信創服務器板一站式解決方案
一、興森服務器板一站式解決方案
如果說第一期興森大求真所介紹的全光網絡是數據傳輸的血脈，服務器則是數據計算的大腦。尤其2020年進入信創元年，這個“大腦”的地位更是舉足輕重。
服務器需要不斷提升數據計算能力，導致PCB板 多種互連總線不斷提速、pin腳規模不斷提升，單板尺寸更大、更復雜，面臨巨大挑戰。
興森科技針對國內外主流CPU平臺的服務器板，可提供一站式解決方案，以整體硬件需求為導向，集成設計、生產、采購、貼裝、測試、組裝六大環節，提供從試產到批量制造的整體硬件解決方案，提升開發效率、縮短開發周期，幫助企業從原理方案到產品上市的快速跨越，助力電子科技持續創新。
本文《興森服務器板一站式解決方案》，將重點講解服務器主板的多總線SI/PI設計和仿真要點及后端PCB和SMT制造的挑戰如何突破。
二、服務器PCB的設計及仿真
2.1
服務器PCB互連特點
如下圖所示，服務器主板的互連特點是總線類型多，并且速率不斷提升，例如內存總線DDR4→DDR5演進，Serdes總線從56Gbps→112Gbps演進。本文將重點介紹DDR并行總線、PCIe5.0的高速SI設計仿真，以及電源PI設計仿真。
服務器主板互連總線示意圖
興森科技針對國內外各大主流CPU平臺，已經有近二十年設計經驗。CPU和主板性能不斷提升，給PCB的設計帶來三大挑戰：1.規模大。興森科技每年設計7000款板卡，連接點平均規模為2500pins，服務器主板動輒大于30000pins，單板器件超過10000個也不稀奇。2、難度高。以X86 CPU平臺為代表，服務器主板部分移植芯片Layout的極致設計理念，以確保大批量出貨的一次直通率。3、要仿真。服務器主板高速、高密、大電流技術普遍存在，SI和PI仿真必須為設計全流程保駕護航。
2.2
CPU&內存并行總線設計及仿真
DDR演進如表1所示，DDR3至DDR5供電電壓越來越低，速率越來越快，對信號質量要求越來越高。
表1?DDR并行總線演進
興森對DDR內存總線的設計和仿真方法總結如下
2.3
PCIe5.0高速串行總線設計及仿真
服務器PCIe總線演進如表2所示。其中PCIe 5.0 CPU處于產品化的階段。PCIE5.0傳輸速率提升到32Gbps，鏈路設計及仿真要求：阻抗85Ω+/-5%；通道特性插損>-16dB@16GHz、回損<-6dB@16GHz（主板損耗+連接器損耗+插卡損耗）；時域眼圖要求：最小眼高15mV，最小眼寬9.375ps。
興森針對PCIe5.0的仿真案例如下圖所示，經過仿真和設計優化后，結果滿足協議要求。
?興森PCIe5.0仿真案例
2.4
服務器主板電源設計仿真（PI）
服務器PCB主板上電源輸入為12V，然后由12V轉換成各種電壓給各個模塊供電。服務器電源電壓類型多達十多種，且載流大，如CPU核電需幾百安的電流，故電源設計及仿真尤為重要。
服務器主板多種電源舉例
電源仿真包含平面阻抗PDN仿真、直流壓降仿真、電流密度和電熱協同仿真 三大部分工作。
平面阻抗PDN仿真：平面阻抗仿真主要分析平面、電容選型及其位置等對電源PDN的影響。通過仿真可得知超過目標阻抗的頻點范圍并針對性提出優化措施。對于CPU核電源，電流較大，平面阻抗目標較低。一般只能優化10MHz內的平面阻抗。
興森平面阻抗PDN仿真案例
直流壓降仿真：CPU核電源電流一般在100A甚至200A以上，需2個1/2/3Oz的電源平面層處理。層數越多、銅厚越厚壓降越小，但成本越大。通過仿真可選擇合適層疊和銅厚方案。
電流密度和電熱仿真：可根據板卡銅皮電流和發熱情況，選擇合適層疊和銅厚方案。
興森電流密度和電熱仿真案例
2.5
興森服務器板設計仿真總結
興森針對服務器板建立了設計流程，并設置布局評審、布線評審，電氣評審和工藝評審，以保障設計質量。圍繞IC設計與晶圓制造工藝更替，CPU平臺升級會帶動服務器主板和其他配套子卡同步換代，興森科技設計中心人力資源雄厚，工具軟件齊全，可并發實施多個大型服務器項目運作，不斷為國內外服務器產品客戶提供優質的技術服務。
三、服務器PCB制造工藝挑戰
設計仿真完成，輸出各個圖紙之后，還需要把圖紙變成實物。在“興森服務器板一站式解決方案”中，當然少不了PCB和SMT制造環節，才能給客戶交付一個完整的單板。
興森為服務器板配置了批量生產專線，在這里又遇到了哪些挑戰？是如何突破的？
興森服務器PCB制造是在宜興硅谷完成的。宜興硅谷主要為客戶提供高端印制電路板的批量生產服務，月產值約8000萬元，其中20%是服務器相關產品。
3.1
服務器主板PCB制造工藝挑戰
主流CPU性能不斷提升，其Pin腳規模不斷增加，互連總線速率不斷提升。導致PCB制造不斷挑戰 BGA高密出線、高速鏈路低損耗的能力極限。
3.2
0.94mm?Pitch?BGA出雙線的挑戰
目前主流平臺服務器PCB以0.94mm pitch BGA出雙線為主流設計。PCB工藝需要對層間對準度能力進行升級，達到背鉆層偏≤4mil的要求。同時需要對電鍍深鍍能力、鍍銅均勻性、線路制作 進行精細管控。本章節重點介紹層間對準度和精細線路的工藝控制方法。
1.層間對準度≤4mil的控制
層間對準度是多個工序公差疊加而成的結果，包括內層，壓合、鉆孔和背鉆。為了滿足服務器PCB層間對準度≤4mil，針對以上工序的特點，作者提出了自己的控制算法（圖2），其中CCD鉆孔和CCD背鉆需要用到同一套CCD靶標。
在控制流程中，層壓是關鍵工序之一。層壓工序的子流程包括熱熔、疊合、壓合、打靶，每一個制造環節，都會對層間對準度造成較大的影響。部分高端服務器主板，層數和對準度要求更高的話，需要用Pin-Lam方式制作。
2.精細線路的控制
0.94mmpitch BGA布兩線的設計，內外層線寬線距均設計為3.5/4mil。宜興硅谷專門引進了 大尺寸高精度的全自動連線LDI曝光機、真空蝕刻線、脈沖VCP電鍍等先進設備，以滿足服務器主板等高端PCB的設計需求。興森宜興硅谷PCB最大尺寸可以做到720mm，內層線路批量能力達到線寬/線距3/3mil，外層線路批量能力達到線寬/線距3.5/3.5mil。
3.3
?高速鏈路低損耗的挑戰
高速鏈路低損耗：隨著服務器傳輸速率的不斷提高，例如PCIe5.0速率達到32Gbps，IO總線速率從56向112Gbps演進。服務器PCB制作過程中希望鏈路損耗越低越好。例如Eagle Stream平臺在12.89GHz頻率下，要求帶狀線信號損失≤0.83dB/inch，微帶線信號損失≤1.48dB/inch，除了材料選擇和常規阻抗控制參數的管控外，線路精度/粗糙度和背鉆stub的控制也尤為關鍵。
1.背鉆Stub≤10mil的控制
背鉆制作中，可采用板厚分堆、板邊設計背鉆切片陪片的生產方式，并采用高精度背鉆設備，控制背鉆stub≤10mil。在背鉆檢測方面，引進背鉆檢查機，利用光學原理，可檢查背鉆偏位、毛刺，堵孔等情況，對背鉆品質控制提供有力保障。
2.低粗糙度棕化
因高速信號傳輸的“趨膚效應”，導體表面粗糙度越大，信號損失越大。可采用低粗糙度棕化藥水，該棕化藥水的咬蝕深度只有0.8-1.4um，經研究測試，同種條件下比對，在保障壓合質量的同時，比普通棕化藥水的信號損失減少3-5%
3.4
高端單板PCB制造總結
高端單板PCB主要包括服務器主板、通信板等，需要不斷提升單板數據容量，在不增加單板尺寸的前提下，則需擴展高速通道數量/密度和速率。本章節以服務器主板出雙線為例，介紹了0.94mm pitchBGA出雙線、高速鏈路低損耗的工藝挑戰及其控制措施。
四、大尺寸單板SMT組裝
服務器CPU性能提升，增加Pin腳規模，導致CPU封裝尺寸逐漸增大。同時為了提升每塊主板的計算能力，板內經常會采用多路CPU互連，例如雙路甚至4路，導致單板尺寸也會變大。這給大尺寸單板SMT組裝帶來挑戰，因為尺寸增加，再增加單板及封裝的變形量，則帶來應力失效的風險。如下表示意，某些CPU平臺單板尺寸可到500mm以上，CPU封裝尺寸60mm+，器件種類幾百種。另外服務器主板的用量很大，經常需要廠家具備批量制造能力。本章節，以興森為例，介紹其大尺寸SMT組裝的應對措施。
4.1
服務器板SMT專線
針對服務器主板大尺寸、大批量的需求，興森配置了高速SMT專線，在線配置設備主要有：錫膏印刷機→SPI檢測→貼片機→爐前AOI→回流爐（14溫區）→爐后AOI。線體的特點在于：載重>15KG，PCB尺寸>900*600mm，物料種類>400種，貼裝精度：±0.03MM， 14溫區氮氣回流焊。
1.錫膏印刷
對SMT生產工序的質量管控至關重要。興森會結合客戶產品特點，定制鋼網開孔文件，并且內部配置了激光切割+拋光等鋼網生產工序，甚至制作特殊的階梯鋼網，以滿足單板中特殊器件要求不一樣厚度的錫量要求。
2.大尺寸的SPI錫膏檢測設備
可以檢測錫膏厚度，體積，以及是否存在短路、漏印、少錫、偏移等不良，及時攔截不良品。
3.高精度高速貼片機
共配置了4臺AIMEX3,可滿足>400種物料，整線可以實現CPH:7萬點/H),最小貼裝元件：01005(英制)，精度:±0.025mm。還可解決DIMM條的貼裝問題。
4.14溫區氮氣回流：
大尺寸CPU和高密集DIMM貼裝設計，對于回流焊過程的溫度升溫及降溫的時間及速率要求嚴荷，需要14溫區-氮氣回流來實現。上線前，產線均會使用爐溫測試儀檢測爐溫曲線，有效地避免氧化，確保可焊性。
4.2
?SMT質量保障
針對這么復雜的單板，想達到高良率，需要有一套完善的質量保障體系。
1.除從硬件設備上，匹配服務器產品的生產能力要求，在生產過程設用專線，專人，專崗。通過首件檢測,SPI,AOI,X-RAY,FCT功能測試等全流程制程監控，能夠提前預防發現，攔截問題點 ，保障良率>98%
2.使用信息化系統（MES系統）涵蓋全流程，能夠有效地追溯訂單進度，產品狀態，防錯料甚至于物料追溯。
3.“產品質量是設計出來的！”。NPI（新產品導入）過程中，憑借在可制造性設計方面的經驗積累（如：器件選型，制程工藝，質量管控，交付）及專業的DFM分析軟件，提前識別、預防制造環節可能出現的問題，并提出改進措施，有效地助力服務器產品的質量和研發效率提升。
本章節總結：應對服務器主板等復雜單板 大尺寸、多器件的挑戰，不僅需要精良的工藝設備，更需依賴工藝控制能力的提升，以及質量體系的完善。
五、總結
針對服務器單板大尺寸、高復雜、大批量的特點，一站式解決方案中，不僅需要做好前端的仿真設計，也需要后端PCB和SMT制造匹配相應的工藝能力，并構建良好的質量及供應體系，才能滿足客戶需求。
如有相關業務咨詢請
添加“興森科技服務器官方客服”
??????
本文轉載自：興森科技
聲明：發布此文是出于傳遞更多信息之目的。若有來源標注錯誤或侵犯了您的合法權益，請作者持權屬證明與本平臺聯系，我們將及時更正、刪除，謝謝。
