Materiais para PCBs de Servidores de IA: Laminados de Baixa Perda, Empilhamento, Guia Térmico e de Montagem de PCBA

A escolha dos materiais para PCBs de servidores de IA não é a mesma que a escolha de um laminado FR-4 comum. O hardware de servidores de IA combina canais SerDes de alta velocidade, fornecimento de energia para GPUs ou aceleradores, alta contagem de camadas, roteamento BGA denso, planos de cobre espessos, controle rigoroso de impedância e confiabilidade térmica a longo prazo em um único sistema de placa. Se o material de PCB escolhido for inadequado, podem surgir problemas como perda de inserção, diagramas de olho fechado, impedância instável, aumento excessivo de temperatura, fadiga de vias, risco de CAF (falha de contato por contato), empenamento, defeitos de montagem ou atrasos na produção devido à indisponibilidade do laminado necessário.

Este guia foi escrito para engenheiros, startups de hardware, equipes de compras e gerentes de produto que buscam respostas práticas para perguntas como: Qual material de PCB devo usar para uma placa de servidor de IA? FR-4 é suficiente? Quando preciso de Megtron, Tachyon, Astra, laminado especial de baixa perda ou outro laminado de baixa perda? Como Dk, Df, rugosidade do cobre e trama de fibra de vidro afetam canais de 112G ou 224G? O que devo perguntar a um fabricante de PCB antes de finalizar a estrutura de camadas?

A Highleap Electronics é uma fábrica de fabricação e montagem de PCBs. Para projetos de servidores de IA, GPUs, aceleradores, redes e computação de alto desempenho, a abordagem correta não é selecionar apenas o nome do material. O material deve ser avaliado em conjunto com a velocidade do sinal, o comprimento do canal, a quantidade de camadas, a estrutura de impedância, a espessura do cobre, a estrutura de vias, o processo de laminação, o perfil de soldagem e os requisitos de encapsulamento dos componentes.

Quais materiais de PCB para servidores de IA precisam ser desenvolvidos para resolver o problema?

Servidores de IA impõem uma tensão incomum nos materiais das placas de circuito impresso (PCBs), pois a placa não é apenas um suporte mecânico para os componentes. Ela faz parte do canal elétrico, da rede de distribuição de energia, do caminho de dissipação de calor e da estrutura de confiabilidade. O material afeta diretamente a perda de sinal, a estabilidade da impedância, o desvio de tempo, a expansão térmica, a resistência à soldagem e o rendimento final da produção.

Uma placa de circuito impresso (PCB) industrial convencional pode ser selecionada principalmente com base na temperatura de transição vítrea (Tg), na densidade do cobre, na espessura da placa e no custo. Uma PCB para servidor de IA requer uma análise muito mais aprofundada. O material deve suportar comunicação digital de alta velocidade entre GPUs, CPUs, dispositivos de memória, temporizadores, switches, placas de rede (NICs), backplanes, controladores de armazenamento e módulos de alimentação. A placa pode conter dezenas de camadas, múltiplos ciclos de laminação, vias cegas e enterradas, perfuração traseira, roteamento de escape BGA muito denso e grandes caminhos de corrente.

O ponto mais importante é que o "melhor" material para PCB de servidor de IA depende da função da placa. Uma placa base de GPU, uma placa aceleradora, uma placa de comutação, um backplane, um controlador de armazenamento e uma placa de distribuição de energia nem sempre precisam do mesmo laminado. Usar material de baixíssima perda em todos os lugares pode aumentar o custo desnecessariamente. Usar FR-4 padrão em camadas críticas de alta velocidade pode causar falhas elétricas. Um bom planejamento de materiais separa as camadas críticas das não críticas e cria uma estrutura que atenda aos requisitos de engenharia e produção.

Requisitos de materiais para diferentes placas de servidor de IA

Um servidor de IA contém vários tipos de placas de circuito impresso (PCBs). Cada placa possui um equilíbrio diferente entre integridade de sinal, fornecimento de energia, carga térmica e sensibilidade a custos. Antes de escolher um laminado, identifique o tipo de placa e as interfaces que ela suporta.

É por isso que uma busca por “materiais para PCB de servidor de IA” não pode ser respondida com um único nome de material. A resposta correta começa com o mapeamento de sinais. Quais camadas transportam pares diferenciais de 112G ou 224G? Quais trilhas são curtas o suficiente para tolerar um material de menor custo? Quais camadas são principalmente de alimentação ou controle de baixa velocidade? Quais seções exigem alta densidade de cobre? Quais BGAs requerem HDI? Um fabricante de PCB deve analisar essas questões antes de recomendar uma configuração de camadas.

Como escolher laminados de baixa perda para PCBs de servidores de IA

As propriedades de materiais mais pesquisadas para PCBs de servidores de IA são Dk e Df . Dk, ou constante dielétrica, afeta a impedância e o atraso de propagação. Df, ou fator de dissipação, afeta a perda dielétrica. Em altas frequências, uma pequena diferença em Df pode se tornar uma grande diferença na perda do canal, especialmente quando o comprimento da trilha é longo ou quando o canal inclui conectores, vias, encapsulamentos e retimers.

Para hardware de servidores de IA, a seleção do laminado deve ser baseada no orçamento total de canais, e não apenas em um valor da folha de dados. Um material com um Df menor geralmente oferece melhor desempenho de perda, mas o resultado final da placa também depende da rugosidade do cobre, da espessura do dielétrico, da trama de fibra de vidro, da geometria das trilhas, das transições de vias, da perfuração traseira, da qualidade dos conectores e da tolerância de fabricação.

As famílias de materiais de PCB de alta velocidade mais comuns usadas em projetos de servidores, redes e HPC incluem as séries Panasonic MEGTRON, Isola Tachyon e I-Tera, Isola Astra MT77, materiais laminados especiais de baixa perda para alta frequência, materiais AGC e outros sistemas CCL qualificados de baixa perda. No entanto, os nomes dos materiais não devem ser considerados sinônimos. Mesmo quando dois materiais têm valores de Df semelhantes, eles podem diferir em Dk, opção de folha de cobre, fluidez da resina, disponibilidade de espessura, CTE, comportamento de laminação, resistência ao descascamento e fornecimento a longo prazo.

Folha de cobre, tecido de vidro, sistema de resina e design de empilhamento

Para materiais de PCB de servidores de IA, o laminado é apenas uma parte da equação de desempenho. A folha de cobre, o tecido de fibra de vidro e o sistema de resina são igualmente importantes. Muitas falhas de integridade de sinal ocorrem porque a equipe de projeto verifica Dk e Df, mas ignora a rugosidade do condutor, a inclinação da trama de fibra de vidro ou o comportamento híbrido da estrutura.

1. Folha de cobre: ​​por que o sistema HVLP é importante

Em frequências de vários GHz, a corrente do sinal flui perto da superfície do condutor. O cobre rugoso aumenta o caminho efetivo da corrente e, consequentemente, as perdas no condutor. É por isso que as placas de circuito impresso (PCBs) de servidores de IA de alta velocidade geralmente exigem cobre de perfil muito baixo (VLP), cobre de perfil muito baixo (HVLP) ou opções equivalentes de cobre liso. Para canais longos de 112G ou 224G, a rugosidade do cobre pode ser um fator importante na perda de inserção.

Ao analisar a folha de cobre, verifique:

• Se o material utiliza cobre padrão, RTF, VLP, HVLP ou HVLP3.
• O valor de rugosidade utilizado no modelo de integridade do sinal.
• Verificar se a opção de folha de cobre está disponível para a espessura de laminado e o peso de cobre necessários.
• Verificar se a folha selecionada mantém resistência suficiente ao descascamento após a fabricação e montagem.
• Se o fabricante da placa de circuito impresso (PCB) consegue controlar a corrosão para obter as linhas finas e a tolerância de impedância necessárias.

2. Tecido de vidro: estabilidade de inclinação e impedância

A trama de vidro cria variações dielétricas locais, pois o sinal pode passar por feixes de vidro e áreas ricas em resina. Em velocidades mais baixas, isso pode ser aceitável. Em taxas de dados de servidores de IA, especialmente em pares diferenciais mais longos, a distorção da trama de vidro pode reduzir a margem de temporização e a abertura do diagrama de olho.

Em servidores de IA, é comum o uso de camadas de vidro espalhadas, de baixa constante dielétrica (Dk) ou com trama quadrada para criar um ambiente dielétrico mais uniforme. O roteamento de pares diferenciais em um ângulo leve, o uso de pré-impregnados adequados e a manutenção da geometria dos pares consistente também podem ajudar a reduzir a distorção. Essas escolhas devem ser discutidas durante o projeto da camada de vidro, e não após a conclusão do layout da placa de circuito impresso.

3. Sistema de resina: comportamento térmico e de processamento

O sistema de resina afeta Df, Tg, Td, absorção de umidade, resistência à formação de CAF, fluidez da resina e qualidade da laminação. Para PCBs de servidores de IA, a resina deve suportar múltiplas exposições térmicas: laminação da PCB, cura da máscara de solda, processamento de acabamento superficial, soldagem por refluxo e operação prolongada em um ambiente de servidor de alta temperatura.

Questões importantes relacionadas à resina incluem:

• O material é compatível com múltiplos ciclos de laminação?
• O material possui uma temperatura de transição vítrea (Tg) e uma temperatura de decomposição adequadas para o perfil de montagem?
• Possui baixa absorção de umidade para reduzir o risco de refluxo e problemas de confiabilidade?
• É resistente à CAF (falha de adesão de canal) para estruturas densas de alta tensão ou com espaçamento reduzido?
• O pré-impregnado consegue fornecer fluxo de resina suficiente ao redor do cobre espesso e das camadas internas complexas?

4. Sistemas híbridos: desempenho sem custos desnecessários

Muitas placas de servidores de IA utilizam estruturas híbridas. As camadas críticas de alta velocidade usam materiais de baixa ou ultrabaixa perda, enquanto as camadas de baixa velocidade ou de potência/controle usam materiais de alta Tg ou de baixa perda, mais econômicos, como os da classe FR-4. Essa abordagem pode reduzir custos, mas deve ser projetada com cuidado.

A construção híbrida levanta questões adicionais de fabricação:

• Os materiais possuem valores de CTE compatíveis?
• O ciclo de prensagem funcionará para todos os núcleos e pré-impregnados na pilha?
• A resina fluirá o suficiente ao redor das camadas com alto teor de cobre?
• A placa permanecerá plana após a laminação e o refluxo?
• O fabricante consegue manter a tolerância de registro e impedância em toda a montagem?

Uma configuração híbrida não deve ser tratada como uma simples substituição para redução de custos. Ela deve ser simulada, calculada e revisada pelo fabricante da placa de circuito impresso antes da liberação do layout.

Desafios térmicos, de fornecimento de energia e de confiabilidade

As placas de servidores de IA possuem densidade de potência muito alta. GPUs, aceleradores, switches de alta velocidade, dispositivos de memória, VRMs e módulos ópticos ou de rede podem criar pontos quentes localizados. A seleção do material da placa de circuito impresso (PCB) afeta a forma como a placa lida com o calor, tanto mecânica quanto eletricamente, mesmo quando o principal método de resfriamento é um dissipador de calor, placa fria ou sistema de resfriamento líquido.

Planejamento de distribuição de energia e cabeamento de cobre

A transmissão de alta corrente exige planos de cobre de baixa resistência, projeto cuidadoso de vias e desacoplamento suficiente. Para placas de aceleradores de IA e GPUs, o planejamento do cobre não se resume apenas à capacidade de condução de corrente. Ele também afeta a espessura da placa, o equilíbrio da laminação, a perfuração, a metalização, a uniformidade da corrosão, a resistência à deformação e o desempenho da soldagem.

As principais considerações sobre os materiais de fornecimento de energia incluem:

• Distribuição do peso e do plano do cobre na camada interna.
• Queda de tensão e resistência CC dos caminhos de alimentação.
• Aumento da temperatura em torno dos VRMs, pinos de alimentação da GPU e conectores de alta corrente.
• Contagem de vias, tamanho das vias, espessura do revestimento e comportamento de compartilhamento de corrente.
• Se as camadas espessas de cobre causam falta de resina ou vazios na laminação.

CTE no eixo Z e confiabilidade de furos metalizados

Placas de circuito impresso (PCBs) para servidores de IA com alta contagem de camadas podem ser vulneráveis ​​à fadiga de vias, pois o núcleo de cobre metalizado e o laminado se expandem em taxas diferentes durante os ciclos térmicos. Materiais com coeficiente de expansão térmica (CTE) no eixo Z menor e mais controlado ajudam a reduzir a tensão em furos metalizados e vias. Isso é especialmente importante para backplanes espessos, midplanes, placas de comutação e placas aceleradoras que sofrem aquecimento e resfriamento repetidos durante a operação.

Vias térmicas, moedas de cobre e caminhos de calor localizados

Algumas placas de servidores de IA exigem matrizes de vias térmicas, áreas com grande quantidade de cobre, discos de cobre, inserções metálicas ou recursos de dissipação térmica localizada. Essas estruturas devem ser planejadas levando em consideração o material e o processo de laminação. Um disco de cobre ou uma área com grande quantidade de cobre podem ajudar a dissipar o calor, mas também podem causar incompatibilidade de coeficiente de expansão térmica (CTE), desequilíbrio na soldagem ou problemas de planicidade se não forem projetados para facilitar a fabricação.

Confiabilidade na absorção de umidade e no refluxo

A baixa absorção de umidade é importante para PCBs de servidores de IA de alta confiabilidade. A umidade dentro do laminado pode aumentar o risco de delaminação, descolamento, formação de bolhas ou outros defeitos causados ​​por estresse térmico durante a soldagem. Isso se torna ainda mais importante quando a placa é espessa, possui um grande número de camadas, é feita de material híbrido ou é montada com BGAs grandes e componentes de alta massa térmica.

Considerações sobre fabricação e montagem de PCBs

Um material que parece excelente na ficha técnica ainda pode falhar na produção se for difícil de fabricar ou montar. Os materiais para placas de circuito impresso (PCBs) de servidores de IA devem ser avaliados em conjunto com todo o processo de fabricação: furação, remoção de resíduos, revestimento, gravação, corrosão, laminação, perfuração traseira, acabamento superficial, máscara de solda, roteamento, testes elétricos e montagem final da PCB.

riscos de fabricação de PCBs

riscos de montagem de PCB

Como a Highleap Electronics oferece tanto a fabricação quanto a montagem de PCBs, a análise de materiais também deve incluir o processo de PCBA. Uma placa de servidor de IA espessa, com BGAs grandes, cobre espesso, conectores de alta massa térmica e componentes sensíveis de alta velocidade, pode exigir um perfil de refluxo personalizado e um controle cuidadoso da deformação.

• Empenamento BGA: Componentes grandes como GPUs, CPUs, FPGAs ou switches exigem boa planicidade da placa e controle de refluxo estável.
• Desequilíbrio de massa térmica: Áreas com grande quantidade de cobre e conectores grandes podem causar aquecimento irregular durante a soldagem.
• Controle de umidade: Processos de cozimento, armazenamento e manuseio podem ser necessários para construções de alta confiabilidade ou sensíveis à umidade.
• Limpeza: Placas de alta densidade podem exigir um controle rigoroso da contaminação iônica para reduzir vazamentos e riscos relacionados à corrosão sob tensão.
• inspeção: A inspeção por raios X é importante para BGAs, vias em pads e juntas de solda ocultas.
• Limitação de retrabalho: O retrabalho de grandes componentes BGA em placas de servidores de IA de alto valor deve ser cuidadosamente planejado, pois a exposição repetida ao calor pode danificar o laminado.

Risco de fornecimento, controle de custos e planejamento de segunda fonte

Os materiais para placas de circuito impresso (PCBs) de servidores de IA costumam ser mais difíceis de obter do que os laminados padrão. CCL de alto desempenho, pré-impregnados especiais, folha de cobre HVLP e tipos específicos de vidro podem ter prazos de entrega mais longos, quantidades mínimas de pedido ou limites de alocação. Um projeto que depende de um material raro sem substituto aprovado pode atrasar todo o programa de hardware.

A abordagem mais segura é criar uma estratégia de materiais durante a fase de projeto, e não após a conclusão dos arquivos Gerber. Essa estratégia deve incluir um material preferencial, uma alternativa aprovada, verificação de disponibilidade, comparação de custos e confirmação elétrica.

A qualificação de um segundo fornecedor não significa simplesmente substituir uma marca por outra. Significa confirmar que o material substituto atende aos mesmos requisitos elétricos, térmicos, mecânicos e de fabricação. Para placas de circuito impresso de servidores de IA, até mesmo pequenas diferenças na espessura do dielétrico, Dk, Df, rugosidade do cobre ou comportamento da resina podem alterar o resultado final.

O que enviar para a Highleap Electronics para análise de materiais

Para recomendar os materiais certos para a placa de circuito impresso (PCB) do servidor de IA, a Highleap Electronics precisa de mais do que um esboço da placa ou um arquivo Gerber. Quanto mais cedo a análise dos materiais começar, mais fácil será reduzir custos, melhorar o rendimento e evitar a necessidade de redesenho.

Para uma análise rápida e útil, envie as seguintes informações:

• Função do quadro: Placa de GPU, placa aceleradora, placa de circuito impresso de comutação, backplane, placa-mãe, placa de rede, controlador de armazenamento ou placa de alimentação.
• Taxa de dados alvo: Geração PCIe, velocidade Ethernet, taxa SerDes, requisito de 112G/224G ou outra interface de alta velocidade.
• Número estimado de camadas e espessura da placa: Inclua todas as camadas de impedância e planos de alimentação necessários.
• Material preferido: Se o seu projeto já especificar Megtron, Tachyon, Astra, laminado especial de baixa perda, AGC, Shengyi ou outro laminado, forneça o número de peça exato, se disponível.
• Tabela de impedância controlada: Impedância single-ended e diferencial, tolerância, camadas de referência e geometria da trilha, se já definidas.
• Acumulação ou acumulação preliminar: Espessura do núcleo/pré-impregnado, peso do cobre e atribuição de camadas de alta velocidade.
• Detalhes do BGA: Passo, número de bolas, tamanho do pacote, requisito de via no pad e restrições de roteamento de escape.
• Requisitos de energia: Trilhos de alta corrente, espessura do cobre, áreas térmicas, corrente do conector e preocupações com a queda de tensão.
• Informações sobre a montagem: Lista de materiais (BOM), arquivo de posicionamento, encapsulamentos BGA grandes, almofadas térmicas, sensibilidade à refusão e requisitos de inspeção.
• Plano de produção: Quantidade de protótipos, produção piloto, previsão de produção em massa e data de entrega prevista.

Perguntas frequentes sobre materiais de PCB para servidores de IA

Qual o melhor material para placas de circuito impresso (PCB) de servidores com inteligência artificial?

Não existe um único material ideal para todas as placas de servidores de IA. Placas de GPU, placas aceleradoras, placas de comutação, backplanes, NICs e placas de alimentação têm requisitos diferentes. Camadas críticas de alta velocidade geralmente precisam de laminados de baixa, baixíssima ou ultrabaixa perda com cobre liso. Seções de alimentação ou controle de baixa velocidade podem usar materiais de alta Tg ou FR-4 modificado quando os requisitos elétricos e térmicos permitirem.

É possível usar placas de circuito impresso (PCBs) padrão FR-4 em servidores de IA?

O FR-4 padrão pode ser aceitável para controle de baixa velocidade, alimentação simples ou seções não críticas, mas geralmente não é adequado para longos caminhos SerDes de alta velocidade em sistemas de servidores de IA. Para canais de alta velocidade de 112G, 224G ou similares, o projeto normalmente requer um laminado com menor perda, cobre mais liso e melhor estabilidade de Dk.

Por que Dk e Df são importantes para materiais de PCB de servidores de IA?

O parâmetro Dk afeta a impedância e o atraso de propagação do sinal. O parâmetro Df afeta a perda dielétrica. Em placas de circuito impresso de servidores de IA, os canais de alta velocidade operam em frequências nas quais a perda dielétrica e a perda no condutor podem reduzir a margem de sinal. Um valor estável de Dk e um valor baixo de Df ajudam a manter a impedância controlada e a reduzir a perda de inserção.

Que tipo de folha de cobre deve ser usada para placas de circuito impresso (PCBs) de servidores de IA de alta velocidade?

As placas de circuito impresso (PCBs) de servidores de IA de alta velocidade geralmente utilizam folhas de cobre de baixo perfil, como VLP, HVLP, para reduzir as perdas nos condutores. Quanto mais lisa a superfície do cobre, menor tende a ser a perda nos condutores em altas frequências. A folha ideal deve ser selecionada considerando-se o laminado, a velocidade do sinal, o comprimento da trilha e o processo de fabricação.

O que é a inclinação da trama de vidro e por que isso é importante?

O desalinhamento da trama de vidro ocorre quando duas trilhas em um par diferencial experimentam ambientes dielétricos diferentes devido à estrutura da trama de vidro no laminado. Em altas taxas de dados, isso pode criar desalinhamento de temporização e reduzir a margem do diagrama de olho. Vidro espalhado, vidro de baixa constante dielétrica (Dk), um tipo de pré-impregnado adequado e uma estratégia de roteamento apropriada podem ajudar a reduzir esse risco.

As configurações híbridas de camadas são adequadas para PCBs de servidores de IA?

Sim, as configurações híbridas são comuns quando o projeto precisa equilibrar alto desempenho em alta velocidade e custo. A chave é usar materiais de baixa perda apenas onde são necessários e materiais mais econômicos nas demais áreas. No entanto, os materiais híbridos devem ter comportamento de laminação, coeficiente de expansão térmica (CTE) e janelas de processo de fabricação compatíveis.

Além de Dk e Df, quais outras propriedades do material devem ser verificadas?

Propriedades importantes incluem Tg, Td, T288, coeficiente de expansão térmica (CTE) no eixo Z, absorção de umidade, resistência à fadiga por contato de cobre (CAF), resistência ao descascamento, teor de resina, rugosidade da folha de cobre, disponibilidade do pré-impregnado e compatibilidade com múltiplos ciclos de laminação. Essas propriedades afetam o rendimento de fabricação, a confiabilidade da montagem e a operação a longo prazo.

Com que antecedência a seleção de materiais deve ser discutida com o fabricante da placa de circuito impresso?

A seleção de materiais deve ser discutida antes do layout final, sempre que possível. Para PCBs de servidores de IA, o material afeta a largura das trilhas, o espaçamento, a impedância, a espessura das camadas, a estrutura dos furos de passagem, a perfuração traseira e o custo. Se o material for alterado após o layout, o empilhamento de camadas e a integridade do sinal podem precisar ser recalculados.

Quais arquivos são necessários para um orçamento de material de PCB para um servidor de IA?

Para orçamento e análise técnica, envie arquivos Gerber ou ODB++, configuração de camadas (stacking), requisitos de impedância, preferências de materiais, arquivos de furação, espessura da placa, gramatura do cobre, acabamento superficial, lista de materiais (BOM), arquivo de pick-and-place e requisitos de montagem. Mesmo que o projeto não esteja finalizado, informações preliminares sobre a configuração de camadas e a velocidade da interface ainda são úteis.

A Highleap Electronics pode ajudar tanto na fabricação quanto na montagem de placas de circuito impresso (PCBs)?

Sim. A Highleap Electronics oferece suporte à fabricação e montagem de PCBs. Para projetos de servidores de IA e computação de alto desempenho, a revisão conjunta da fabricação e da montagem ajuda a reduzir os riscos relacionados à seleção de materiais, empenamento da placa, soldagem de BGA, massa térmica, inspeção e rendimento da produção.