10-laags AI-server PCB-ontwerp voor acceleratorhardware

"AI-server-PCB" is een systeemomschrijving, geen fabricageklasse. De term kan verwijzen naar een basisprintplaat, een accelerator-uitbreidingskaart, een CXL-geheugenmodule, een retimerkaart, een netwerkinterface, een optische-moduledrager, een managementcontroller, een stroomverdeelkaart of een kleine besturingskaart in een vloeistofkoelingssysteem. Deze producten hebben geen gemeenschappelijke kenmerken wat betreft het aantal lagen, laminaten, impedantietolerantie, HDI-opbouw of betrouwbaarheidsplan.

Een constructie met tien lagen kan geschikt zijn voor bepaalde AI-infrastructuurkaarten, maar mag niet worden aangeprezen als een universeel platform voor hoogwaardige accelerator-basiskaarten of schakelsystemen. Het juiste aantal lagen hangt af van de beschikbare ruimte voor componenten, het aantal kanalen, de vereisten voor het referentievlak, de stroomverdeling, de connectortopologie, de mechanische dikte en de kwalificatie-eisen. In veel gevallen is een conventionele kaart met twaalf, zestien of meer lagen minder risicovol dan het forceren van meerdere opeenvolgende HDI-cycli en gefragmenteerde stroomvlakken in tien lagen.

Deze handleiding legt uit waar tien lagen technisch haalbaar zijn en wat er vóór de fabricage moet worden aangeleverd. Vaststaande beweringen zoals "Tachyon is gelijk aan zes inch", "0.4 mm BGA vereist altijd 3+4+3" of "alle AI-boards vereisen Klasse 3" worden bewust vermeden. Die beslissingen horen thuis in het gepubliceerde kanaalmodel, de studie naar het ontsnappen van componenten uit de behuizing en de aanbestedingsdocumenten. Algemene richtlijnen voor de constructie zijn beschikbaar in de handleiding. Overzicht van de engineering van 10-laags printplaten, terwijl gedetailleerde elektrische werkzaamheden worden gedekt door de hogesnelheidskanaalgids.

Waar past een 10-laags printplaat in een AI-infrastructuur?

Tien lagen zijn het meest geloofwaardig wanneer de printplaat een beperkt aantal snelle interfaces heeft, een compact routinggebied en een voedingsarchitectuur die niet veel brede, geïsoleerde vlakken vereist. Voorbeelden hiervan zijn management- en BMC-kaarten, accelerator- of opslaguitbreidingskaarten met een beperkt aantal PCIe- of CXL-lanes, retimerkaarten, breakout-kaarten voor optische modules, CXL-geheugenuitbreidingsapparaten, netwerkinterface-subassemblages, ventilator- en pompcontrollers, telemetriekaarten en bepaalde producten voor stroomregeling.

Hetzelfde aantal lagen wordt lastig wanneer de printplaat meerdere zeer grote componenten moet bevatten, veel geheugenkanalen moet transporteren, talloze 112 Gb/s- of opkomende 224 Gb/s-klasse-lanes moet ondersteunen, meerdere hoogstroomrails moet aansturen of meerdere mezzanine- en optische interfaces met hoge dichtheid moet verbinden. In die gevallen kan het routing- en vlakoppervlak dat wordt ingenomen door antipads, via-velden en voedingseilanden ervoor zorgen dat tien lagen elektrisch kwetsbaar worden, zelfs als de sporen passen.

Bij de beslissing moeten minstens drie architecturen worden vergeleken: een conventionele printplaat met tien lagen, een HDI-printplaat met tien lagen en een conventionele printplaat met meer lagen. Het laagste aantal lagen is niet automatisch het goedkoopste of meest betrouwbare. Sequentiële laminering, laserboring, kopervulling en een lagere opbrengst kunnen de kosten van een extra paar conventionele lagen tenietdoen.

Classificeer het bord voordat u de stapel selecteert.

De configuratie van de printplaat moet worden gekozen op basis van de rol die deze in het systeem speelt. Een accelerator-uitbreidingskaart, een CXL-geheugenkaart en een optische-moduledrager kunnen allemaal AI-hardware worden genoemd, maar hun kritieke beperkingen verschillen.

Bestuurs- en controlecommissies

Deze printplaten worden doorgaans gedomineerd door microcontrollers, BMC-componenten, stroomsequencing, ventilator- of pompregeling, sensorinterfaces en netwerkverbindingen met gemiddelde snelheid. Een tienlaagse opbouw met een referentievlak kan zorgen voor schone retourpaden, isolatie tussen schakelende voeding en meetcircuits, en een voldoende stroomverdeling zonder gebruik te maken van hoogwaardig, verliesarm materiaal over de gehele printplaat.

PCIe- en CXL-apparaten

PCI Express- en CXL-verbindingen delen een fysieke basislaag, maar de geldende revisie en vormfactor zijn nog steeds van belang. PCIe 5.0 gebruikt 32 GT/s NRZ, PCIe 6.0 gebruikt 64 GT/s PAM4 en PCIe 7.0 versie 1.0 werd uitgebracht met 128 GT/s PAM4. CXL 4.0 werd uitgebracht in 2025. Deze feiten bepalen de signaalcontext; ze bieden geen universeel budget voor signaalverlies op de printplaat. De toepasselijke basisspecificatie, add-in-kaart of aangepaste topologie, connectormodel, plaatsing van de retimer en pakkettoewijzing moeten worden vastgesteld voordat de printplaatconstructie wordt gekozen.

Netwerk- en optische interconnectiekaarten

IEEE 802.3df-2024 standaardiseerde de doelstellingen en fysieke lagen van 400 Gb/s en 800 Gb/s Ethernet. Een printplaat die als "800G" wordt aangeduid, kan nog steeds verschillende aantallen lanes, elektrische bereiken, connectoren en optische-module-interfaces gebruiken. In deze revisie is IEEE P802.3dj nog bezig met de ontwikkeling van 1.6 Tb/s-werking en verdere fysieke lagen voor 200/400/800 Gb/s; ontwerpen die op deze standaarden voortbouwen, moeten de exacte conceptversie of klantvereiste vermelden. Op dezelfde manier maken OIF 224G-klasse projecten onderscheid tussen extra-korte, zeer-korte, middellange en lange bereiken in plaats van één universeel PCB-kanaal te definiëren.

Voor alle drie de printplaattypen heeft de leverancier de daadwerkelijke kanaaldefinitie nodig. Een marketinglabel zoals "Gen7", "800G" of "224G" is niet voldoende om een ​​lamineer- of achterboorproces vrij te geven.

Versnellerverpakking, HBM en de PCB-grens

Het high-bandwidth geheugen (HBM) dat door moderne accelerators wordt gebruikt, is normaal gesproken geïntegreerd met de processor via een geavanceerde behuizing, interposer of substraat op pakketniveau. De HBM-interface wordt daarom over het algemeen niet als een conventionele differentiële bus over de server-PCB geleid. De printplaat bevat de externe voeding, PCIe/CXL-, chip-to-chip-, management-, klok- en service-interfaces van de acceleratorbehuizing. Het behandelen van HBM-lanes als gewone striplines op een printplaat is een fundamentele architectuurfout.

De behuizingsgrens verandert het PCB-probleem op twee manieren. Ten eerste hoeft de printplaat geen ultrabrede HBM-interface te bevatten, maar moet deze nog steeds een zeer dichte BGA-uitgang en een hoogstroomvoedingsnetwerk ondersteunen. Ten tweede kunnen de behuizingsuitgang, de socket- of landgeometrie en de plaatsing van ontkoppelingselementen het aantal lagen bepalen, zelfs wanneer het aantal externe hogesnelheidskanalen bescheiden is.

Pakketinformatie die nodig is voor de bestuursplanning.

• Balkaart, speelveld, landdiameter en ontvolkingspatroon;
• Stroomvoorziening en baldistributie via rails;
• Externe hogesnelheidsbaanlocaties en referentiebalpatroon;
• toegestane fanout-, via-in-pad- en ontkoppelingszones aan de achterzijde;
• mechanische vergrendelingen, verstevigingen, koelplaten of koelplaatmontage;
• pakket- en breakoutmodellen voor kanaalsimulatie;
• Vereisten met betrekking tot het assemblageprofiel en de coplanariteit.

Een ontwerp met tien lagen moet vroegtijdig worden afgewezen als de BGA-ontsnappingsstudie de referentievlakken verbruikt, de stroomverdeling verstoort of meer opbouwlagen vereist dan het kwalificatieplan toelaat. 10-laags HDI-techniekhandleiding Dit verklaart waarom toonhoogte alleen niet voldoende is om 1+8+1, 2+6+2 of 3+4+3 te bepalen.

PCIe, CXL en Ethernet Channel Engineering

De haalbaarheid van hoge snelheden moet worden vastgesteld aan de hand van het complete kanaal: pakketdoorvoer, via-overgang, gerouteerde lijn, connector of kabelaanvoer, retimer (indien aanwezig) en ontvangerpakket. Materiaalkeuze is slechts één variabele.

Achterboren moet worden gespecificeerd wanneer de verwijderde, ongebruikte reststuk de kanaalvereiste overschrijdt en een blinde doorvoer niet de voorkeur geniet. De toelichting moet de boorzijde, de doellaag, de maximale resterende reststuklengte, de gereedschapsdiameter, de toegestane uitbreking en de verificatiemethode specificeren. Een vaste claim van "maximaal 3 mil" is niet geschikt voor elke paneeldikte en registratiemarge.

Evenzo moeten differentieel-paarmatching en rijstrookafstand afkomstig zijn van de geldende implementatie en het kanaalmodel. Regels zoals +/-1 mil intra-paar of 10W-afstand zijn geen universele indicatoren voor naleving. routegids legt uit hoe timing-, overspraak- en overgangsvereisten kunnen worden omgezet in lay-outbeperkingen.

Stapelopbouw, materiaalkeuzes en koperkeuzes

Een praktische AI-infrastructuur met tien lagen geeft vaak de voorkeur aan referentievlakken boven een maximaal aantal signaallagen. Een architectuur met vier signalen, vier aardingsvlakken en twee voedingsvlakken kan twee buitenste microstrip-lagen en twee goed gerefereerde stripline-lagen bieden, terwijl een brede vermogensverdeling behouden blijft. Opstellingen met zes signalen en vier vlakken bieden meer routeringscapaciteit, maar kunnen leiden tot aangrenzende signaallagen of een ontoereikend vlakoppervlak; ze mogen alleen worden gebruikt als het daadwerkelijke retourpad en het overspraakplan dit toelaten.

Materiaal met lage verliezen moet worden aangebracht waar het kanaalmodel aangeeft dat dit nodig is. Een hybride constructie kan een kern met lage verliezen en een verbindingssysteem gebruiken rond bepaalde snelle stripline-lagen, terwijl elders een ander compatibel systeem wordt gebruikt. De hybride constructie moet nog steeds voldoen aan de eisen met betrekking tot verlijming, boren, dimensionale beweging, koperhechting en thermische cycli. Twee laminaatfamilies in dezelfde verliesklasse zijn niet automatisch uitwisselbaar.

Invoergegevens voor materiaalvrijgave

• exacte goedgekeurde kwaliteit of goedgekeurde materiaallijst;
• kern- en prepregconstructie, harsgehalte en glassoort;
• koperprofiel gebruikt in het insertieverliesmodel;
• Ontwerp de Dk- en Df-bron, de methode en het frequentiebereik;
• Vervangingsbevoegdheid en herkwalificatieprocedure;
• thermische geschiedenis vanaf de opeenvolgende laminering, via vulling, afwerking en assemblage;
• beschikbaarheid, minimale afnamehoeveelheid en langetermijnleveringsbeperkingen.

De Handleiding voor 10-laags materialen Dit document beschrijft deze besturingselementen in detail. De gecontroleerde impedantie moet opnieuw worden berekend op basis van de voorgestelde productieconstructie en mag niet worden overgenomen uit een algemene tabel van 5 mil/50 Ω.

HDI, BGA Escape en Via Architecture

HDI is gerechtvaardigd wanneer het routingtoegang of elektrische prestaties creëert die een conventioneel via-veld niet kan bieden. De pinconfiguratie van het pakket, het aantal rijen, de stroombehoefte via de via's en de beschikbare signaallagen zijn belangrijker dan de pitch op zich.

Voor versneller-, retimer- en schakelpakketten kan via-in-pad worden gebruikt om breakout-kanalen te herstellen. De fabricagetekening moet onderscheid maken tussen met koper gevulde microvia's, niet-geleidende vulling, harsplug, planarizatie en koperen kap. Gestapelde microvia's vereisen structuurspecifiek betrouwbaarheidsbewijs, omdat de interface tussen gevulde via's en doelvlakken een vermoeiingspunt kan worden bij herhaalde thermische belasting.

HDI-printplaten met meerdere lagen mogen niet zomaar gekozen worden omdat ze beschikbaar zijn. Elke laag voegt beeldvorming, laminering, laserboring, metallisatie en vaak kopervulling/planarizatie toe. Bij het ontwerp moet een conventionele printplaat met meer lagen worden vergeleken met een complexe HDI-printplaat met tien lagen, waarbij niet alleen het nominale aantal lagen, maar ook routing, opbrengst, betrouwbaarheid en kosten in aanmerking worden genomen.

HDI-releasecontroles

• Toon alle blinde, verborgen, overslaande en doorgaande trajecten in de boortabel;
• Identificeer gestapelde en verspringende relaties per laag;
• Bevestig de diameter van de microvia's, de dikte van het diëlektricum en het opvanggebied als één procesvenster;
• Definieer de eisen voor vulling, afdekking, kuiltjes en montageoppervlak;
• Geef de productspecificaties, de klasse, de kwalificatiecoupons en de acceptatie-eisen voor de partij aan;
• Gebruik IPC-6016 niet als de huidige HDI-acceptatienorm; hanteer de van toepassing zijnde, actuele productspecificatie en inkooprevisie.

Stroomdistributienetwerk en stroomverdeling

De voeding van een accelerator kan niet alleen op basis van de huidige specificaties worden ontworpen. Het voedingsnetwerk op de printplaat moet voldoen aan eisen met betrekking tot gelijkspanningsval, transiënte impedantie, plaatsing van de converter, behuizingsinvoer, connector- of busbarlimieten, temperatuurstijging van het koper en mechanische beperkingen. Stroom kan worden geleverd via randcontacten, hoogstroomconnectoren, busbars, verticale voedingsmodules of lokale regelaars; elke architectuur maakt op een andere manier gebruik van de printplaat.

De relatie tussen doelimpedantie Z_doel = ΔV / ΔI Dit is een uitgangspunt, geen complete PDN-specificatie. Het relevante transiënte spectrum, de regelkring van de spanningsregelaar, de pakketcapaciteit en de toegestane spanningsdaling moeten worden gedefinieerd. Boven het frequentiebereik waar op de printplaat gemonteerde condensatoren effectief blijven, domineren de pakket- en on-die-structuren.

DC- en AC-vragen die van invloed zijn op de fabricage.

• Welke rails vereisen brede vlakken, dik koper, koperen inleg of externe geleiders?
• Wat is de minimale dikte van het afgewerkte koper, in plaats van het nominale foliegewicht?
• Hoeveel vlak oppervlak gaat er verloren aan anti-pads, sleuven, thermische beveiligingen en montagemateriaal?
• Waar kan ontkoppeling aan de achterzijde worden aangebracht, en zijn gevulde via's nodig in de componentvlakken?
• Welke spanningsval en temperatuurstijging zijn toegestaan ​​bij de meest ongunstige stroomsterkte en omgevingstemperatuur?
• Heeft de printplaat stroommeetstructuren, gekalibreerde shunts of Kelvin-routing nodig?

IPC-2152 biedt richtlijnen voor stroomvoerend vermogen en thermisch gedrag, maar reduceert een complex vlak of via-veld niet tot één universele stroomdichtheidslimiet. Gebruik simulaties of gevalideerde testgegevens voor versnellerprintplaten met hoge stroomsterkte. In sommige producten is een busbar, leadframe of voedingsmodule geschikter dan het forceren van honderden ampères door gewone printplaatvlakken.

Thermische en mechanische integratie

De printplaat is één onderdeel van het warmtepad. Bij krachtige componenten wordt de meeste warmte meestal afgevoerd via de behuizing, het koelblok of de vloeistofkoelplaat in plaats van via de printplaat zelf. Koperen vlakken en via's kunnen de warmte lokaal verspreiden en het elektrische verlies verminderen, maar een simpele berekening van het aantal via's bewijst niet de thermische prestaties van de component.

Mechanische belasting kan net zo belangrijk zijn als thermische geleidbaarheid. Grote componenten, verstevigingen, koelplaten en connectorbehuizingen creëren buigmomenten die soldeerverbindingen en microvia's kunnen belasten. De printplaattekening moet de dikte, vlakheid, uitsluitingen, toleranties van montagegaten en eventuele gecontroleerde lokale diktes specificeren. Bij de assemblageanalyse moet rekening worden gehouden met kromtrekking tijdens het reflow-proces en bij bedrijfstemperatuur.

Thermische/mechanische ontgrendelingsingangen

• Voeding van het pakket en goedgekeurde thermische interface;
• bevestiging van koelblok of koelplaat en klemkracht;
• component en via-uitsparingen onder mechanische hardware;
• printplaatondersteuning, verstevigingen en chassisbeperkingen;
• Toegestane buiging/verdraaiing en lokale coplanariteit;
• temperatuurbereik en verwachte thermische cycli;
• materiaal CTE en hybride-stapelsymmetrie.

Zwaar koper beïnvloedt de etsgeometrie, de harsvulling en het lamineergedrag. Koperen munten en inlays zijn speciale constructies die expliciete afmetingen, een specifieke verbindingsmethode, vlakheid en inspectiecriteria vereisen; ze mogen niet als standaardoptie op elke AI-kaart worden aangeboden.

Betrouwbaarheid, testen en traceerbaarheid

Gebruik in een datacenter betekent niet automatisch IPC Klasse 3, en een commercieel AI-product erft geen certificering voor de automobiel-, medische of ruimtevaartsector door het woord 'AI'. De toepasselijke prestatieklasse en het kwaliteitssysteem worden bepaald door productrisico's, klantvereisten en inkoopdocumentatie.

Voor stijve printplaten is IPC-6012 doorgaans de relevante productnorm; voor stijf-flexibele printplaten geldt IPC-6013, en voor hoogfrequente constructies kan IPC-6018 van toepassing zijn. IPC-A-600 biedt een visuele interpretatie, maar vervangt de productspecificatie niet. De revisie, klasse, aanvullingen en klantuitzonderingen moeten op de bestelling worden vermeld.

Betrouwbaarheidsbewijs kan bestaan ​​uit thermische-stress microsecties, interconnect stresstests, HATS, temperatuurcycli, reflow-simulatie, CAF-testen, insertieverliescoupons of milieukwalificatie op productniveau. Deze methoden beantwoorden verschillende vragen. De JEDEC-componenttestmethoden definiëren niet automatisch de acceptatie van een partij kale printplaten, en IST is niet simpelweg een temperatuurcyclus in een kamer van -40 °C tot +125 °C.

Dossiers die doorgaans in aanmerking komen voor programma's met een hoog risico.

• Certificaat van conformiteit en bevestiging van elektrische testen;
• vrijgegeven stapelstructuur en traceerbaarheid van materiaal/partij;
• TDR-resultaten voor gespecificeerde impedantiecoupons;
• Resultaten van microsecties voor de structuren en het bemonsteringsplan zijn besteld;
• Controle van de diepte of verificatie door middel van terugboringen, indien nodig;
• eerste artikel- of kwalificatierapporten voor nieuwe HDI-structuren;
• Serialisatie en traceerbaarheid van procesdocumenten indien contractueel vereist.

Niet elke zending vereist elk rapport. De offerte moet onderscheid maken tussen standaardrapporten, optionele rapporten, destructieve testen en kwalificatiewerkzaamheden waarvoor speciale testmonsters of extra panelen nodig zijn.

Productievrijgave- en offertepakket

Een bruikbare offerte kan niet worden opgesteld op basis van "10-laags AI-serverkaart" en een schets. De leverancier heeft voldoende informatie nodig om een ​​managementkaart te onderscheiden van een snelle retimer- of acceleratorkaart en om te bepalen waar de procesrisico's geconcentreerd zijn.

Het DFM-antwoord moet de voorgestelde productieopbouw, de uiteindelijke impedantiegeometrie, de geïdentificeerde uitzonderingen, aannames voor speciale processen en goedkeuringspunten bevatten. Een offerte die stilletjes materiaal vervangt, de via-architectuur wijzigt of een vereist rapport weglaat, is technisch gezien niet gelijkwaardig.

Dien een AI-infrastructuur PCB in voor technische beoordeling.