular ring大小方面進行協(xié)調(diào)；

（3）多次壓合帶來的可靠性問題：主要從材料的可靠性、壓合條件等方面進行改善；

（4）銅填孔及減銅VS阻抗控制問題: 通過藥水的研究及調(diào)整、鍍銅均勻性、底銅的調(diào)整、減銅的均勻性以及優(yōu)化阻抗設計方面進行；

從如上的main boards發(fā)現(xiàn)，高速材料（Low Dk/Df）材料已經(jīng)被廣泛應用在高端服務器上，就高速材料在PCB制作過程中容易出現(xiàn)的ICD及Pull away、分層問題做如下探討：

ICD就發(fā)生的類別可以分為化銅型ICD及膠渣型ICD，pull away 可分為化銅型和內(nèi)層連接型（見圖10）。

對于ICD及pull away我們可以從：鉆孔參數(shù)的優(yōu)化，等離子體去除膠速率和效果的監(jiān)控、以及使用與材料吸附和結(jié)合性能優(yōu)異的PTH藥水方面進行改善；對于連接型pull away主要可以從設計方面進行優(yōu)化，如在內(nèi)層添加非功能盤以增強其附著力。

爆板分層：除了普通的氧化分層外，對于高速材料來看，爆板分層主要分為Thermal pad位置分層和≥68.6 μm厚銅位置的分層；除此之外，由于高速材料本身的材料特性，比較容易吸濕，從而容易產(chǎn)生PP水汽導致的分層（見圖11）。

圖10

圖11

應對措施：（1）聯(lián)合板材供應商從樹脂的含浸性及填料方面做一定的優(yōu)化；（2）PP儲存環(huán)境的管控及使用前的抽濕等；（3）鉆孔參數(shù)、壓合參數(shù)、烤板條件及除膠參數(shù)等進行優(yōu)化和調(diào)整；（4）除此之外，stackup設計方面盡可能避免使用spread glass fi bre在厚銅位。

當然高速材料的應用，伴隨著高速信號的要求。根據(jù)不同的最終客戶，對信號集成目前主要有三種方式進行測量，包括Intel主導的SET2DIL，cisco主導的VNA以及IBM主導的SPP三種方式。雖然設計和測量方法有所差別，但原理和測試結(jié)果基本上相差不大（見圖12）。

為了到達客戶對信號集成的要求，PCB在stackup中材料的選擇，包括薄芯、PP以及銅箔類型方面有著特定的要求，如0.125 mm的薄芯按照傳統(tǒng)的要求將采用2116*1的結(jié)構(gòu)，但如果有信號集成要求，顯然會對信號損耗產(chǎn)生比較大的影響，一般客戶都會采用1078*2或1086*2的結(jié)構(gòu)；同時相鄰層的PP也要求采用1037、1067、1078、1086等spread glass fibre代替?zhèn)鹘y(tǒng)的106和1080；同時對內(nèi)外層銅箔的profile也有一定的要求，目前已經(jīng)從之前的STD、THE向RTF、VLP發(fā)展，目前普遍的高速PCB要求采用RTF銅箔，部分已經(jīng)開始應用VLP銅箔以減少信號在傳輸時產(chǎn)生的loss。

除以上一般普通企業(yè)型的高端服務器外，各服務器制造商針對于特殊的政府領(lǐng)域、國防或軍事領(lǐng)域、銀行等金融機構(gòu)、以及大型企業(yè)推出定制服務，從而在功能及設計方面有著更高的要求。主要體現(xiàn)在如下幾方面：

背板：層數(shù)≥30 L、板厚≥6.0 mm（甚至到達8.0 mm）、縱橫比≥18:1、定位目標 D2M≤±0.175 mm、 Backdrill Stub公差≤±0.125 mm、阻抗公差±8%、高速材料應用等；除此之外，部分背板外層出現(xiàn)SMT pad或BGA設計，已經(jīng)從傳統(tǒng)的只壓接方式向表面貼片及無鉛安裝進行轉(zhuǎn)換，從而對背板的可靠性有了更高的要求；

線卡：層數(shù)≥20 L、板厚≥3.2 mm（甚至到達4.0 mm）、縱橫比≥14:1、Tight registration D2M≤±0.125 mm、ZBC≤0.05 mm、via Backdrill Stub公差≤±0.125 mm、阻抗公差±8%、高速材料應用等；除此之外，外層0.075 mm/0.075 mm fine line、密BGA Pitch（從0.8 mm向0.65 mm，甚至0.5 mm進行發(fā)展），同時1.0 mm BGA背鉆過兩線，0.8 mm &0.65 mm BGA過一線已經(jīng)成為主流；同時隨著設計難度的增加，PCB生產(chǎn)廠家采用孔電鍍解決外層銅厚及外層細密線路問題，skip via代替2 step staked via的多次壓合工藝進行應對；

此外，日益競爭激烈的PCB制造業(yè)，伴隨著高成本的物料并結(jié)合客戶對PCB采購成本的要求，從線路布設及信號設計方面出現(xiàn)了普通FR4+Low loss材料混壓的設計，從而對漲縮、對準度及可靠性方面有著更高的挑戰(zhàn)；同時厚銅在背板及線卡疊構(gòu)中的應用也越來越普及。

圖12

5 未來發(fā)展趨勢預測

隨著8U、16U及以上的高端服務器逐步推出，儲存器產(chǎn)品及路由交換機產(chǎn)品也相應不斷發(fā)展（見圖13）。

同時對高速運轉(zhuǎn)、超大容量及高可靠性的要求，對PCB的整體制造工藝將面臨新一輪的挑戰(zhàn)。

圖13

未來PCB發(fā)展將朝著如下方面進一步發(fā)展：

更高層數(shù)；更高密度、縱橫比；更tight tolerance及registration；更高速的材料及Lower signal loss；更嚴苛的Assembly條件及可靠性；更復雜的疊構(gòu)：如埋容，埋阻及嵌入有源元件等；激光在PCB行業(yè)的廣泛應用，包括成像、激光蝕刻、激光修整及激光測試；噴墨打印技術(shù)在PCB防焊及抗蝕（鍍）劑方面的應用；納米技術(shù)在PCB基板及PCB制作過程中的應用。