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)突破了單個領(lǐng)域的應(yīng)用，逐漸形成整個社會生產(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，為自然語言處理、計算機(jī)視覺、語音交互等人工智能應(yīng)用場景提供強(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)計方案、關(guān)鍵制作技術(shù)等做詳細(xì)介紹。

1 試驗部分

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)計特點(diǎn)。

（1）高頻、高速材料設(shè)計：采用M7N 高速板材，支持更高頻率的信號傳輸，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，一般來說，AI 服務(wù)器主板要比傳統(tǒng)服務(wù)器主板大許多，這主要是因為在其中要安裝更多的組件，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，縮短連線長度，滿足高速電路時序要求。

（4）背鉆孔：特定層信號傳輸，信號完整性。

（5）高厚徑比：更高的布線密度，更多的信號線路數(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)計技術(shù)

2.1.1 技術(shù)難點(diǎn)描述

對于非對稱疊構(gòu)設(shè)計的PCB 層壓結(jié)構(gòu)，芯板厚度上下不對稱，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、弓彎會在組裝元器件時引起偏移、虛焊等質(zhì)量問題。

為了改善以上問題，通常采用的處理方式主要包括：①延長層壓過程的參數(shù)時間，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，全部設(shè)計為圓點(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)計總共24 層，壓合板厚2.457 mm±0.174 mm。壓合疊構(gòu)設(shè)計采用N+C+N（10+4+10）的對稱設(shè)計方式，其中，10 層采用“1+8+1”的對稱設(shè)計方式、4 層采用2+2 對稱設(shè)計方式（其中“1”為單層銅箔層，“8”為4 套芯板，“2”為1 套芯板）。該設(shè)計為全流程對稱設(shè)計，在壓合過程中能充分均衡壓合過程中的壓力，保證表面的平整，保證壓合過程中的半固化片（prepreg，PP）充分、均勻地流動，改善了壓合過程中產(chǎn)生的翹曲、弓彎等問題，避免組裝元器件時de 偏移、虛焊等質(zhì)量問題。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，對位未調(diào)正；②油墨氣泡，油墨抽真空時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）過噴砂線：塞孔前過噴砂前處理且關(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，再從另外一面，控制塞孔速度10～40 mm/s；塞孔后，檢查兩面無樹脂塞孔凹陷、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）樹脂自動化光學(xué)檢測（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PCB 高速數(shù)字信號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，對信號線的串?dāng)_、反射和電磁干擾等信號問題提出了很高的要求。而信號完整性的控制與實現(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信號有很明顯的影響，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)計資料，發(fā)現(xiàn)阻抗條位于板邊靠近無銅區(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，同時提高效率42.9%。提升線速，減少微蝕對線路的影響。

（3）阻抗線設(shè)計加補(bǔ)：阻抗線設(shè)計時，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，但在實際生產(chǎn)過程中介質(zhì)厚度會存在不均勻的情況，偏厚就會導(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)整線寬的大小去對沖介質(zhì)厚度對阻抗的影響，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)計時，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；針對部分差分阻抗線，客戶設(shè)計的間隙較小，按照工廠能力正常補(bǔ)償后，生產(chǎn)制作能力無法滿足，此時需對差分阻抗進(jìn)行單測補(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)壓合制作過程中，出現(xiàn)了以下問題：①單元邊空曠區(qū)無銅皮導(dǎo)致失壓；②70 μm 內(nèi)層銅位置爆板；③材料流動性差，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)排板方式無法達(dá)到，導(dǎo)致樹脂流動度差。最終引起爆板、漏電、內(nèi)短等嚴(yán)重的質(zhì)量問題，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)，通過熔合預(yù)對位、熔＋鉚的方式排板（鉚釘使用階梯鉚釘）、M7N 壓合參數(shù)等操作，實現(xiàn)壓合后無爆板分層及漏電問題，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PP/芯板錯位后再熔合；熔合參數(shù)采用溫度設(shè)定（200±20）℃，恒溫時間（30±10）s，冷卻時間（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，無爆板分層及漏電問題。

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，需要過等離子除膠及活化。在等離子生產(chǎn)過程中，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)壁上安裝一面長方體的屏壁，長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，形成一個深50 mm的長方體容器，四周及屏壁另一側(cè)保留厚度10 mm（實際深度和余厚視抽真空氣壓及機(jī)臺本身具體情況而定，可改動），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（實際孔徑大小及孔數(shù)視具體情況可改動）［4］。

（2）屏壁與抽真空腔入口側(cè)壁形成一個與抽真空入口連通的封閉空間，抽真空時，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，處理時間27 min。段3：N22 000 mL/min，溫度控制50 ℃，電源功率7 000 W，處理時間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)整個制作流程，成功地制作出了預(yù)期產(chǎn)品，產(chǎn)品實物如圖5 所示。各項可靠性測試均合格，結(jié)果見表4。

圖5 產(chǎn)品實物與微切片

表4 產(chǎn)品可靠性檢測結(jié)果

4 結(jié)語

本文以一款整體24 層用于AI 服務(wù)器的多層PCB 為例，對其常見的制作難點(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。