Materiales para PCB de servidores de IA: laminados de baja pérdida, apilamiento, análisis térmico y guía de PCBA.

Seleccionar Materiales para PCB de servidores de IA No es lo mismo que elegir un laminado FR-4 normal. El hardware de los servidores de IA combina canales SerDes de alta velocidad, suministro de energía para GPU o aceleradores, gran cantidad de capas, enrutamiento BGA denso, planos de cobre gruesos, control estricto de la impedancia y fiabilidad térmica a largo plazo en un solo sistema de placa. Si se selecciona un material de PCB incorrecto, el problema puede manifestarse como pérdida de inserción, diagramas de ojo cerrado, impedancia inestable, aumento excesivo de temperatura, fatiga de las vías, riesgo de CAF, deformación, defectos de ensamblaje o retraso en la producción debido a la falta de disponibilidad del laminado requerido.

Esta guía está escrita para ingenieros, empresas emergentes de hardware, equipos de compras y gerentes de producto que buscan respuestas prácticas a preguntas como: ¿Qué material de PCB debo usar para una placa de servidor de IA? ¿Es suficiente con FR-4? ¿Cuándo necesito Megtron, Tachyon, Astra, Rogers u otro laminado de baja pérdida? ¿Cómo afectan Dk, Df, la rugosidad del cobre y el tejido de fibra de vidrio a los canales de 112G o 224G? ¿Qué debo preguntarle a un fabricante de PCB antes de definir la configuración de capas?

Highleap Electronics es una fábrica de fabricación y ensamblaje de PCB. Para proyectos de servidores de IA, GPU, aceleradores, redes y computación de alto rendimiento, el enfoque correcto no consiste en seleccionar un material de forma aislada. El material debe evaluarse junto con la velocidad de la señal, la longitud del canal, el número de capas, la estructura de impedancia, el peso del cobre, la estructura de las vías, el proceso de laminación, el perfil de soldadura y los requisitos del encapsulado del componente.

¿Qué necesitan resolver los materiales de PCB para servidores de IA?

Los servidores de IA someten a los materiales de las placas de circuito impreso (PCB) a un estrés inusual, ya que la placa no solo sirve como soporte mecánico para los componentes, sino que también forma parte del canal eléctrico, la red de suministro de energía, la ruta de disipación de calor y la estructura de fiabilidad. El material afecta directamente a la pérdida de señal, la estabilidad de la impedancia, la desviación de la temporización, la dilatación térmica, la resistencia de la soldadura y el rendimiento final de la producción.

Una placa de circuito impreso (PCB) industrial convencional se suele seleccionar en función de la temperatura de transición vítrea (Tg), el peso del cobre, el grosor de la placa y el coste. Una PCB para servidores de IA requiere un análisis mucho más exhaustivo. El material debe soportar la comunicación digital de alta velocidad entre GPU, CPU, dispositivos de memoria, retemporizadores, conmutadores, tarjetas de red, placas base, controladores de almacenamiento y módulos de alimentación. La placa puede contener docenas de capas, múltiples ciclos de laminación, vías ciegas y enterradas, perforación posterior, enrutamiento de escape BGA muy denso y grandes rutas de corriente.

Lo más importante es que el material de PCB para servidores de IA óptimo depende de la función de la placa. Una placa base para GPU, una tarjeta aceleradora, una placa de conmutación, un backplane, un controlador de almacenamiento y una placa de distribución de energía no siempre requieren el mismo laminado. Utilizar un material de ultrabaja pérdida en todas partes puede aumentar innecesariamente el costo. Usar FR-4 estándar en capas críticas de alta velocidad puede provocar fallas eléctricas. Un buen plan de materiales separa las capas críticas de las no críticas y crea una estructura que satisface tanto los requisitos de ingeniería como los de producción.

Requisitos de materiales para diferentes placas de servidor de IA

Un servidor de IA contiene varios tipos de placas de circuito impreso (PCB). Cada placa presenta un equilibrio diferente entre integridad de la señal, suministro de energía, carga térmica y sensibilidad al costo. Antes de elegir un laminado, identifique el tipo de placa y las interfaces que incluye.

Por eso, una búsqueda de "materiales para PCB de servidor de IA" no se puede responder con un solo nombre de material. La respuesta correcta comienza con el mapa de señales. ¿Qué capas llevan pares diferenciales de 112G o 224G? ¿Qué pistas son lo suficientemente cortas como para tolerar un material de menor costo? ¿Qué capas son principalmente de alimentación o de control de baja velocidad? ¿Qué secciones requieren un alto peso de cobre? ¿Qué BGA requieren HDI? Un fabricante de PCB debe revisar estas preguntas antes de recomendar una configuración de capas.

Cómo elegir laminados de baja pérdida para placas de circuito impreso de servidores de IA

Las propiedades de materiales más buscadas para PCB de servidores de IA son: Dk y DfLa constante dieléctrica (Dk) afecta la impedancia y el retardo de propagación. El factor de disipación (Df) afecta la pérdida dieléctrica. A altas frecuencias, una pequeña diferencia en Df puede convertirse en una gran diferencia en la pérdida del canal, especialmente cuando la longitud de la pista es larga o cuando el canal incluye conectores, vías, encapsulados y repetidores.

Para el hardware de servidores de IA, la selección del laminado debe basarse en el presupuesto total de canales, no solo en el valor de la hoja de datos. Un material con un Df más bajo generalmente ofrece un mejor rendimiento en cuanto a pérdidas, pero el resultado final de la placa también depende de la rugosidad del cobre, el grosor del dieléctrico, el tejido de fibra de vidrio, la geometría de las pistas, las transiciones de las vías, el taladrado posterior, la calidad del conector y la tolerancia de fabricación.

Las familias de materiales para PCB de alta velocidad más comunes en proyectos de servidores, redes y computación de alto rendimiento (HPC) incluyen las series Panasonic MEGTRON, Isola Tachyon e I-Tera, Isola Astra MT77, materiales de alta frecuencia Rogers, materiales AGC y otros sistemas CCL de baja pérdida homologados. Sin embargo, no se debe considerar que los nombres de los materiales sean sinónimos. Incluso cuando dos materiales tienen valores Df similares, pueden diferir en Dk, opciones de lámina de cobre, fluidez de la resina, disponibilidad de espesor, CTE, comportamiento de laminación, resistencia al despegue y disponibilidad a largo plazo.

Lámina de cobre, tela de vidrio, sistema de resina y diseño de apilamiento.

En los materiales de PCB para servidores de IA, el laminado es solo una parte de la ecuación de rendimiento. La lámina de cobre, la tela de fibra de vidrio y el sistema de resina son igualmente importantes. Muchos fallos de integridad de la señal se producen porque el equipo de diseño comprueba Dk y Df, pero ignora la rugosidad del conductor, la asimetría del tejido de fibra de vidrio o el comportamiento de la estructura híbrida.

1. Lámina de cobre: ​​por qué es importante la tecnología HVLP.

A frecuencias multi-GHz, la corriente de señal fluye cerca de la superficie del conductor. El cobre rugoso aumenta la trayectoria efectiva de la corriente y, por consiguiente, las pérdidas del conductor. Por ello, las placas de circuito impreso (PCB) de servidores de IA de alta velocidad suelen requerir cobre de perfil muy bajo (VLP), cobre HVLP u otras opciones de cobre liso equivalentes. En canales largos de 112G o 224G, la rugosidad del cobre puede contribuir significativamente a las pérdidas de inserción.

Al revisar la lámina de cobre, compruebe lo siguiente:

• Ya sea que el material utilice cobre estándar, RTF, VLP, HVLP o HVLP3.
• El valor de rugosidad utilizado en el modelo de integridad de la señal.
• Si la opción de lámina de cobre está disponible para el espesor de laminado y el peso de cobre requeridos.
• Si la lámina seleccionada mantiene una resistencia al despegue suficiente después de su fabricación y ensamblaje.
• Si el fabricante de PCB puede controlar el grabado para lograr las líneas finas y la tolerancia de impedancia requeridas.

2. Tela de vidrio: asimetría y estabilidad de impedancia

El tejido de vidrio genera variaciones dieléctricas locales debido a que la señal puede pasar por haces de vidrio y áreas ricas en resina. A velocidades bajas, esto puede ser aceptable. Sin embargo, a velocidades de datos de servidores de IA, especialmente en pares diferenciales más largos, la distorsión del tejido de vidrio puede reducir el margen de temporización y la apertura del diagrama de ojo.

Las configuraciones de apilamiento de servidores de IA suelen utilizar vidrio extendido, vidrio de baja constante dieléctrica (Dk) o vidrio de tejido cuadrado para crear un entorno dieléctrico más uniforme. El enrutamiento de pares diferenciales con un ligero ángulo, el uso de preimpregnados adecuados y el mantenimiento de una geometría de pares consistente también pueden ayudar a reducir la asimetría. Estas decisiones deben considerarse durante el diseño del apilamiento, en lugar de una vez finalizado el diseño de la placa de circuito impreso (PCB).

3. Sistema de resina: comportamiento térmico y de procesamiento

El sistema de resina afecta a Df, Tg, Td, absorción de humedad, resistencia CAF, fluidez de la resina y calidad de laminación. En el caso de las placas de circuito impreso para servidores de IA, la resina debe soportar múltiples exposiciones térmicas: laminación de la placa, curado de la máscara de soldadura, procesamiento del acabado superficial, soldadura por reflujo y funcionamiento a largo plazo en un entorno de servidor de alta temperatura.

Entre las preguntas importantes relacionadas con la resina se incluyen:

• ¿El material es compatible con múltiples ciclos de laminación?
• ¿El material tiene una temperatura de transición vítrea (Tg) y una temperatura de descomposición adecuadas para el perfil de ensamblaje?
• ¿Tiene baja absorción de humedad para reducir el riesgo de reflujo y de fallos de fiabilidad?
• ¿Es resistente a la CAF para estructuras densas de alto voltaje o con espaciado fino?
• ¿Puede el preimpregnado proporcionar suficiente flujo de resina alrededor del cobre grueso y las capas internas complejas?

4. Apilamientos híbridos: rendimiento sin costes innecesarios

Muchas placas base para servidores de IA utilizan configuraciones híbridas. Las capas críticas de alta velocidad emplean materiales de baja o ultrabaja pérdida, mientras que las capas de menor velocidad o de alimentación/control utilizan materiales FR-4 de alta Tg o baja pérdida, que resultan más económicos. Este enfoque puede reducir costes, pero requiere un diseño cuidadoso.

La construcción híbrida plantea interrogantes adicionales sobre el proceso de fabricación:

• ¿Los materiales tienen valores de CTE compatibles?
• ¿Funcionará el ciclo de prensado para todos los núcleos y preimpregnados de la pila?
• ¿El flujo de resina será suficiente alrededor de las capas con alto contenido de cobre?
• ¿La placa permanecerá plana después de la laminación y el proceso de reflujo?
• ¿Puede el fabricante mantener la tolerancia de registro e impedancia en todo el proceso de fabricación?

Una configuración híbrida no debe considerarse una simple sustitución para ahorrar costes. Debe ser simulada, calculada y revisada por el fabricante de PCB antes de la publicación del diseño.

Desafíos térmicos, de suministro de energía y de confiabilidad

Las placas base para servidores de IA presentan una densidad de potencia muy alta. Las GPU, los aceleradores, los conmutadores de alta velocidad, los dispositivos de memoria, los VRM y los módulos ópticos o de red pueden generar puntos calientes localizados. La selección del material de la PCB influye en cómo la placa gestiona el calor, tanto mecánica como eléctricamente, incluso cuando el método principal de refrigeración es un disipador, una placa fría o un sistema de refrigeración líquida.

Suministro de energía y planificación del cobre

La entrega de corriente elevada requiere planos de cobre de baja resistencia, un diseño preciso de las vías y un desacoplamiento suficiente. En las placas de aceleradores de IA y GPU, la planificación del cobre no solo se centra en la capacidad de corriente, sino que también afecta al grosor de la placa, el equilibrio de laminación, la perforación, el chapado, la uniformidad del grabado, la deformación y el rendimiento de la soldadura.

Entre las consideraciones clave sobre los materiales para el suministro de energía se incluyen:

• Distribución del peso y del plano del cobre en la capa interna.
• Caída de tensión y resistencia de CC de las trayectorias de alimentación.
• Aumento de temperatura alrededor de los VRM, los pines de alimentación de la GPU y los conectores de alta corriente.
• Número de vías, tamaño de las vías, espesor del recubrimiento y comportamiento de reparto de corriente.
• Si las capas gruesas de cobre provocan una deficiencia de resina o huecos en la laminación.

Fiabilidad del CTE del eje Z y de los orificios metalizados pasantes

Las placas de circuito impreso (PCB) para servidores de IA con un elevado número de capas pueden sufrir fatiga en las vías debido a que el núcleo de cobre metalizado y el laminado se expanden a ritmos diferentes durante los ciclos térmicos. Los materiales con un coeficiente de dilatación térmica (CTE) en el eje Z más bajo y controlado ayudan a reducir la tensión en los orificios pasantes metalizados y las vías. Esto es especialmente importante para placas base, placas intermedias, placas de conmutación y placas aceleradoras gruesas que experimentan ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento durante su funcionamiento.

Vías térmicas, monedas de cobre y rutas de calor localizadas

Algunas placas de servidores de IA requieren matrices de vías térmicas, áreas de cobre grueso, monedas de cobre, inserciones metálicas o características de disipación térmica localizada. Estas estructuras deben planificarse teniendo en cuenta el material y el proceso de laminación. Una moneda de cobre o un área de cobre grueso puede ayudar a disipar el calor, pero también puede generar desajustes en el coeficiente de dilatación térmica (CTE), desequilibrios en la soldadura o problemas de planitud si no se diseñan para facilitar su fabricación.

Fiabilidad de absorción de humedad y reflujo

La baja absorción de humedad es fundamental para las placas de circuito impreso (PCB) de servidores de IA de alta fiabilidad. La humedad en el interior del laminado puede aumentar el riesgo de deslaminación, agrietamiento, ampollamiento u otros defectos por estrés térmico durante la soldadura. Esto cobra mayor importancia cuando la placa es gruesa, tiene muchas capas, está fabricada con materiales híbridos o se ensambla con BGA de gran tamaño y componentes de alta masa térmica.

Consideraciones sobre la fabricación y el ensamblaje de placas de circuito impreso

Un material que luce excelente en la ficha técnica puede fallar en la producción si resulta difícil de fabricar o ensamblar. Los materiales para PCB de servidores de IA deben evaluarse considerando todo el proceso de fabricación: perforación, descontaminación, recubrimiento, impresión, grabado, laminación, perforación posterior, acabado superficial, máscara de soldadura, enrutamiento, pruebas eléctricas y ensamblaje final de la PCB.

Riesgos de fabricación de PCB

Riesgos de ensamblaje de PCB

Dado que Highleap Electronics ofrece tanto la fabricación como el ensamblaje de placas de circuito impreso (PCB), la revisión de materiales también debe incluir el proceso de ensamblaje. Una placa de servidor de IA gruesa con BGA de gran tamaño, cobre grueso, conectores de alta masa térmica y componentes sensibles de alta velocidad puede requerir un perfil de reflujo personalizado y un control preciso de la deformación.

• Deformación de BGA: Los encapsulados grandes de GPU, CPU, FPGA o conmutadores requieren una buena planitud de la placa y un control de reflujo estable.
• Desequilibrio de masa térmica: Las zonas con mucho cobre y los conectores grandes pueden provocar un calentamiento desigual durante la soldadura.
• Control de humedad: Para componentes que requieren alta fiabilidad o son sensibles a la humedad, puede ser necesario hornearlos, almacenarlos y manipularlos cuidadosamente.
• Limpieza: Los paneles de alta densidad pueden requerir un control estricto de la contaminación iónica para reducir las fugas y los riesgos relacionados con la CAF (filtración de aire comprimido).
• inspección: La inspección por rayos X es importante para las uniones BGA, las vías integradas en las almohadillas y las uniones de soldadura ocultas.
• Limitación de reelaboración: La modificación de componentes BGA de gran tamaño en placas base de servidores de IA de alto valor debe planificarse cuidadosamente, ya que la exposición repetida al calor puede dañar el laminado.

Riesgo de suministro, control de costes y planificación de fuentes alternativas

Los materiales para placas de circuito impreso de servidores de IA suelen ser más difíciles de conseguir que los laminados estándar. El CCL de alto rendimiento, los preimpregnados especiales, la lámina de cobre HVLP y ciertos tipos de vidrio pueden tener plazos de entrega más largos, cantidades mínimas de pedido o límites de asignación. Un diseño que dependa de un material escaso sin sustituto aprobado puede retrasar un programa de hardware completo.

Lo más seguro es crear una estrategia de materiales durante la fase de diseño, no después de finalizar los archivos Gerber. Esta estrategia debe incluir un material preferido, una alternativa aprobada, una revisión de disponibilidad, una comparación de costos y la confirmación eléctrica.

La cualificación de segunda fuente no consiste simplemente en sustituir una marca por otra. Significa confirmar que el material sustituto cumple con los mismos requisitos eléctricos, térmicos, mecánicos y de fabricación. En el caso de las placas de circuito impreso para servidores de IA, incluso pequeñas diferencias en el grosor del dieléctrico, Dk, Df, la rugosidad del cobre o el comportamiento de la resina pueden alterar el resultado final.

Qué enviar a Highleap Electronics para una revisión de materiales

Para recomendar los materiales adecuados para la placa de circuito impreso (PCB) del servidor de IA, Highleap Electronics necesita más que un esquema de la placa o un archivo Gerber. Cuanto antes comience la revisión de materiales, más fácil será reducir costos, mejorar el rendimiento y evitar rediseños.

Para una revisión rápida y útil, envíe la siguiente información:

• Función de la placa: Tarjeta GPU, tarjeta aceleradora, PCB de conmutación, placa posterior, placa base, NIC, controlador de almacenamiento o placa de alimentación.
• Tasa de datos objetivo: Generación de PCIe, velocidad de Ethernet, velocidad de SerDes, requisito de 112G/224G u otra interfaz de alta velocidad.
• Número estimado de capas y grosor de la placa: Incluya las capas de impedancia y los planos de potencia necesarios.
• Material preferido: Si su diseño ya especifica Megtron, Tachyon, Astra, Rogers, AGC, Shengyi u otro laminado, proporcione el número de pieza exacto si está disponible.
• Tabla de impedancia controlada: Impedancia diferencial y de terminación simple, tolerancia, capas de referencia y geometría de la pista, si ya están definidas.
• Apilamiento o apilamiento preliminar: Espesor del núcleo/preimpregnado, peso del cobre y asignación de capas de alta velocidad.
• Detalles de BGA: Lanzamiento, número de bolas, tamaño del paquete, requisito de vía en la almohadilla y restricciones de enrutamiento de escape.
• Requerimientos de energía: Rieles de alta corriente, peso del cobre, zonas térmicas, corriente del conector y problemas de caída de tensión.
• Información de montaje: Lista de materiales (BOM), archivo de colocación, encapsulados BGA de gran tamaño, almohadillas térmicas, sensibilidad al reflujo y requisitos de inspección.
• Plan de producción: Cantidad de prototipos, producción piloto, previsión de producción en masa y fecha de entrega prevista.

Preguntas frecuentes sobre materiales para PCB de servidores de IA

¿Cuál es el mejor material para placas de circuito impreso (PCB) para servidores de IA?

No existe un único material óptimo para todas las placas de servidores de IA. Las placas de GPU, las placas aceleradoras, las placas de conmutación, los backplanes, las NIC y las placas de alimentación tienen requisitos diferentes. Las capas críticas de alta velocidad suelen necesitar laminados de baja, muy baja o ultrabaja pérdida con cobre liso. Las secciones de alimentación o control de baja velocidad pueden utilizar materiales FR-4 de alta Tg o modificados cuando los requisitos eléctricos y térmicos lo permiten.

¿Pueden las placas de circuito impreso de los servidores de IA utilizar el estándar FR-4?

El FR-4 estándar puede ser aceptable para control de baja velocidad, alimentación simple o secciones no críticas, pero generalmente no es adecuado para rutas SerDes largas de alta velocidad en sistemas de servidores de IA. Para canales de alta velocidad de 112G, 224G o similares, el diseño normalmente requiere un laminado de menor pérdida, cobre más liso y mejor estabilidad Dk.

¿Por qué son importantes Dk y Df para los materiales de PCB de los servidores de IA?

Dk afecta la impedancia y el retardo de propagación de la señal. Df afecta la pérdida dieléctrica. En las placas de circuito impreso de los servidores de IA, los canales de alta velocidad operan a frecuencias donde la pérdida dieléctrica y la pérdida del conductor pueden reducir el margen de señal. Un valor estable de Dk y un bajo valor de Df ayudan a mantener una impedancia controlada y a reducir la pérdida de inserción.

¿Qué tipo de lámina de cobre se debe utilizar para las placas de circuito impreso de servidores de IA de alta velocidad?

Las placas de circuito impreso (PCB) para servidores de IA de alta velocidad suelen utilizar láminas de cobre VLP, HVLP u otras láminas de cobre de bajo perfil para reducir las pérdidas por conducción. Cuanto más lisa sea la superficie del cobre, menores tenderán a ser las pérdidas por conducción a alta frecuencia. La lámina adecuada debe seleccionarse en función del laminado, la velocidad de la señal, la longitud de la pista y el proceso de fabricación.

¿Qué es la inclinación del tejido de vidrio y por qué es importante?

La distorsión de la trama de vidrio se produce cuando dos pistas de un par diferencial experimentan entornos dieléctricos diferentes debido a la estructura de fibra de vidrio tejida en el laminado. A altas velocidades de datos, esto puede generar desajustes de temporización y reducir el margen de ojo. El uso de fibra de vidrio extendida, fibra de vidrio de baja constante dieléctrica (Dk), un tipo de preimpregnado adecuado y una estrategia de enrutamiento apropiada pueden ayudar a reducir este riesgo.

¿Son las configuraciones híbridas adecuadas para las placas de circuito impreso de servidores de IA?

Sí, las configuraciones híbridas son comunes cuando el diseño requiere equilibrar el rendimiento a alta velocidad con el costo. La clave está en colocar materiales de baja pérdida solo donde sean necesarios y usar materiales más económicos en otros lugares. Sin embargo, los materiales híbridos deben tener un comportamiento de laminación, un coeficiente de expansión térmica (CTE) y un proceso de fabricación compatibles.

¿Qué otras propiedades del material se deben comprobar además de Dk y Df?

Entre las propiedades importantes se incluyen Tg, Td, T288, coeficiente de dilatación térmica en el eje Z, absorción de humedad, resistencia a la fatiga por contacto, resistencia al despegue, contenido de resina, rugosidad de la lámina de cobre, disponibilidad de preimpregnados y compatibilidad con múltiples ciclos de laminación. Estas propiedades influyen en el rendimiento de la fabricación, la fiabilidad del ensamblaje y el funcionamiento a largo plazo.

¿Cuándo se debe hablar de la selección de materiales con el fabricante de la placa de circuito impreso?

Siempre que sea posible, la selección de materiales debe discutirse antes del diseño final. En las placas de circuito impreso para servidores de IA, el material influye en el ancho de las pistas, el espaciado, la impedancia, el grosor de las capas, la estructura de las vías, el taladrado posterior y el coste. Si se cambia el material después del diseño, puede ser necesario recalcular la configuración de capas y la integridad de la señal.

¿Qué archivos se necesitan para obtener un presupuesto de material para la placa de circuito impreso (PCB) de un servidor de IA?

Para la cotización y la revisión de ingeniería, envíe archivos Gerber u ODB++, la configuración de capas, los requisitos de impedancia, las preferencias de material, los archivos de perforación, el grosor de la placa, el peso del cobre, el acabado superficial, la lista de materiales (BOM), el archivo de colocación de componentes y los requisitos de ensamblaje. Si el diseño no es definitivo, la información preliminar sobre la configuración de capas y la velocidad de la interfaz sigue siendo útil.

¿Puede Highleap Electronics ayudar tanto con la fabricación como con el ensamblaje de placas de circuito impreso?

Sí. Highleap Electronics ofrece servicios de fabricación y ensamblaje de PCB. Para proyectos de servidores de IA y computación de alto rendimiento, la revisión conjunta de la fabricación y el ensamblaje ayuda a reducir los riesgos relacionados con la selección de materiales, la deformación de la placa, la soldadura BGA, la masa térmica, la inspección y el rendimiento de la producción.