【干货】交换机的PCB可靠性设计

电子芯期天 2022-09-22 08:00

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PCB板卡作为交换机硬件架构的重要组成部分，承载着各种硬件器件和部件，其可靠性至关重要，直接影响交换机的整体性能。

随着数据中心的快速发展，交换机单lane信号速率也在飞速提升，这对PCB和SI设计而言都是全新的挑战。本文将从PCB的硬件设计与加工两个维度来阐述，如何提升交换机56G信号传输的可靠性。

PCB设计可靠性

1、PCB材料选择

应当选取Hyper Low Loss高速板材，将损耗控制在-0.66db@12.89GHz以内，以满足56G信号对Loss的需求。

2、PCB叠层设计

56G Serdes信号需要参考完整的GND平面，保证信号回流路径最短的同时，又能避免信号层相邻带来的串扰。
Power平面通过GND平面与信号层完全隔离，保证了良好的电源完整性。

3、Serdes信号的TX和RX完全隔离设计

所有TX信号分布在上半层，RX信号分布在下半层，可以避免Serdes信号相互干扰。由于在交换芯片内部，TX信号的PIN脚分布在芯片外侧，RX信号的PIN脚分布在芯片内侧，信号通过过孔换层后，进行过孔背钻，这样TX和RX信号实现完全隔离，避免互相干扰。

4、SI设计优化

A、56G Serdes信号推荐采用十度线设计，能够有效降低玻纤效应带来的阻抗不连续。

B、采用Via in pad设计，可以优化交换芯片和光模块信号连接器区域阻抗的连续性。

C、反焊盘处理，需要通过调整过孔反焊盘的尺寸，优化过孔阻抗的容性，进而达到优化过孔整体阻抗的目的。

PCB加工可靠性

1、采用Skip Via技术

连接TOP层和第三层的过孔采用Skip Via技术，即通过控深钻+激光钻孔技术实现表层和第三层信号的连通。控深钻使用机械钻头将TOP层和第二层的铜皮打穿，利用激光的热能和化学烧蚀将过孔周围的玻璃纤维清理干净，之后对过孔化学沉铜并树脂塞孔。此工艺，既实现了信号的连通，又不会产生stub，对信号完整性的提升有很大帮助。

另外，对PCB制程而言，Skip Via工艺和盲孔工艺都可以达成同样的效果，但Skip Via与盲孔相比，加工周期短（不用多次压合），加工过程更简单，具有明显的成本优势，推荐采用Skip Via工艺。

2、采用3D背钻技术

推荐采用3D背钻技术，该技术可以将过孔的stub精准控制在2-8mil，能极大地改善反射对信号完整性带来的影响。建议背钻孔径采用D+6方案，即背钻钻刀在一钻钻刀的基础上直径增加6mil，相较于常规的D+8方案，背钻钻刀直径减小2mil，尽可能加大Serdes信号相邻参考层（GND平面）的面积，避免Serdes信号出现跨分割风险。

3、采用树脂塞孔技术

建议所有8-10mil的过孔全部采用树脂塞孔技术。树脂塞孔为真空塞孔，过孔内100%填满树脂。相对于普通的绿油塞孔，树脂塞孔的优势非常明显，树脂塞孔为全塞，过孔内全部填满树脂，也就不会残留空气和水汽，从根本上避免了水汽对孔壁的腐蚀，提升了过孔的长期可靠性，也就大大提升了板卡的使用寿命。

4、采用POFV技术

56G Serdes信号的收发端（交换芯片端和光模块端）采用POFV（Plated over Filled Via）设计，也就是Via in pad技术，信号的换层过孔直接打在零件封装的焊盘上。这样既节省了PCB布局布线的空间，又极大提升了SI和PI的性能，一举两得。生产中，钻孔环节完成之后，接着进行孔壁沉铜，之后树脂塞孔，然后电镀填平，处理之后丝毫不会影响SMD器件的贴装。