人工智能服務(wù)器用高多層PCB制作關(guān)鍵技術(shù)研究

孫保玉 宋建遠(yuǎn) 袁為群 郭興波 麥美環(huán)

（深圳崇達(dá)多層線路板有限公司，廣東 深圳 518117）

0 引言

人工智能（artificial intelligence，AI）是研究如何模擬人的思維能力和智力活動(dòng)方式，并不斷拓展、提高該思維能力，從而延伸人類思維功能的系統(tǒng)。從1956 年夏季達(dá)特茅斯會(huì)議首次使用人工智能概念開始至今，人工智能的發(fā)展已經(jīng)有60 余年，人工智能的功能體系也發(fā)生了翻天覆地的變化。其發(fā)展已經(jīng)突破了單個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，逐漸形成整個(gè)社會(huì)生產(chǎn)力生產(chǎn)關(guān)系的變革［1］。

AI 服務(wù)器為重要的信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施。AI 服務(wù)器通常搭載圖形處理器（graphics processing unit，GPU）、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）、專用集成電路（application specific integrated circuit，ASIC）等加速芯片，利用中央處理器（central processing unit，CPU）與加速芯片的組合可以滿足高吞吐量互聯(lián)的需求，為自然語(yǔ)言處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、語(yǔ)音交互等人工智能應(yīng)用場(chǎng)景提供強(qiáng)大的算力支持，已經(jīng)成為人工智能發(fā)展的重要支撐力量［2］。

AI 服務(wù)器的特點(diǎn)和需求，促使印制電路板（printed circuit board，PCB）不斷向高密度、高精度、高集成度方向發(fā)展，這就要求PCB 從常規(guī)的多層設(shè)計(jì)向高速度、高密度、高多層（10層以上）轉(zhuǎn)化。使用高速基材生產(chǎn)制作具有高速、大容量、高可靠性信號(hào)傳輸能力的AI 服務(wù)器用高多層PCB成為該細(xì)分領(lǐng)域的發(fā)展必然。

本文選取一款用于AI 服務(wù)器的24 層多層PCB，就其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)方案、關(guān)鍵制作技術(shù)等做詳細(xì)介紹。

1 試驗(yàn)部分

1.1 產(chǎn)品參數(shù)特點(diǎn)

本款A(yù)I 服務(wù)器用24 層多層PCB 的產(chǎn)品關(guān)鍵參數(shù)見表1。

表1 AI服務(wù)器用24層多層PCB關(guān)鍵參數(shù)表

1.2 制作工藝流程

本款A(yù)I 服務(wù)器用24 層多層PCB 產(chǎn)品具有下列工藝設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

（1）高頻、高速材料設(shè)計(jì)：采用M7N 高速板材，支持更高頻率的信號(hào)傳輸，具備高速、大容量信息傳輸基礎(chǔ)。

（2）大尺寸、高厚度、高層數(shù)：具有良好的承載性，一般來(lái)說(shuō)，AI 服務(wù)器主板要比傳統(tǒng)服務(wù)器主板大許多，這主要是因?yàn)樵谄渲幸惭b更多的組件，如更多的外圍組件互連（peripheral component interconnect，PCI）（5 條以上）、外圍組件互連擴(kuò)展（peripheral component interconnect extended，PCI-X）、內(nèi)存插槽（4 條以上），還可能有多個(gè)CPU插槽。

（3）盲孔技術(shù)：降低PCB 的尺寸和質(zhì)量，減少層數(shù)，提高電磁兼容性，縮短連線長(zhǎng)度，滿足高速電路時(shí)序要求。

（4）背鉆孔：特定層信號(hào)傳輸，信號(hào)完整性。

（5）高厚徑比：更高的布線密度，更多的信號(hào)線路數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)。

（6）樹脂塞孔：利用樹脂將導(dǎo)通孔塞滿，并在孔表面進(jìn)行鍍銅，有助于縮小孔與孔的間距，減小板的面積，解決導(dǎo)線與布線的問(wèn)題，提高布線密度。

本款A(yù)I 服務(wù)器用24 層多層PCB 產(chǎn)品的具體工藝制作流程如圖1所示。

圖1 本款A(yù)I服務(wù)器用24層多層PCB工藝制作流程

2 結(jié)果與討論

2.1 N+C+N疊構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1.1 技術(shù)難點(diǎn)描述

對(duì)于非對(duì)稱疊構(gòu)設(shè)計(jì)的PCB 層壓結(jié)構(gòu)，芯板厚度上下不對(duì)稱，壓合后，薄的芯板支撐力不足、翹曲，出現(xiàn)PCB 翹曲、弓彎的現(xiàn)象。PCB 翹曲、弓彎會(huì)在組裝元器件時(shí)引起偏移、虛焊等質(zhì)量問(wèn)題。

為了改善以上問(wèn)題，通常采用的處理方式主要包括：①延長(zhǎng)層壓過(guò)程的參數(shù)時(shí)間，增加層壓結(jié)構(gòu)中樹脂固化程度，使之不易變形；②優(yōu)化內(nèi)層圖形非工作區(qū)域板邊圖形設(shè)計(jì)，全部設(shè)計(jì)為圓點(diǎn)圖形，打破銅皮，在層壓前提前釋放芯板應(yīng)力。

這種處理方式存在以下缺陷：①增加層壓參數(shù)時(shí)間，生產(chǎn)效率低，且改善效果較差；②內(nèi)層芯板圖形設(shè)計(jì)為圓點(diǎn)狀，改善翹曲的效果較差。

2.1.2 技術(shù)改善方案

本款A(yù)I 服務(wù)器用高多層PCB，設(shè)計(jì)總共24 層，壓合板厚2.457 mm±0.174 mm。壓合疊構(gòu)設(shè)計(jì)采用N+C+N（10+4+10）的對(duì)稱設(shè)計(jì)方式，其中，10 層采用“1+8+1”的對(duì)稱設(shè)計(jì)方式、4 層采用2+2 對(duì)稱設(shè)計(jì)方式（其中“1”為單層銅箔層，“8”為4 套芯板，“2”為1 套芯板）。該設(shè)計(jì)為全流程對(duì)稱設(shè)計(jì)，在壓合過(guò)程中能充分均衡壓合過(guò)程中的壓力，保證表面的平整，保證壓合過(guò)程中的半固化片（prepreg，PP）充分、均勻地流動(dòng)，改善了壓合過(guò)程中產(chǎn)生的翹曲、弓彎等問(wèn)題，避免組裝元器件時(shí)de 偏移、虛焊等質(zhì)量問(wèn)題。N+C+N層壓結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 N+C+N層壓結(jié)構(gòu)

2.2 雙面樹脂塞孔控制技術(shù)

2.2.1 技術(shù)難點(diǎn)描述

對(duì)于PCB 采用大小孔塞孔，塞孔的孔徑極差為0.175 mm，且塞孔距非塞孔的最小距離為0.49 mm，為塞孔的制作難點(diǎn)。常出現(xiàn)以下塞孔不良問(wèn)題：①網(wǎng)版偏位，基板補(bǔ)償后系數(shù)與生產(chǎn)板不匹配，基板多次使用后受刮刀壓力作用變長(zhǎng)，對(duì)位未調(diào)正；②油墨氣泡，油墨抽真空時(shí)間不足或抽真空方式不正確；③銅渣、披鋒、雜物堵孔，電鍍銅渣、鉆孔披鋒或生產(chǎn)過(guò)程中雜物堵孔未洗穿；④不下油，刮刀角度偏小、塞孔速度快、刮刀不平整導(dǎo)致局部不下油。

2.2.2 技術(shù)改善方案

本款A(yù)I 服務(wù)器用多層PCB，樹脂塞孔控制技術(shù)依次采用以下方式。

（1）過(guò)噴砂線：塞孔前過(guò)噴砂前處理且關(guān)掉噴砂段洗板，速度為2.5 m/min。

（2）樹脂塞孔前處理：磨板速度控制在（3.0±0.5）m/min。

（3）塞孔前烤板：塞孔前180 ℃、1 h+烤板，板面溫度保持在28～35 ℃。

（4）選擇性真空塞孔：樹脂油墨采用帝強(qiáng)SKY2000 HR-4，樹脂黏度控制在350～1 000 dPa·s，真空度控制在10～120 Pa。

（5）塞孔參數(shù)控制：塞孔前，檢查墊板和塞孔機(jī)的內(nèi)部并清理雜物，塞孔前將塞孔油墨平鋪在網(wǎng)版上抽真空30 min 以上，采用雙面塞孔方式生產(chǎn)，先從背鉆孔較多的一面開始，控制塞孔速度10～40 mm/s，塞孔完后不烤板，再?gòu)牧硗庖幻?，控制塞孔速?0～40 mm/s；塞孔后，檢查兩面無(wú)樹脂塞孔凹陷、空洞不良，方可批量生產(chǎn)。

（6）烘烤參數(shù)控制：115 ℃，30 min+150 ℃，60 min。

（7）陶瓷磨板線打磨：使用陶瓷墨板線打磨2遍。第一遍不織布且速度為2～3 m/min，未磨干凈產(chǎn)品手工打磨后過(guò)陶瓷磨板線，2 組600#不織布拋光，且速度為（3±0.2）m/min。

（8）樹脂自動(dòng)化光學(xué)檢測(cè)（automated optical inspection，AOI）檢查：使用鷹眼AOI 檢查，平均灰度值的范圍控制為170～190，100%掃描檢查塞孔飽滿度。

2.3 高精度阻抗控制技術(shù)

2.3.1 技術(shù)難點(diǎn)描述

由于高頻、高速產(chǎn)品應(yīng)用的大幅提升，對(duì)PCB 高速數(shù)字信號(hào)完整性提出了新的要求。高速電路的傳輸線在高頻、高速的情況下，對(duì)信號(hào)線的串?dāng)_、反射和電磁干擾等信號(hào)問(wèn)題提出了很高的要求。而信號(hào)完整性的控制與實(shí)現(xiàn)，與傳輸線的阻抗有著很強(qiáng)的相關(guān)性。阻抗除了線阻抗，還包括形成互連的孔阻抗，孔阻抗在很高的傳輸速度下對(duì)信號(hào)有很明顯的影響，因此，必須考慮孔阻抗的影響效果［3］。

按照常規(guī)的制作方法，阻抗條介質(zhì)厚度整體偏下限，L8～L9層超下限規(guī)格：①分析設(shè)計(jì)資料，發(fā)現(xiàn)阻抗條位于板邊靠近無(wú)銅區(qū)域，該區(qū)域的流膠量大，與單元內(nèi)其他位置殘銅率有很大區(qū)別；②這與切片讀取的單元內(nèi)數(shù)據(jù)相一致，單元內(nèi)差分阻抗測(cè)試結(jié)果顯示，阻抗未超差，但整體中值偏上4～7 Ω。

2.3.2 技術(shù)改善方案

本款A(yù)I服務(wù)器用高多層PCB 高精度阻抗控制技術(shù)依次采用以下方式。

（1）控制壓合介質(zhì)層厚度：將阻抗條移到靠近單元內(nèi)的大銅面處，確保壓合時(shí)該區(qū)域的樹脂膠不容易流走，避免介質(zhì)厚度偏薄，減少對(duì)阻抗的影響。一般板邊的阻抗條處介質(zhì)厚度與板內(nèi)的介厚相差10～15 μm，差動(dòng)阻抗影響2.5～4.0 Ω。

（2）管控棕化的微蝕量：將棕化的速度從3.5 m/min 提升到5 m/min，將微蝕量從1.3～1.8 μm降低到1.0～1.5 μm，同時(shí)提高效率42.9%。提升線速，減少微蝕對(duì)線路的影響。

（3）阻抗線設(shè)計(jì)加補(bǔ)：阻抗線設(shè)計(jì)時(shí)，工作稿補(bǔ)償完之后，阻抗線額外增加5 μm 可改善阻抗偏高問(wèn)題。如0.10/0.15 mm 的線寬，介質(zhì)厚度0.1 mm，理論控制阻抗值為100 Ω，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中介質(zhì)厚度會(huì)存在不均勻的情況，偏厚就會(huì)導(dǎo)致阻抗偏高。而壓合結(jié)構(gòu)與壓合條件一般是固定的，所以只能調(diào)整線寬的大小去對(duì)沖介質(zhì)厚度對(duì)阻抗的影響，一般是在正常的蝕刻量補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上多補(bǔ)償5 μm，就可以確保阻抗線偏上控制。

差分阻抗設(shè)計(jì)時(shí)，生產(chǎn)照相底版的線間距確保內(nèi)層間距≥89 μm，外層間距≥100 μm；針對(duì)部分差分阻抗線，客戶設(shè)計(jì)的間隙較小，按照工廠能力正常補(bǔ)償后，生產(chǎn)制作能力無(wú)法滿足，此時(shí)需對(duì)差分阻抗進(jìn)行單測(cè)補(bǔ)償，以增加阻抗線之間的間距。

2.4 高多層壓合控制技術(shù)

2.4.1 技術(shù)難點(diǎn)描述

本款A(yù)I 服務(wù)器用高多層PCB 采用松下M7N材料，在常規(guī)壓合制作過(guò)程中，出現(xiàn)了以下問(wèn)題：①單元邊空曠區(qū)無(wú)銅皮導(dǎo)致失壓；②70 μm 內(nèi)層銅位置爆板；③材料流動(dòng)性差，內(nèi)層銅厚位置填膠不足導(dǎo)致空洞；④該材料升溫速率要求≥4 K/min，常規(guī)排板方式無(wú)法達(dá)到，導(dǎo)致樹脂流動(dòng)度差。最終引起爆板、漏電、內(nèi)短等嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題，進(jìn)而嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)品交期。

2.4.2 技術(shù)改善方案

本款A(yù)I 服務(wù)器用高多層PCB 壓合控制技術(shù)，通過(guò)熔合預(yù)對(duì)位、熔＋鉚的方式排板（鉚釘使用階梯鉚釘）、M7N 壓合參數(shù)等操作，實(shí)現(xiàn)壓合后無(wú)爆板分層及漏電問(wèn)題，具體如：

（1）棕化烘烤：烘烤參數(shù)控制為120 ℃，60 min，分開靜置冷卻芯板，每疊芯板高度小于豎著的A4 紙高度，管控芯板表面溫度降至室溫（＜30 ℃）后再生產(chǎn)。

（2）熔合預(yù)對(duì)位：采用吸塵器吸開窗位殘膠（目視有殘膠清潔），放板和PP 后檢查4 角銑槽，確認(rèn)無(wú)PP/芯板錯(cuò)位后再熔合；熔合參數(shù)采用溫度設(shè)定（200±20）℃，恒溫時(shí)間（30±10）s，冷卻時(shí)間（20±10）s。

（3）MASS-LAM 排板：采用熔+鉚的方式排板且鉚釘使用階梯鉚釘，層間加白色緩沖紙；排板前檢查寸套是否變形、缺口；芯板順滑套進(jìn)，不可拍打套進(jìn)，保證上下層水平緊貼；每張鋼板使用無(wú)塵布前清潔一次板面；兩組子板必須一起安排生產(chǎn)，安排同一爐壓合；上下底盤加10 張牛皮紙，銅箔外加鋁片，層間加5 張牛皮紙；排板層數(shù)為2片/層，2層/疊。

（4）層壓參數(shù)：棕化后到層壓進(jìn)爐時(shí)間≤24 h；壓板使用博可壓機(jī)，層壓按照M7N 專用壓合參數(shù)控制（見表3）。壓合后切片如圖3 所示。由表3及圖3可見，結(jié)果合格，無(wú)爆板分層及漏電問(wèn)題。

圖3 壓合后切片分析

表3 M7N專用壓合參數(shù)

2.5 高均勻性除膠控制技術(shù)

2.5.1 技術(shù)難點(diǎn)描述

一些特殊板料的PCB 在制板鉆孔后，需要過(guò)等離子除膠及活化。在等離子生產(chǎn)過(guò)程中，為保持真空腔體內(nèi)的真空度，需要真空泵不間斷地對(duì)腔體進(jìn)行抽真空，而現(xiàn)行的等離子機(jī)抽真空入口均集中于真空腔側(cè)壁某一位置，導(dǎo)致靠近抽真空入口周圍的板子由于等離子氣體在抽真空過(guò)程中被抽走部分，除膠量遠(yuǎn)小于其他區(qū)域板子的除膠量，除膠均勻性極差［4］。

2.5.2 技術(shù)改善方案

本款A(yù)I 服務(wù)器用高多層PCB 采用松下M7N材料，對(duì)除膠精度、除膠均勻性有較高要求，特創(chuàng)新開發(fā)高均勻性除膠控制技術(shù)如下。

（1）在抽真空入口的真空腔側(cè)壁上安裝一面長(zhǎng)方體的屏壁，長(zhǎng)方體屏壁與真空腔入口處的真空腔側(cè)壁等大（具體大小視等離子機(jī)真空腔大小而定），將屏壁中間掏空，形成一個(gè)深50 mm的長(zhǎng)方體容器，四周及屏壁另一側(cè)保留厚度10 mm（實(shí)際深度和余厚視抽真空氣壓及機(jī)臺(tái)本身具體情況而定，可改動(dòng)），并在屏壁另一側(cè)均勻地鉆出5 排小孔，小孔面積總和與抽真空入口面積等大（實(shí)際孔徑大小及孔數(shù)視具體情況可改動(dòng)）［4］。

（2）屏壁與抽真空腔入口側(cè)壁形成一個(gè)與抽真空入口連通的封閉空間，抽真空時(shí)，先將夾壁空間的氣體抽出，與真空腔形成氣壓差，氣體由夾壁上的小孔均勻地從真空腔各處流入夾壁再由真空泵抽出，從而達(dá)到均勻抽真空的目的，防止由于局部抽真空等離子氣體分布不均導(dǎo)致等離子除膠不均勻［4］。匹配開發(fā)的高精度、高均勻性除膠裝置如圖4所示。

圖4 高精度、高均勻性除膠裝置圖

（3）除膠三段式參數(shù)控制。段1：N2200 mL/min，O21 800 mL/min，溫度控制50 ℃，電源功率7 000 W，處理時(shí)間20 min。段2：N2160 mL/min，O21 200 mL/min，CF4240 mL/min，溫度控制50 ℃，電源功率7 000 W，處理時(shí)間27 min。段3：N22 000 mL/min，溫度控制50 ℃，電源功率7 000 W，處理時(shí)間2 min。

3 產(chǎn)品制作效果

整合各關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)并串聯(lián)整個(gè)制作流程，成功地制作出了預(yù)期產(chǎn)品，產(chǎn)品實(shí)物如圖5 所示。各項(xiàng)可靠性測(cè)試均合格，結(jié)果見表4。

圖5 產(chǎn)品實(shí)物與微切片

表4 產(chǎn)品可靠性檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文以一款整體24 層用于AI 服務(wù)器的多層PCB 為例，對(duì)其常見的制作難點(diǎn)和解決方案做了詳細(xì)介紹以供參考。更深層次的技術(shù)和品質(zhì)探索需要各位PCB同仁們的共同努力。