信创服务器板一站式解决方案
一、兴森服务器板一站式解决方案
如果说第一期兴森大求真所介绍的全光网络是数据传输的血脉，服务器则是数据计算的大脑。尤其2020年进入信创元年，这个“大脑”的地位更是举足轻重。
服务器需要不断提升数据计算能力，导致PCB板 多种互连总线不断提速、pin脚规模不断提升，单板尺寸更大、更复杂，面临巨大挑战。
兴森科技针对国内外主流CPU平台的服务器板，可提供一站式解决方案，以整体硬件需求为导向，集成设计、生产、采购、贴装、测试、组装六大环节，提供从试产到批量制造的整体硬件解决方案，提升开发效率、缩短开发周期，帮助企业从原理方案到产品上市的快速跨越，助力电子科技持续创新。
本文《兴森服务器板一站式解决方案》，将重点讲解服务器主板的多总线SI/PI设计和仿真要点及后端PCB和SMT制造的挑战如何突破。
二、服务器PCB的设计及仿真
2.1
服务器PCB互连特点
如下图所示，服务器主板的互连特点是总线类型多，并且速率不断提升，例如内存总线DDR4→DDR5演进，Serdes总线从56Gbps→112Gbps演进。本文将重点介绍DDR并行总线、PCIe5.0的高速SI设计仿真，以及电源PI设计仿真。
服务器主板互连总线示意图
兴森科技针对国内外各大主流CPU平台，已经有近二十年设计经验。CPU和主板性能不断提升，给PCB的设计带来三大挑战：1.规模大。兴森科技每年设计7000款板卡，连接点平均规模为2500pins，服务器主板动辄大于30000pins，单板器件超过10000个也不稀奇。2、难度高。以X86 CPU平台为代表，服务器主板部分移植芯片Layout的极致设计理念，以确保大批量出货的一次直通率。3、要仿真。服务器主板高速、高密、大电流技术普遍存在，SI和PI仿真必须为设计全流程保驾护航。
2.2
CPU&内存并行总线设计及仿真
DDR演进如表1所示，DDR3至DDR5供电电压越来越低，速率越来越快，对信号质量要求越来越高。
表1 DDR并行总线演进
兴森对DDR内存总线的设计和仿真方法总结如下
2.3
PCIe5.0高速串行总线设计及仿真
服务器PCIe总线演进如表2所示。其中PCIe 5.0 CPU处于产品化的阶段。PCIE5.0传输速率提升到32Gbps，链路设计及仿真要求：阻抗85Ω+/-5%；通道特性插损>-16dB@16GHz、回损<-6dB@16GHz（主板损耗+连接器损耗+插卡损耗）；时域眼图要求：最小眼高15mV，最小眼宽9.375ps。
兴森针对PCIe5.0的仿真案例如下图所示，经过仿真和设计优化后，结果满足协议要求。
兴森PCIe5.0仿真案例
2.4
服务器主板电源设计仿真（PI）
服务器PCB主板上电源输入为12V，然后由12V转换成各种电压给各个模块供电。服务器电源电压类型多达十多种，且载流大，如CPU核电需几百安的电流，故电源设计及仿真尤为重要。
服务器主板多种电源举例
电源仿真包含平面阻抗PDN仿真、直流压降仿真、电流密度和电热协同仿真 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、电容选型及其位置等对电源PDN的影响。通过仿真可得知超过目标阻抗的频点范围并针对性提出优化措施。对于CPU核电源，电流较大，平面阻抗目标较低。一般只能优化10MHz内的平面阻抗。
兴森平面阻抗PDN仿真案例
直流压降仿真：CPU核电源电流一般在100A甚至200A以上，需2个1/2/3Oz的电源平面层处理。层数越多、铜厚越厚压降越小，但成本越大。通过仿真可选择合适层叠和铜厚方案。
电流密度和电热仿真：可根据板卡铜皮电流和发热情况，选择合适层叠和铜厚方案。
兴森电流密度和电热仿真案例
2.5
兴森服务器板设计仿真总结
兴森针对服务器板建立了设计流程，并设置布局评审、布线评审，电气评审和工艺评审，以保障设计质量。围绕IC设计与晶圆制造工艺更替，CPU平台升级会带动服务器主板和其他配套子卡同步换代，兴森科技设计中心人力资源雄厚，工具软件齐全，可并发实施多个大型服务器项目运作，不断为国内外服务器产品客户提供优质的技术服务。
三、服务器PCB制造工艺挑战
设计仿真完成，输出各个图纸之后，还需要把图纸变成实物。在“兴森服务器板一站式解决方案”中，当然少不了PCB和SMT制造环节，才能给客户交付一个完整的单板。
兴森为服务器板配置了批量生产专线，在这里又遇到了哪些挑战？是如何突破的？
兴森服务器PCB制造是在宜兴硅谷完成的。宜兴硅谷主要为客户提供高端印制电路板的批量生产服务，月产值约8000万元，其中20%是服务器相关产品。
3.1
服务器主板PCB制造工艺挑战
主流CPU性能不断提升，其Pin脚规模不断增加，互连总线速率不断提升。导致PCB制造不断挑战 BGA高密出线、高速链路低损耗的能力极限。
3.2
0.94mm Pitch BGA出双线的挑战
目前主流平台服务器PCB以0.94mm pitch BGA出双线为主流设计。PCB工艺需要对层间对准度能力进行升级，达到背钻层偏≤4mil的要求。同时需要对电镀深镀能力、镀铜均匀性、线路制作 进行精细管控。本章节重点介绍层间对准度和精细线路的工艺控制方法。
1.层间对准度≤4mil的控制
层间对准度是多个工序公差叠加而成的结果，包括内层，压合、钻孔和背钻。为了满足服务器PCB层间对准度≤4mil，针对以上工序的特点，作者提出了自己的控制算法（图2），其中CCD钻孔和CCD背钻需要用到同一套CCD靶标。
在控制流程中，层压是关键工序之一。层压工序的子流程包括热熔、叠合、压合、打靶，每一个制造环节，都会对层间对准度造成较大的影响。部分高端服务器主板，层数和对准度要求更高的话，需要用Pin-Lam方式制作。
2.精细线路的控制
0.94mmpitch BGA布两线的设计，内外层线宽线距均设计为3.5/4mil。宜兴硅谷专门引进了 大尺寸高精度的全自动连线LDI曝光机、真空蚀刻线、脉冲VCP电镀等先进设备，以满足服务器主板等高端PCB的设计需求。兴森宜兴硅谷PCB最大尺寸可以做到720mm，内层线路批量能力达到线宽/线距3/3mil，外层线路批量能力达到线宽/线距3.5/3.5mil。
3.3
高速链路低损耗的挑战
高速链路低损耗：随着服务器传输速率的不断提高，例如PCIe5.0速率达到32Gbps，IO总线速率从56向112Gbps演进。服务器PCB制作过程中希望链路损耗越低越好。例如Eagle Stream平台在12.89GHz频率下，要求带状线信号损失≤0.83dB/inch，微带线信号损失≤1.48dB/inch，除了材料选择和常规阻抗控制参数的管控外，线路精度/粗糙度和背钻stub的控制也尤为关键。
1.背钻Stub≤10mil的控制
背钻制作中，可采用板厚分堆、板边设计背钻切片陪片的生产方式，并采用高精度背钻设备，控制背钻stub≤10mil。在背钻检测方面，引进背钻检查机，利用光学原理，可检查背钻偏位、毛刺，堵孔等情况，对背钻品质控制提供有力保障。
2.低粗糙度棕化
因高速信号传输的“趋肤效应”，导体表面粗糙度越大，信号损失越大。可采用低粗糙度棕化药水，该棕化药水的咬蚀深度只有0.8-1.4um，经研究测试，同种条件下比对，在保障压合质量的同时，比普通棕化药水的信号损失减少3-5%
3.4
高端单板PCB制造总结
高端单板PCB主要包括服务器主板、通信板等，需要不断提升单板数据容量，在不增加单板尺寸的前提下，则需扩展高速通道数量/密度和速率。本章节以服务器主板出双线为例，介绍了0.94mm pitchBGA出双线、高速链路低损耗的工艺挑战及其控制措施。
四、大尺寸单板SMT组装
服务器CPU性能提升，增加Pin脚规模，导致CPU封装尺寸逐渐增大。同时为了提升每块主板的计算能力，板内经常会采用多路CPU互连，例如双路甚至4路，导致单板尺寸也会变大。这给大尺寸单板SMT组装带来挑战，因为尺寸增加，再增加单板及封装的变形量，则带来应力失效的风险。如下表示意，某些CPU平台单板尺寸可到500mm以上，CPU封装尺寸60mm+，器件种类几百种。另外服务器主板的用量很大，经常需要厂家具备批量制造能力。本章节，以兴森为例，介绍其大尺寸SMT组装的应对措施。
4.1
服务器板SMT专线
针对服务器主板大尺寸、大批量的需求，兴森配置了高速SMT专线，在线配置设备主要有：锡膏印刷机→SPI检测→贴片机→炉前AOI→回流炉（14温区）→炉后AOI。线体的特点在于：载重>15KG，PCB尺寸>900*600mm，物料种类>400种，贴装精度：±0.03MM， 14温区氮气回流焊。
1.锡膏印刷
对SMT生产工序的质量管控至关重要。兴森会结合客户产品特点，定制钢网开孔文件，并且内部配置了激光切割+抛光等钢网生产工序，甚至制作特殊的阶梯钢网，以满足单板中特殊器件要求不一样厚度的锡量要求。
2.大尺寸的SPI锡膏检测设备
可以检测锡膏厚度，体积，以及是否存在短路、漏印、少锡、偏移等不良，及时拦截不良品。
3.高精度高速贴片机
共配置了4台AIMEX3,可满足>400种物料，整线可以实现CPH:7万点/H),最小贴装元件：01005(英制)，精度:±0.025mm。还可解决DIMM条的贴装问题。
4.14温区氮气回流：
大尺寸CPU和高密集DIMM贴装设计，对于回流焊过程的温度升温及降温的时间及速率要求严荷，需要14温区-氮气回流来实现。上线前，产线均会使用炉温测试仪检测炉温曲线，有效地避免氧化，确保可焊性。
4.2
SMT质量保障
针对这么复杂的单板，想达到高良率，需要有一套完善的质量保障体系。
1.除从硬件设备上，匹配服务器产品的生产能力要求，在生产过程设用专线，专人，专岗。通过首件检测,SPI,AOI,X-RAY,FCT功能测试等全流程制程监控，能够提前预防发现，拦截问题点 ，保障良率>98%
2.使用信息化系统（MES系统）涵盖全流程，能够有效地追溯订单进度，产品状态，防错料甚至于物料追溯。
3.“产品质量是设计出来的！”。NPI（新产品导入）过程中，凭借在可制造性设计方面的经验积累（如：器件选型，制程工艺，质量管控，交付）及专业的DFM分析软件，提前识别、预防制造环节可能出现的问题，并提出改进措施，有效地助力服务器产品的质量和研发效率提升。
本章节总结：应对服务器主板等复杂单板 大尺寸、多器件的挑战，不仅需要精良的工艺设备，更需依赖工艺控制能力的提升，以及质量体系的完善。
五、总结
针对服务器单板大尺寸、高复杂、大批量的特点，一站式解决方案中，不仅需要做好前端的仿真设计，也需要后端PCB和SMT制造匹配相应的工艺能力，并构建良好的质量及供应体系，才能满足客户需求。
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