Scott Jewler
Silicon Valley X-ray联合创始人
墨菲定律
倒霉！坏事又来了！正要构建完一个新的主干路由器/交换机，或正要升级完一块线路卡，偏偏这个节骨眼上又出错了。系统没法按目标数据传输率运行。最后期限即将来临，问题的根本原因却被掩藏在一大堆电子元件中。印制线路板组装之前，对所有集成电路都进行了速度测试，所以问题一定出在系统组装时，但是，究竟在哪里呢？
一段时间以来，印制线路板制造规范的控制主要依赖于板边取样测试。这种测试不但耗时，而且往往并不代表这块面板的实际情况，更不用说代表全部面板了。设计修改、线宽和间距变化以及层间错位都可能发生，因为供应商没有意识到这些变化对系统性能的影响。裸板电气测试方案维护困难、价格昂贵，并且只能提供有限的信息。工程师们不得不想办法投入大量资金用于板子开发和云服务器制造，并希望PCB按设计运行。
挑战日益困难
随着这一产业迅速迈进28 Gbps背板的全面部署，许多云硬件和PCB制造商正开始重拾信心，相信自己所开发的产品将按预期运作。56 Gbps背板指日可待，一些公司已经开始研发。线路卡当然也不甘落后。这些更高的数据传输速率，相应地也要求更严格的设计合规性和PCB工艺控制。
当然，这场硬仗主要靠设计师来打。单层板、盲孔等其他技术可以对PCB工艺误差进行补偿。但这是最合适或最划算的解决方案吗？现在是新一代计量工具的天下了，这些工具将帮助PCB制造商开发出更好的产品，网络设计者也可以让其产品大放异彩，而不必担心实际装配的线路板有差异。
背钻的两难境地
高速网络的导通孔短柱（via stub）长度一直是业界关注的问题。采用背钻方法缩短延伸到内部信号层的短柱长度，是一种相对经济有效的解决方案，已广泛应用于速率高达28 Gbps的网络。目标信号层焊盘的短柱通常在12mil内，使用测试样板的切片图，可以检查背钻后短柱长度。
然而，据一些制造商称，在56Gbps网络中需要控制短柱长度最大为6 mil。我表示怀疑，现在真出货了能在这么高速度下运行的背板吗？利用时域反射技术（TDR）逐网进行电气测试，可以提供一定程度的合规性测试，但这是否足够或实用呢？图1显示了一个典型的短柱背钻孔切片图。虽然用这种方法可以测量背钻精度，但它显然不足以满足新出现的精确性要求。
图1：背钻孔切片图
其他挑战
虽然短柱长度是高速PCB产生故障的罪魁祸首，但它们并不是唯一的问题。钻孔可能会钻偏，造成通孔碎片脱落。板角的取样测试不大可能提供关于这种缺陷的任何有用信息。即使很好地控制了短柱长度，其他方面也可能出错。实际的网络阻抗可能和设计值并不匹配。是否已经修改设计以实现设计的可制造性？线宽和间距的变化是否大于预期？无数小时的工程开发、数周数月的新产品发布，我们已经耗费了大量的时间寻求这些变化。而随着数据速率加速，这一挑战只会增加。
未来如何？
电子生态系统其他部分的调研表明，线路板制造的发展方向必须满足最苛刻客户的需求。前一段时间，半导体产业曾面临类似问题。现有的生产线监控系统无法侦测到导致设备故障的变化。科磊（KLA）公司和其他制造商引入了新的缺陷侦测和计量工具。这些工具未曾进入过生产区域以外的测量实验室，而是直接进入生产线，并集成到了工艺流程中。通过把实时计量集成到制造业中，半导体制造商已经能够在相同的空间内封装越来越多的电路，从而提高运行速度并降低功耗。
PCB制造业计量测试
即使逐网电气测试更具成本效益，但这充其量只是一种在大批量集成电路中抓出不合格板的筛选工具。钻孔表面检测有所帮助，但随着板的层数增加，信号层在全栈中的位置变化越来越大。
印制线路板的结构和推动过程控制改进所需的测量，明确指向一个穿透式计量解决方案，可以穿透板叠层，侦测到不合格的短柱长度或没对齐造成的碎片脱落。但是，为什么不预先准确测绘好信号层在整个高速板区域的实际位置呢？这些信息不是明显会让背钻更精确吗？
图2：多层印制线路板的X光，对各个信号层进行宽动态检测
高速X光计量
X光工具用于PCB组装已经有很长一段时间。这些系统速度极快，但没有提供足够的分辨率来推动上述改进。一些PCB制造商正在安装高分辨率X光系统以进行故障分析，但是这些工具太慢，无法为单独一块板上的成千上万的高速网络上提供有用的数据，更不用说每天生产数以百计块板的生产线了。但是，一种新的X光技术已经进入市场，同时具有高速度和高分辨率。通过把先进的图像分析和机器学习软件与这种新型的高速X光解决方案结合起来，一个高速X光时代在向我们迈进！目前具有这些功能的工具还在开发阶段，预计将于2018年第一季度商用。
这对PCB制造商意味着什么？
1. 短柱合规性。出货板不再只有板边取样测试数据。出货前，100%高速网短柱都会通过快速准确的测量。
2. 不再有背钻没对齐产生的碎片。碎片是杀手级问题，会在板上随机出现。随着层数增加，背钻对准变得更困难。同时，更加密集的设计限制了可用于背钻的钻头尺寸，减少了更多的设计余量。
3. 56 Gbps及更高的高速板不再有短柱长度限制。现在的最新技术对短柱长度的限制大概是最长为7 mils。对PCB行业来说，继续缩短短柱的技术是非常重要的。这只能通过层叠信号层的线路测绘来实现。高速X光计量是唯一可行的办法，可以测绘信号层在板堆叠中的位置，并把相关信息加入钻孔设定方案，从而分别定位好各个网络的钻孔深度。
客户怎么看？
1. 缩短上市时间。高速X光是确保成品板尺寸与设计尺寸相符的唯一方法。新产品导入（NPI）可以在单个周期内快速找出任何性能问题的原因。
2. 更多的设计余量。设计师可以使用设计余量优化成本和性能，而不只是用于调整制造不良的线路板。
3. 实际使用中的可靠性。当制造商销售可以现场升级的路由器或交换机时，他们必须知道，背板会在比原来发货时更快的速度下运行。换线路卡最终变成全部更换，对每个人而言都是一个可怕的结局，这种情况可以通过加强PCB制造工艺控制和确保产品合规性来避免。
结论
电子行业的特点是规模和性能的持续改进。随着行业进步，拐点出现了，用同样的方式做事，但却再也不能取得满意的结果。我们现在正处于高速网络应用的时代，而对这些更严格规范的板卡的数量需求只会继续增长。高速X光计量提供实际信号层的线路测绘，以加强定位、短柱合规性测试以及与设计相符的其他特性。
