黄建忠 舒 明

（重庆方正高密电子有限公司，重庆 401332）

1 背景

图1

服务器（Sever），也称伺服器。服务器是网络环境中的高性能计算机，它侦听网络上的其他计算机（客户机）提交的服务请求，并提供相应的服务，为此，服务器必须具有承担服务并且保障服务的能力。它的高性能主要体现在高速度的运算能力、长时间的可靠运行、强大的外部数据吞吐能力等方面。

根据赛迪顾问（CCID）发布的《2012~2013年度中国x86服务器市场研究报告》来看，2012年中国x86服务器市场销量及销售额分别达到119.20万台和217.40亿元，比2011年分别增长17.8%和18.6%，特别值得关注的是2012年四路以上服务器销售额增长幅度达到70%，保持高速增长（见图1）。

2 现主流高端四路x86服务器

IBM System x3850 X5，单台System x3850 X5配备了4个处理器插槽以及多达64个DIMM内存插槽，通过MAX5内存扩展可扩展到96个DIMM内存插槽，存储方面，System x3850 X5配备了8个灵活的热插拔存储器，使用eXFlash技术时最多可扩展至 16 个 SSD，并集成了双端口Emulex 10 Gb虚拟光纤网适配器。

HP ProLiant DL580 G7采用英特尔E7-4800处理器，标配32个DIMM内存插槽，最大可扩充到64个DIMM内存插槽。HP 4S架构、全新的2TB内存容量、10 Gb网卡升级选项、最多11个I/O插槽和先进的管理解决方案，让该系统更加适用于虚拟化应用。

Dell PowerEdge R910是一款高性能4插槽4U机架式服务器，配备英特尔至强E7处理器，提供64个DIMM内存插槽，内存可扩展至最高2 TB，它具备内置可靠性与可扩展性，适用于关键任务应用程序。存储方面可选用16块2.5英寸（SFF）6 Gbps（向下兼容3 Gbps）SAS热插拔驱动器安装位，支持传统SAS、SATA硬盘或者SSD（固态硬盘），用户可以根据需要实现存储扩展，并支持RAID 6阵列组件。网络接口方面，R910集成了4个千兆网络接口。以上三个服务器如图2。

图2

随着云计算技术的逐渐成熟和落地，为服务器市场的崛起提供了最适合的土壤。以云计算和大数据为标志的全新IT时代推动着服务器技术和市场的变革。未来随着虚拟化、云计算、桌面云、大数据、内存数据库应用和高性能运算等应用热点领域的发展，于是四路和四路以上的高端服务器日渐进入大众视野（见图3）。

图3

从整个服务器的发展历程我们不难看出，高速、大容量、云计算、高性能的服务器不断发展，同时对PCB的设计也随之不断升级，如高层数、大尺寸、高纵横比、高密度、高速材料的应用、无铅焊接的应用等等。随着高端服务器的发展，对于PCB的层数要求也随之越来越高，从之前1U或2U Sever的4层、6层、8层主板发展到现在4U、8U Sever的层数16 L以上，背板则在20 L以上，由于层数的增加从而对PCB制造商的整体加工能力有了更高的要求。

3 PCB在高端服务器中的应用

首先就普通高端服务器中主要用到的PCB做一个大概的罗列（见图4）。

图4

（1）背板，用于承载各类line cards的载体，背板的层数通常大于20L，板厚在4.0 mm以上，纵横比大于14:1，同时伴随着x-cede着press fit hole及backdrill的设计；

（2）LC的主板通常的层数在16L以上，板厚在2.4 mm以上，0.25 mm的via hole的设计，外层线路设计通常在0.1 mm/0.1 mm及以下，同时对信号损耗有着一定的要求；

（3）LC以太网卡，层数在10L及以上，板厚在1.6 mm左右，GF、HDI+POFV等设计；

（4）Memory card因受面积限制，通常层数在10L以上，Plus 3 HDI+IVH设计，线路密度设计为0.1 mm /0.1 mm及以下；

由上看出，构成整个高端服务器的PCB基本上包括了背板、高层数线卡、 HDI 卡、 GF 卡等，基本覆盖了除FPCB外的所有产品。其特点主要体现在高层数，高纵横比，高密度及高传输速率。

4 PCB制作的机遇和挑战

如下将针对于如上几个特点在PCB领域的机遇和挑战进行逐一的概述，以Dxxx客户的其中一款高端服务器为例。

4.1 背板

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

图5

从实际的PCB制作情况来看，主要缺陷的集中见图6所示。

图6

由于tight stub公差，背钻不良占整个报废的60%，由此引申出对整体板厚均匀性的管控、各层介质厚度的控制、背钻控深精度的管控等。相应的应对措施如下：

（1）板厚及介质均匀性：采用对称stackup、对称的残铜率、（在客户允许的前提下）在空旷区域添加dummy pad、调整border resin channel design等；

（2）背钻控深精度：背钻机台深度能力的校正、压脚及负压控制、背钻区域的板厚及介质厚度的区分、背钻coupon设计与单元内的匹配性等；

（3）内短及层偏：由于背板的整体尺寸较大，基本上为1单元/Panel，从而对整个板材的尺寸稳定性、照片尺寸控制、曝光对位及层压叠层、层压压合方式调整方面做相应的调整；除此之外，内层走线设计较长带来的内短及内断，可以从内层芯板前处理的表面清洁、蚀刻均与性、内层蚀刻后的AOI全检、运载工具、压合组合车间的清洁、铜屑的控制方面做一定改善，同时可以设计相应的监控对准度的coupon进行监控，钻孔后可以通过X-Ray机检查coupon的对位情况；（特别注意高层数板的同心圆设计的调整，以免在层压后出现识别困难或无法识别的情况）。

除以上问题外，背板面临的比较常见的问题，包括钻孔披锋、孔铜控制、成品孔径管控等等，牵涉到各个工序系统面的参数及改善。

4.3 16L高速线卡主板，采用IS415材料并有Set2dil要求（图7）

图7

从实际的PCB制作的情况来看，主要的缺陷集中见图8所示。

图8

线卡主板与背板的部分缺陷问题相同或相似，包括内短、内断及层偏等，但线卡在外层设计细密线路的特点，从而带来的对铜厚及外层蚀刻的挑战，其缺陷主要体现在外断、夹膜及外短等。应对措施：主要从外层电镀铜厚的控制、电镀均匀性、外层蚀刻均匀性、一铜和二铜的分配、外层干膜（厚度）的选择等方面进行管控。

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有铜填孔设计，且在次外层有阻抗控制（图9）。

图9

由于HDI的设计特点，除了普通多层板出现的问题外，在制作过程中容易发生的问题集中在：微导通孔断踣、通盲对位的不匹配、多次压合带来的可靠性问题、铜填孔及减铜VS阻抗控制等；如下主要针对于HDI常见问题的应对措施进行粗略的概述：

（1）微导通孔断路问题，主要从PP的选择、激光能量、Via孔大小、介质厚度管控、电镀PTH方式选择（水平或垂直）、电镀贯孔能力及药水流动性、FA监控等；

（2）通盲不匹配问题：通孔VS盲孔对位方式、通孔VS盲孔涨缩及使用比例、通孔VS盲孔annular ring大小方面进行协调；

（3）多次压合带来的可靠性问题：主要从材料的可靠性、压合条件等方面进行改善；

（4）铜填孔及减铜VS阻抗控制问题: 通过药水的研究及调整、镀铜均匀性、底铜的调整、减铜的均匀性以及优化阻抗设计方面进行；

从如上的main boards发现，高速材料（Low Dk/Df）材料已经被广泛应用在高端服务器上，就高速材料在PCB制作过程中容易出现的ICD及Pull away、分层问题做如下探讨：

ICD就发生的类别可以分为化铜型ICD及胶渣型ICD，pull away 可分为化铜型和内层连接型（见图10）。

对于ICD及pull away我们可以从：钻孔参数的优化，等离子体去除胶速率和效果的监控、以及使用与材料吸附和结合性能优异的PTH药水方面进行改善；对于连接型pull away主要可以从设计方面进行优化，如在内层添加非功能盘以增强其附着力。

爆板分层：除了普通的氧化分层外，对于高速材料来看，爆板分层主要分为Thermal pad位置分层和≥68.6 μm厚铜位置的分层；除此之外，由于高速材料本身的材料特性，比较容易吸湿，从而容易产生PP水汽导致的分层（见图11）。

图10

图11

应对措施：（1）联合板材供应商从树脂的含浸性及填料方面做一定的优化；（2）PP储存环境的管控及使用前的抽湿等；（3）钻孔参数、压合参数、烤板条件及除胶参数等进行优化和调整；（4）除此之外，stackup设计方面尽可能避免使用spread glass fi bre在厚铜位。

当然高速材料的应用，伴随着高速信号的要求。根据不同的最终客户，对信号集成目前主要有三种方式进行测量，包括Intel主导的SET2DIL，cisco主导的VNA以及IBM主导的SPP三种方式。虽然设计和测量方法有所差别，但原理和测试结果基本上相差不大（见图12）。

为了到达客户对信号集成的要求，PCB在stackup中材料的选择，包括薄芯、PP以及铜箔类型方面有着特定的要求，如0.125 mm的薄芯按照传统的要求将采用2116*1的结构，但如果有信号集成要求，显然会对信号损耗产生比较大的影响，一般客户都会采用1078*2或1086*2的结构；同时相邻层的PP也要求采用1037、1067、1078、1086等spread glass fibre代替传统的106和1080；同时对内外层铜箔的profile也有一定的要求，目前已经从之前的STD、THE向RTF、VLP发展，目前普遍的高速PCB要求采用RTF铜箔，部分已经开始应用VLP铜箔以减少信号在传输时产生的loss。

除以上一般普通企业型的高端服务器外，各服务器制造商针对于特殊的政府领域、国防或军事领域、银行等金融机构、以及大型企业推出定制服务，从而在功能及设计方面有着更高的要求。主要体现在如下几方面：

背板：层数≥30 L、板厚≥6.0 mm（甚至到达8.0 mm）、纵横比≥18:1、定位目标 D2M≤±0.175 mm、 Backdrill Stub公差≤±0.125 mm、阻抗公差±8%、高速材料应用等；除此之外，部分背板外层出现SMT pad或BGA设计，已经从传统的只压接方式向表面贴片及无铅安装进行转换，从而对背板的可靠性有了更高的要求；

线卡：层数≥20 L、板厚≥3.2 mm（甚至到达4.0 mm）、纵横比≥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%、高速材料应用等；除此之外，外层0.075 mm/0.075 mm fine line、密BGA Pitch（从0.8 mm向0.65 mm，甚至0.5 mm进行发展），同时1.0 mm BGA背钻过两线，0.8 mm &0.65 mm BGA过一线已经成为主流；同时随着设计难度的增加，PCB生产厂家采用孔电镀解决外层铜厚及外层细密线路问题，skip via代替2 step staked via的多次压合工艺进行应对；

此外，日益竞争激烈的PCB制造业，伴随着高成本的物料并结合客户对PCB采购成本的要求，从线路布设及信号设计方面出现了普通FR4+Low loss材料混压的设计，从而对涨缩、对准度及可靠性方面有着更高的挑战；同时厚铜在背板及线卡叠构中的应用也越来越普及。

图12

5 未来发展趋势预测

随着8U、16U及以上的高端服务器逐步推出，储存器产品及路由交换机产品也相应不断发展（见图13）。

同时对高速运转、超大容量及高可靠性的要求，对PCB的整体制造工艺将面临新一轮的挑战。

图13

未来PCB发展将朝着如下方面进一步发展：

更高层数；更高密度、纵横比；更tight tolerance及registration；更高速的材料及Lower signal loss；更严苛的Assembly条件及可靠性；更复杂的叠构：如埋容，埋阻及嵌入有源元件等；激光在PCB行业的广泛应用，包括成像、激光蚀刻、激光修整及激光测试；喷墨打印技术在PCB防焊及抗蚀（镀）剂方面的应用；纳米技术在PCB基板及PCB制作过程中的应用。