PCB-materialen voor AI-servers: verliesarme laminaten, opbouw, thermische eigenschappen en PCBA-handleiding

Het kiezen van PCB-materialen voor AI-servers Dit is niet hetzelfde als het kiezen van een normaal FR-4-laminaat. AI-serverhardware combineert snelle SerDes-kanalen, stroomvoorziening voor GPU's of accelerators, een hoog aantal lagen, dichte BGA-routing, dikke koperen vlakken, strikte impedantiecontrole en thermische betrouwbaarheid op lange termijn in één printplaatsysteem. Als het verkeerde PCB-materiaal wordt gekozen, kunnen er problemen ontstaan ​​zoals insertieverlies, gesloten oogdiagrammen, instabiele impedantie, overmatige temperatuurstijging, via-vermoeidheid, CAF-risico, kromtrekking, montagefouten of productievertragingen omdat het benodigde laminaat niet beschikbaar is.

Deze handleiding is geschreven voor ingenieurs, hardware-startups, inkoopteams en productmanagers die op zoek zijn naar praktische antwoorden op vragen zoals: Welk PCB-materiaal moet ik gebruiken voor een AI-serverkaart? Is FR-4 voldoende? Wanneer heb ik Megtron, Tachyon, Astra, Rogers of een ander verliesarm laminaat nodig? Hoe beïnvloeden Dk, Df, koperruwheid en glasvezelweefsel 112G- of 224G-kanalen? Wat moet ik een PCB-fabrikant vragen voordat ik de stack-up definitief vastleg?

Highleap Electronics is een fabriek voor de productie en assemblage van printplaten. Voor AI-servers, GPU's, accelerators, netwerken en high-performance computing-projecten is het niet de bedoeling om zomaar een materiaalnaam te kiezen. Het materiaal moet worden gecontroleerd in samenhang met de signaalsnelheid, kanaallengte, aantal lagen, impedantiestructuur, kopergehalte, via-structuur, lamineerproces, soldeerprofiel en de eisen aan de componentbehuizing.

Welke problemen moeten de materialen voor AI-server-PCB's oplossen?

AI-servers stellen ongebruikelijke eisen aan PCB-materialen, omdat de printplaat niet alleen een mechanische drager voor componenten is. Het is onderdeel van het elektrische kanaal, het stroomvoorzieningsnetwerk, het warmteafvoerkanaal en de betrouwbaarheidsstructuur. Het materiaal heeft directe invloed op signaalverlies, impedantiestabiliteit, timingafwijking, thermische uitzetting, soldeerbestendigheid en de uiteindelijke productieopbrengst.

Een conventionele industriële printplaat wordt doorgaans voornamelijk geselecteerd op basis van Tg, kopergehalte, plaatdikte en kosten. Een printplaat voor een AI-server vereist echter een veel grondigere beoordeling. Het materiaal moet snelle digitale communicatie ondersteunen tussen GPU's, CPU's, geheugenmodules, retimers, switches, NIC's, backplanes, opslagcontrollers en voedingsmodules. De printplaat kan tientallen lagen, meerdere lamineercycli, blinde en verborgen via's, back-drilling, zeer dichte BGA-uitstroomgeleiding en grote stroompaden bevatten.

Het belangrijkste punt is dat het "beste" PCB-materiaal voor een AI-server afhangt van de functie van de printplaat. Een GPU-basisplaat, acceleratorkaart, switchboard, backplane, opslagcontroller en stroomverdeelplaat hebben niet altijd hetzelfde laminaat nodig. Het gebruik van ultralaagverliesmateriaal overal kan de kosten onnodig verhogen. Het gebruik van standaard FR-4 op kritieke, snelle lagen kan elektrische storingen veroorzaken. Een goed materiaalplan scheidt kritieke lagen van niet-kritieke lagen en bouwt een stapelstructuur die voldoet aan zowel de technische als de productie-eisen.

Materiaaleisen voor verschillende AI-serverkaarten

Een AI-server bevat verschillende soorten printplaten. Elke printplaat heeft een andere balans tussen signaalintegriteit, stroomvoorziening, thermische belasting en kostengevoeligheid. Voordat u een laminaat kiest, moet u het type printplaat en de interfaces die deze bevat, vaststellen.

Daarom kan een zoekopdracht naar "PCB-materialen voor AI-servers" niet met één materiaalnaam worden beantwoord. Het juiste antwoord begint bij de signaalmapping. Welke lagen bevatten 112G- of 224G-differentiële paren? Welke sporen zijn kort genoeg om een ​​goedkoper materiaal te kunnen gebruiken? Welke lagen zijn voornamelijk voor voeding of langzame aansturing? Welke secties vereisen een hoog kopergehalte? Welke BGA's vereisen HDI? Een PCB-fabrikant moet deze vragen overwegen voordat hij een stack-up aanbeveelt.

Hoe kies je verliesarme laminaten voor printplaten van AI-servers?

De meest gezochte materiaaleigenschappen voor printplaten van AI-servers zijn: Dk en DfDk, oftewel de diëlektrische constante, beïnvloedt de impedantie en de voortplantingsvertraging. Df, oftewel de dissipatiefactor, beïnvloedt het diëlektrisch verlies. Bij hoge frequenties kan een klein verschil in Df een groot verschil in kanaalverlies veroorzaken, vooral wanneer de spoorlengte lang is of wanneer het kanaal connectoren, via's, behuizingen en retimers bevat.

Voor AI-serverhardware moet de keuze van het laminaat gebaseerd zijn op het totale kanaalbudget, en niet alleen op een waarde uit het specificatieblad. Een materiaal met een lagere Df-waarde levert over het algemeen betere verliesprestaties op, maar het uiteindelijke resultaat van de printplaat hangt ook af van de ruwheid van het koper, de dikte van het diëlektricum, de glasvezelstructuur, de spoorgeometrie, via-overgangen, back-drilling, de kwaliteit van de connectoren en de productietoleranties.

Veelgebruikte materialen voor snelle printplaten in server-, netwerk- en HPC-projecten zijn onder andere de Panasonic MEGTRON-serie, de Isola Tachyon- en I-Tera-serie, de Isola Astra MT77, Rogers hoogfrequentmaterialen, AGC-materialen en andere gekwalificeerde CCL-systemen met lage verliezen. Het is echter belangrijk om materiaalnamen niet als automatische vervanging voor elkaar te beschouwen. Zelfs wanneer twee materialen vergelijkbare Df-waarden hebben, kunnen ze verschillen in Dk, koperfolie-opties, harsvloei, beschikbare diktes, CTE, lamineergedrag, afpelsterkte en levering op lange termijn.

Koperfolie, glasvezeldoek, harssysteem en stapelontwerp

Bij printplaatmaterialen voor AI-servers is het laminaat slechts een onderdeel van de prestatievergelijking. De koperfolie, het glasvezeldoek en het harssysteem zijn net zo belangrijk. Veel signaalintegriteitsproblemen ontstaan ​​doordat het ontwerpteam Dk en Df controleert, maar de ruwheid van de geleiders, de scheefstand van het glasvezelweefsel of het gedrag van de hybride opbouw negeert.

1. Koperfolie: waarom HVLP belangrijk is

Bij frequenties van meerdere GHz vloeit de signaalstroom dicht bij het oppervlak van de geleider. Ruw koper vergroot het effectieve stroompad en verhoogt het verlies in de geleider. Daarom vereisen printplaten voor snelle AI-servers vaak koper met een zeer laag profiel, VLP-koper, HVLP-koper of gelijkwaardige gladde koperopties. Bij lange 112G- of 224G-kanalen kan de ruwheid van het koper een belangrijke factor zijn in het invoegverlies.

Controleer bij het beoordelen van koperfolie het volgende:

• Of het materiaal nu standaard koper, RTF-, VLP-, HVLP- of HVLP3-koper gebruikt.
• De ruwheidswaarde die wordt gebruikt in het signaalintegriteitsmodel.
• Of de optie met koperfolie beschikbaar is voor de vereiste laminaatdikte en het gewenste kopergewicht.
• Of de gekozen folie na fabricage en montage voldoende hechtsterkte behoudt.
• Of de PCB-fabrikant het etsproces kan beheersen om de vereiste fijne lijnen en impedantietolerantie te realiseren.

2. Glasdoek: stabiliteit van scheefstand en impedantie.

Glasweefsel veroorzaakt lokale diëlektrische variaties doordat het signaal over glasbundels en harsrijke gebieden kan gaan. Bij lagere snelheden kan dit acceptabel zijn. Bij de datasnelheden van AI-servers, met name over langere differentiële paren, kan de scheefstand door glasweefsel de timingmarge en de oogopening verkleinen.

Bij de opbouw van AI-servers wordt vaak gebruikgemaakt van gespreid glas, glas met een lage Dk-waarde of glas met een vierkante weefstructuur om een ​​meer uniforme diëlektrische omgeving te creëren. Het routeren van differentiële paren onder een lichte hoek, het gebruik van geschikte prepreg-materialen en het consistent houden van de paargeometrie kunnen ook helpen om skew te verminderen. Deze keuzes moeten tijdens het ontwerp van de opbouw worden besproken, en niet nadat de PCB-layout is voltooid.

3. Harssysteem: thermisch en verwerkingsgedrag

Het harssysteem beïnvloedt Df, Tg, Td, vochtabsorptie, CAF-weerstand, harsvloei en lamineerkwaliteit. Voor AI-server-PCB's moet de hars bestand zijn tegen meerdere thermische belastingen: PCB-laminering, uitharding van het soldeermasker, oppervlaktebehandeling, reflow-solderen en langdurig gebruik in een serveromgeving met hoge temperaturen.

Belangrijke vragen met betrekking tot hars zijn onder andere:

• Is het materiaal geschikt voor meerdere lamineercycli?
• Heeft het materiaal een geschikte Tg-waarde en ontledingstemperatuur voor het assemblageprofiel?
• Heeft het een lage vochtabsorptie om het risico op reflow en betrouwbaarheidsproblemen te verminderen?
• Is het CAF-bestendig voor dichte hoogspanningsconstructies of fijnmazige structuren?
• Kan het prepreg-materiaal voldoende harsdoorstroming bieden rondom zware koperlagen en complexe binnenlagen?

4. Hybride stack-ups: prestaties zonder onnodige kosten

Veel AI-serverboards maken gebruik van hybride stack-ups. Kritieke, snelle lagen gebruiken materialen met een lage of ultralage verliesfactor, terwijl de langzamere lagen of de voedings-/besturingslagen gebruikmaken van kosteneffectievere materialen met een hoge Tg-waarde of materialen met een lage verliesfactor van FR-4. Deze aanpak kan de kosten verlagen, maar moet zorgvuldig worden ontworpen.

Hybride constructie roept extra productievragen op:

• Hebben de materialen compatibele CTE-waarden?
• Is de perscyclus geschikt voor alle kernen en prepregs in de opbouw?
• Zal de harsdoorstroming voldoende zijn rondom lagen met een hoog kopergehalte?
• Blijft de printplaat vlak na het lamineren en reflowen?
• Kan de fabrikant de registratie- en impedantietolerantie over het gehele productieproces handhaven?

Een hybride printplaatopbouw mag niet worden beschouwd als een simpele kostenbesparende vervanging. Deze moet worden gesimuleerd, berekend en beoordeeld door de printplaatfabrikant voordat de lay-out wordt vrijgegeven.

Uitdagingen op het gebied van thermische prestaties, stroomvoorziening en betrouwbaarheid

AI-serverboards hebben een zeer hoge vermogensdichtheid. GPU's, accelerators, snelle switches, geheugenmodules, VRM's en optische of netwerkmodules kunnen lokale hotspots creëren. De materiaalkeuze voor de printplaat beïnvloedt hoe de printplaat de warmte mechanisch en elektrisch afvoert, zelfs wanneer de belangrijkste koelmethode een koelblok, koelplaat of vloeistofkoelsysteem is.

Stroomvoorziening en koperplanning

Voor het leveren van hoge stroomsterkte zijn koperen vlakken met een lage weerstand, een zorgvuldig ontwerp van de via's en voldoende ontkoppeling nodig. Bij AI-accelerator- en GPU-kaarten gaat het bij de koperplanning niet alleen om de stroombelastbaarheid. Het beïnvloedt ook de dikte van de printplaat, de lamineringsbalans, het boren, de galvanisatie, de uniformiteit van het etsen, de kromtrekking en de soldeerprestaties.

Belangrijke overwegingen met betrekking tot het materiaal voor stroomvoorziening zijn onder meer:

• Gewicht en vlakverdeling van koper in de binnenlaag.
• Spanningsval en gelijkstroomweerstand van de voedingscircuits.
• Temperatuurstijging rond VRM's, GPU-voedingspinnen en hoogstroomconnectoren.
• Aantal via's, via-grootte, laagdikte en stroomverdelingsgedrag.
• Of dikke koperlagen leiden tot harstekort of tot laminatieholtes.

CTE in de Z-as en betrouwbaarheid van doorgeplateerde gaten

Printplaten voor AI-servers met een hoog aantal lagen kunnen gevoelig zijn voor via-vermoeidheid, omdat de geplateerde koperen kern en het laminaat tijdens thermische cycli met verschillende snelheden uitzetten. Materialen met een lagere en beter gecontroleerde thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) in de Z-as helpen de spanning op geplateerde gaten en via's te verminderen. Dit is vooral belangrijk voor dikke backplanes, midplanes, switchboards en acceleratorboards die tijdens gebruik herhaaldelijk worden verwarmd en afgekoeld.

Thermische via's, koperen munten en lokale warmtepaden

Sommige AI-serverboards vereisen thermische via-arrays, dikke koperen vlakken, koperen plaatjes, metalen inzetstukken of lokale warmteverspreidingselementen. Deze structuren moeten worden gepland in samenhang met het materiaal en het lamineerproces. Een koperen plaatje of dik koperen vlak kan helpen bij de warmteafvoer, maar kan ook leiden tot een verschil in thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE), onevenwicht in de soldeerverbindingen of problemen met de vlakheid als het ontwerp niet rekening houdt met de produceerbaarheid.

Vochtabsorptie en betrouwbaarheid van het reflowproces

Een lage vochtabsorptie is belangrijk voor zeer betrouwbare printplaten van AI-servers. Vocht in het laminaat kan het risico op delaminatie, measling, blaasvorming of andere thermische spanningsdefecten tijdens het solderen vergroten. Dit is met name van belang bij dikke printplaten met veel lagen, hybride materialen of printplaten met grote BGA's en componenten met een hoge thermische massa.

Overwegingen bij de productie en assemblage van printplaten

Een materiaal dat er in een datasheet uitstekend uitziet, kan in de praktijk toch falen als het moeilijk te fabriceren of te assembleren is. Materialen voor printplaten van AI-servers moeten worden geëvalueerd in samenhang met het volledige productieproces: boren, ontvetten, galvaniseren, beeldvorming, etsen, lamineren, achterboren, oppervlakteafwerking, soldeermasker, routing, elektrische testen en de uiteindelijke assemblage van de printplaat.

risico's bij de productie van printplaten

Risico's bij de assemblage van printplaten

Omdat Highleap Electronics zowel PCB-productie als PCB-assemblage verzorgt, moet de materiaalbeoordeling ook het PCBA-proces omvatten. Een dikke AI-serverprintplaat met grote BGA's, veel koper, connectoren met een hoge thermische massa en gevoelige hogesnelheidscomponenten vereist mogelijk een aangepast reflow-profiel en zorgvuldige controle op kromtrekking.

• BGA-vervorming: Grote GPU-, CPU-, FPGA- of switchpakketten vereisen een vlakke printplaat en een stabiele reflow-controle.
• Thermische massa-onbalans: Grote koperen oppervlakken en grote connectoren kunnen tijdens het solderen voor ongelijkmatige verwarming zorgen.
• Vochtbeheersing: Bakken, opslag en verwerking kunnen nodig zijn voor constructies die hoge betrouwbaarheid vereisen of vochtgevoelig zijn.
• Netheid: Bij printplaten met een hoge dichtheid kan strikte controle op ionenverontreiniging nodig zijn om lekkage en risico's gerelateerd aan CAF te verminderen.
• Rioolbuis Inspectie: Röntgeninspectie is belangrijk voor BGA-, via-in-pad- en verborgen soldeerverbindingen.
• Beperking van herwerking: Het herwerken van grote BGA's op hoogwaardige AI-serverboards moet zorgvuldig worden gepland, omdat herhaalde blootstelling aan hitte de laminaatlaag kan belasten.

Leveringsrisico, kostenbeheersing en planning van alternatieve leveranciers

Materialen voor printplaten van AI-servers zijn vaak moeilijker verkrijgbaar dan standaard laminaten. Hoogwaardige CCL, speciale prepregs, HVLP-koperfolie en specifieke glassoorten kunnen langere levertijden, minimale bestelhoeveelheden of toewijzingslimieten hebben. Een ontwerp dat afhankelijk is van een zeldzaam materiaal zonder goedgekeurd alternatief kan een volledig hardwareprogramma vertragen.

De veiligste aanpak is om al in de ontwerpfase een materiaalstrategie te ontwikkelen, en niet pas nadat de Gerber-bestanden klaar zijn. Deze strategie moet een voorkeursmateriaal, een goedgekeurd alternatief, een beschikbaarheidsbeoordeling, een kostenvergelijking en een elektrische bevestiging omvatten.

Kwalificatie van een tweede leverancier betekent niet simpelweg het ene merk vervangen door een ander. Het betekent bevestigen dat het vervangende materiaal aan dezelfde elektrische, thermische, mechanische en productie-eisen voldoet. Bij printplaten voor AI-servers kunnen zelfs kleine verschillen in diëlektrische dikte, Dk, Df, koperruwheid of harsgedrag het eindresultaat beïnvloeden.

Wat moet je naar Highleap Electronics sturen voor een materiaalbeoordeling?

Om de juiste PCB-materialen voor AI-servers aan te bevelen, heeft Highleap Electronics meer nodig dan een printplaatontwerp of Gerber-bestand. Hoe eerder de materiaalbeoordeling begint, hoe gemakkelijker het is om de kosten te verlagen, de opbrengst te verbeteren en herontwerp te voorkomen.

Voor een snelle en nuttige beoordeling verzoeken wij u de volgende informatie te verstrekken:

• Bordfunctie: GPU-kaart, acceleratorkaart, switch-PCB, backplane, moederbord, NIC, opslagcontroller of voedingskaart.
• Doeldatasnelheid: PCIe-generatie, Ethernet-snelheid, SerDes-snelheid, 112G/224G-vereiste of andere snelle interface.
• Geschat aantal lagen en plaatdikte: Voeg alle benodigde impedantielagen en voedingsvlakken toe.
• Voorkeursmateriaal: Als in uw ontwerp al Megtron, Tachyon, Astra, Rogers, AGC, Shengyi of een ander laminaat is gespecificeerd, geef dan het exacte artikelnummer op, indien beschikbaar.
• Tabel met gecontroleerde impedantie: Enkelzijdige en differentiële impedantie, tolerantie, referentielagen en spoorgeometrie, indien reeds gedefinieerd.
• Stapelen of voorlopige stapelen: Dikte van de kern/prepreg, kopergewicht en toewijzing van de hogesnelheidslaag.
• BGA-details: Pitch, aantal ballen, pakketgrootte, via-in-pad vereiste en ontsnappingsrouteringsbeperkingen.
• Stroomvoorziening: Problemen met hoogstroomrails, koperdikte, thermische oppervlakken, stroom- en spanningsverlies in connectoren.
• Montage-informatie: BOM, plaatsingsbestand, grote BGA-pakketten, thermische pads, reflow-gevoeligheid en inspectievereisten.
• Productieplan: Aantal prototypes, proefproductie, prognose voor massaproductie en beoogde leverdatum.

Veelgestelde vragen over printplaatmaterialen voor AI-servers

Wat is het beste PCB-materiaal voor AI-serverboards?

Er bestaat niet één beste materiaal voor elk AI-serverbord. GPU-borden, acceleratorborden, switchborden, backplanes, NIC's en voedingsborden hebben verschillende eisen. Kritieke hogesnelheidslagen vereisen doorgaans laminaten met lage, zeer lage of ultralage verliezen en glad koper. Voedings- of laagsnelheidsbesturingssecties kunnen gebruikmaken van materialen met een hoge Tg of gemodificeerd FR-4, indien de elektrische en thermische eisen dit toelaten.

Kunnen AI-server-PCB's gebruikmaken van standaard FR-4-connectoren?

Standaard FR-4 kan acceptabel zijn voor besturing met lage snelheid, eenvoudige voeding of niet-kritische secties, maar is doorgaans niet geschikt voor lange, snelle SerDes-paden in AI-serversystemen. Voor 112G, 224G of vergelijkbare snelle kanalen vereist het ontwerp normaal gesproken een laminaat met lagere verliezen, gladder koper en een betere Dk-stabiliteit.

Waarom zijn Dk en Df belangrijk voor de materialen van printplaten van AI-servers?

Dk beïnvloedt de impedantie en de signaalvoortplantingsvertraging. Df beïnvloedt het diëlektrisch verlies. In AI-server-PCB's werken snelle kanalen op frequenties waarbij diëlektrisch verlies en geleiderverlies de signaalmarge kunnen verkleinen. Een stabiele Dk en een lage Df helpen de gecontroleerde impedantie te behouden en het invoegverlies te verminderen.

Welke koperfolie is geschikt voor printplaten van snelle AI-servers?

PCB's voor snelle AI-servers gebruiken vaak VLP-, HVLP- of andere dunne koperfolies om geleidingsverlies te verminderen. Hoe gladder het koperoppervlak, hoe lager het geleidingsverlies bij hoge frequenties doorgaans is. De exacte folie moet worden gekozen in samenhang met het laminaat, de signaalsnelheid, de lengte van de printsporen en het productieproces.

Wat is scheefstand van het glasweefsel en waarom is dat belangrijk?

Glasweefselafwijking treedt op wanneer twee sporen in een differentieel paar verschillende diëlektrische omgevingen ervaren als gevolg van de geweven glasstructuur in het laminaat. Bij hoge datasnelheden kan dit timingmismatch veroorzaken en de oogmarge verkleinen. Spreidingsglas, glas met een lage Dk-waarde, een geschikte prepreg-constructie en een geschikte routingstrategie kunnen dit risico helpen verminderen.

Zijn hybride stack-ups geschikt voor AI-server-PCB's?

Ja, hybride stapelconstructies komen vaak voor wanneer het ontwerp een balans moet vinden tussen hoge snelheidsprestaties en kosten. De sleutel is om materialen met een laag verlies alleen te gebruiken waar ze nodig zijn en elders kosteneffectievere materialen toe te passen. Hybride materialen moeten echter wel compatibel zijn qua lamineringsgedrag, thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) en productieproces.

Welke materiaaleigenschappen moeten naast Dk en Df nog meer gecontroleerd worden?

Belangrijke eigenschappen zijn onder andere Tg, Td, T288, CTE in de Z-as, vochtabsorptie, CAF-weerstand, afpelsterkte, harsgehalte, ruwheid van de koperfolie, beschikbaarheid van prepreg en compatibiliteit met meerdere lamineercycli. Deze eigenschappen beïnvloeden de productieopbrengst, de betrouwbaarheid van de assemblage en de werking op lange termijn.

Hoe vroeg in het proces moet de materiaalkeuze met de printplaatfabrikant worden besproken?

De materiaalkeuze moet, indien mogelijk, vóór de definitieve lay-out worden besproken. Bij printplaten voor AI-servers heeft het materiaal invloed op de spoorbreedte, de afstand tussen de sporen, de impedantie, de laagdikte, de via-structuur, de back-driving en de kosten. Als het materiaal na de lay-out wordt gewijzigd, moeten de stack-up en de signaalintegriteit mogelijk opnieuw worden berekend.

Welke bestanden zijn nodig voor een offerte voor printplaatmateriaal voor een AI-server?

Voor een offerte en technische beoordeling kunt u Gerber- of ODB++-bestanden, de opbouw van de componenten, impedantie-eisen, materiaalvoorkeuren, boorgegevens, printplaatdikte, kopergewicht, oppervlakteafwerking, stuklijst (BOM), pick-and-place-bestand en montage-eisen meesturen. Ook als het ontwerp nog niet definitief is, zijn voorlopige gegevens over de opbouw van de componenten en de interfacesnelheid nuttig.

Kan Highleap Electronics helpen met zowel de fabricage als de assemblage van printplaten?

Ja. Highleap Electronics ondersteunt de productie en assemblage van printplaten. Voor AI-servers en high-performance computing-projecten helpt het gezamenlijk beoordelen van de fabricage en assemblage om risico's te verminderen die verband houden met materiaalkeuze, kromtrekking van de printplaat, BGA-solderen, thermische massa, inspectie en productieopbrengst.