Materiale PCB pentru servere AI: Laminate cu pierderi reduse, Stack-Up, Ghid termic și PCBA

Alegerea materialelor PCB pentru servere AI nu este același lucru cu alegerea unui laminat FR-4 normal. Hardware-ul serverelor AI combină canale SerDes de mare viteză, furnizarea de putere GPU sau accelerator, un număr mare de straturi, rutare BGA densă, planuri grele de cupru, control strict al impedanței și fiabilitate termică pe termen lung într-un singur sistem de placă. Dacă este selectat materialul PCB greșit, problema poate apărea ca pierderi de inserție, diagrame cu ochi închis, impedanță instabilă, creștere excesivă a temperaturii, oboseală prin oboseală, risc CAF, deformare, defecte de asamblare sau producție întârziată deoarece laminatul necesar nu este disponibil.

Acest ghid este scris pentru ingineri, startup-uri de hardware, echipe de achiziții și manageri de produs care caută răspunsuri practice la întrebări precum: Ce material PCB ar trebui să utilizez pentru o placă de bază pentru servere AI? Este suficient FR-4? Când am nevoie de Megtron, Tachyon, Astra, laminat special cu pierderi reduse sau alt laminat cu pierderi reduse? Cum afectează Dk, Df, rugozitatea cuprului și țesătura de sticlă canalele de 112G sau 224G? Ce ar trebui să întreb un producător de PCB înainte de a bloca stack-up-ul?

Highleap Electronics este o fabrică de producție și asamblare PCB. Pentru proiecte de servere AI, GPU, acceleratoare, rețele și calcul de înaltă performanță, abordarea corectă nu este de a selecta un nume de material separat. Materialul trebuie verificat împreună cu viteza semnalului, lungimea canalului, numărul de straturi, structura impedanței, greutatea cuprului, structura via-urilor, procesul de laminare, profilul de lipire și cerințele pachetului componentelor.

Ce trebuie să rezolve materialele PCB pentru serverele AI

Serverele AI aplică o presiune neobișnuită asupra materialelor PCB, deoarece placa nu este doar un purtător mecanic pentru componente. Face parte din canalul electric, rețeaua de alimentare, calea de încălzire și structura de fiabilitate. Materialul afectează în mod direct pierderea semnalului, stabilitatea impedanței, asimetria de temporizare, expansiunea termică, supraviețuirea la lipire și randamentul producției finale.

Un PCB industrial convențional poate fi selectat în principal în funcție de rezistența la uzură (Tg), greutatea cuprului, grosimea plăcii și cost. Un PCB pentru server AI necesită o analiză mult mai aprofundată. Materialul trebuie să suporte comunicarea digitală de mare viteză între GPU-uri, procesoare, dispozitive de memorie, retimere, switch-uri, plăci de rețea, backplane-uri, controlere de stocare și module de alimentare. Placa poate conține zeci de straturi, cicluri multiple de laminare, fire de acces oarbe și îngropate, back-drilling, rutare de evacuare BGA foarte densă și căi de curent mari.

Cel mai important aspect este că „cel mai bun” material pentru PCB-ul unui server AI depinde de funcția plăcii. O placă de bază GPU, o placă de accelerare, o placă de comutare, o placă de bază, un controler de stocare și o placă de distribuție a energiei nu necesită întotdeauna același laminat. Utilizarea de materiale cu pierderi ultra-scăzute peste tot poate crește costurile în mod inutil. Utilizarea standardului FR-4 pe straturile critice de mare viteză poate provoca defecțiuni electrice. Un plan bun de materiale separă straturile critice de straturile necritice și construiește o stivă care satisface atât cerințele de inginerie, cât și pe cele de producție.

Cerințe materiale pentru diferite plăci de bază pentru servere AI

Un server AI conține mai multe tipuri de PCB. Fiecare placă are un echilibru diferit între integritatea semnalului, furnizarea de energie, sarcina termică și sensibilitatea la cost. Înainte de a alege un laminat, identificați tipul de placă și interfețele pe care le are.

De aceea, o căutare pentru „materiale PCB pentru servere AI” nu poate fi răspunsă printr-un singur nume de material. Răspunsul corect începe cu harta semnalului. Care straturi transportă perechi diferențiale de 112G sau 224G? Care trasee sunt suficient de scurte pentru a tolera un material cu cost mai mic? Care straturi sunt în principal pentru controlul puterii sau al vitezei reduse? Care secțiuni necesită o greutate mare a cuprului? Ce BGA necesită HDI? Un producător de PCB ar trebui să analizeze aceste întrebări înainte de a recomanda o suprapunere (stack-up).

Cum să alegeți laminate cu pierderi reduse pentru PCB-uri de servere AI

Cele mai căutate proprietăți ale materialelor pentru PCB-urile serverelor de inteligență artificială sunt Dk și Df . Dk, sau constanta dielectrică, afectează impedanța și întârzierea de propagare. Df, sau factorul de disipație, afectează pierderea dielectrică. La frecvențe înalte, o mică diferență în Df poate deveni o diferență mare în pierderea canalului, în special atunci când lungimea traseului este mare sau când canalul include conectori, fire de curent, pachete și retimere.

Pentru hardware-ul serverelor AI, selecția laminatului ar trebui să se bazeze pe bugetul total al canalului, nu doar pe o valoare din fișa tehnică. Un material cu un Df mai mic oferă, în general, o performanță mai bună a pierderilor, dar rezultatul finit al plăcii depinde și de rugozitatea cuprului, grosimea dielectricului, țesătura sticlei, geometria urmelor, tranzițiile via, găurirea din spate, calitatea conectorului și toleranța de fabricație.

Familiile comune de materiale PCB de mare viteză utilizate în proiecte de servere, rețele și HPC includ seria Panasonic MEGTRON, seria Isola Tachyon și I-Tera, Isola Astra MT77, materiale laminate speciale de înaltă frecvență cu pierderi reduse, materiale AGC și alte sisteme CCL calificate cu pierderi reduse. Cu toate acestea, denumirile materialelor nu ar trebui tratate ca înlocuitori automati unul pentru celălalt. Chiar și atunci când două materiale au valori Df similare, acestea pot diferi în ceea ce privește Dk, opțiunea foliei de cupru, curgerea rășinii, disponibilitatea grosimii, CTE, comportamentul la laminare, rezistența la decojire și furnizarea pe termen lung.
Dacă designul serverului specifică MEGTRON M, Fabricație multistrat MEGTRON M ar trebui evaluat în funcție de construcția aprobată, mai degrabă decât de o etichetă de material la nivel de familie.

Folie de cupru, pânză de sticlă, sistem de rășină și design suprapus

Pentru materialele PCB pentru servere AI, laminatul este doar o parte a ecuației de performanță. Folia de cupru, țesătura de sticlă și sistemul de rășină sunt la fel de importante. Multe erori de integritate a semnalului se produc deoarece echipa de proiectare verifică Dk și Df, dar ignoră rugozitatea conductorului, asimetria țesăturii de sticlă sau comportamentul de suprapunere hibridă.

1. Folie de cupru: de ce contează HVLP

La frecvențe multi-GHz, curentul semnalului circulă în apropierea suprafeței conductorului. Cuprul rugos crește traseul efectiv de curent și crește pierderile în conductor. Acesta este motivul pentru care PCB-urile serverelor AI de mare viteză necesită adesea cupru cu profil foarte redus, cupru VLP, cupru HVLP sau opțiuni echivalente de cupru neted. Pentru canalele lungi de 112G sau 224G, rugozitatea cuprului poate fi un factor major care contribuie la pierderile de inserție.

Când examinați folia de cupru, verificați:

• Indiferent dacă materialul utilizează cupru standard, cupru RTF, VLP, HVLP sau HVLP3.
• Valoarea rugozității utilizată în modelul de integritate a semnalului.
• Dacă opțiunea de folie de cupru este disponibilă pentru grosimea laminatului și greutatea cuprului necesare.
• Dacă folia selectată menține o rezistență suficientă la decojire după fabricare și asamblare.
• Dacă producătorul PCB poate controla gravarea pentru liniile fine și toleranța de impedanță necesare.

2. Pânză de sticlă: stabilitate asimetrică și impedanță

Țesătura de sticlă creează variații dielectrice locale, deoarece semnalul poate trece peste fascicule de sticlă și zone bogate în rășină. La viteze mai mici, acest lucru poate fi acceptabil. La ratele de transfer de date ale serverelor de inteligență artificială, în special pe perechi diferențiale mai lungi, asimetria țesăturii de sticlă poate reduce marja de sincronizare și vizibilitatea.

Stack-up-urile de servere AI utilizează adesea sticlă dispersată, sticlă cu Dk scăzut sau sticlă cu țesătură pătrată pentru a crea un mediu dielectric mai uniform. Rutarea perechilor diferențiale la un unghi ușor, utilizarea stilurilor prepreg adecvate și menținerea consecvenței geometriei perechilor pot ajuta, de asemenea, la reducerea asimetriei. Aceste alegeri ar trebui discutate în timpul proiectării stack-up-ului, mai degrabă decât după finalizarea aspectului PCB.

3. Sistem de rășină: comportament termic și de procesare

Sistemul de rășină afectează Df, Tg, Td, absorbția umidității, rezistența CAF, curgerea rășinii și calitatea laminării. Pentru PCB-urile serverelor AI, rășina trebuie să reziste la expuneri termice multiple: laminarea PCB-ului, întărirea măștii de lipire, prelucrarea finisajului suprafeței, lipirea prin reflow și funcționarea pe termen lung într-un mediu de server cu temperatură ridicată.

Întrebările importante legate de rășină includ:

• Este materialul compatibil cu mai multe cicluri de laminare?
• Are materialul o Tg și o temperatură de descompunere adecvate pentru profilul de asamblare?
• Are o absorbție redusă de umiditate pentru a reduce riscul de reflow și fiabilitate?
• Este rezistent la CAF pentru structuri dense de înaltă tensiune sau cu spațiere fină?
• Poate prepreg-ul să ofere o curgere suficientă a rășinii în jurul cuprului greu și a straturilor interioare complexe?

4. Stack-up-uri hibride: performanță fără costuri inutile

Multe plăci de bază pentru servere cu inteligență artificială utilizează stack-up-uri hibride. Straturile critice de mare viteză utilizează materiale cu pierderi reduse sau ultra-reduse, în timp ce straturile de viteză mai mică sau de putere/control utilizează materiale din clasa FR-4, cu Tg ridicat sau pierderi reduse, mai rentabile. Această abordare poate reduce costurile, dar trebuie proiectată cu atenție.

Construcția hibridă creează întrebări suplimentare legate de fabricație:

• Au materialele valori CTE compatibile?
• Va funcționa ciclul de presare pentru toate miezurile și preimpregnatele din stivă?
• Va fi suficientă curgerea rășinii în jurul straturilor cu conținut ridicat de cupru?
• Va rămâne placa plată după laminare și reflow?
• Poate producătorul să mențină înregistrarea și toleranța de impedanță pe întreaga construcție?

O configurație hibridă nu ar trebui tratată ca o simplă înlocuire pentru economisirea costurilor. Ar trebui simulată, calculată și revizuită de producătorul PCB-ului înainte de lansarea machetei.

Provocări termice, de furnizare a energiei și de fiabilitate

Plăcile de bază pentru servere bazate pe inteligență artificială au o densitate de putere foarte mare. GPU-urile, acceleratoarele, switch-urile de mare viteză, dispozitivele de memorie, VRM-urile și modulele optice sau de rețea pot crea puncte fierbinți localizate. Selecția materialului pentru PCB afectează modul în care placa gestionează căldura mecanic și electric, chiar și atunci când principala metodă de răcire este un radiator, o placă rece sau un sistem de răcire cu lichid.

Furnizarea de energie și planificarea cuprului

Furnizarea de curent mare necesită plăci de cupru cu rezistență redusă, o proiectare atentă a via-urilor și o decuplare suficientă. Pentru acceleratoarele AI și plăcile GPU, planificarea cuprului nu se referă doar la ampacitate. De asemenea, afectează grosimea plăcii, echilibrul laminării, găurirea, placarea, uniformitatea gravării, deformarea și performanța de lipire.

Printre considerațiile cheie privind materialele de alimentare cu energie se numără:

• Greutatea și distribuția plană a cuprului în stratul interior.
• Căderea de tensiune și rezistența de curent continuu a căilor de alimentare.
• Creștere termică în jurul VRM-urilor, pinilor de alimentare ai GPU-ului și conectorilor de curent ridicat.
• Număr de via, dimensiunea via, grosimea plăcii și comportamentul de partajare a curentului.
• Indiferent dacă straturile grele de cupru cauzează înfometarea rășinii sau goluri de laminare.

CTE pe axa Z și fiabilitatea găurilor traversante placate

PCB-urile serverelor AI cu număr mare de straturi pot fi vulnerabile la oboseala prin cabluri, deoarece cilindrul de cupru placat și laminatul se extind la viteze diferite în timpul ciclului termic. Materialele cu o CTE pe axa Z mai mică și mai controlată ajută la reducerea stresului pe găurile traversante și canalele placate. Acest lucru este important în special pentru plăcile de bază groase, plăcile intermediare, plăcile de comutare și plăcile de accelerare care sunt supuse încălzirii și răcirii repetate în timpul funcționării.

Fișe termice, monede de cupru și căi de căldură locale

Unele plăci de bază pentru servere cu inteligență artificială necesită matrici de fire termice prin cabluri, zone de cupru gros, plăci metalice în cupru, inserții metalice sau caracteristici localizate de dispersie termică. Aceste structuri trebuie planificate odată cu materialul și procesul de laminare. O plăcuță metalică în cupru sau o zonă de cupru gros poate ajuta la eliminarea căldurii, dar poate crea și probleme de nepotrivire a coeficientului de dilatare termică (CTE), dezechilibru de lipire sau probleme de planeitate dacă nu este proiectată pentru fabricabilitate.

Absorbția umidității și fiabilitatea refluxului

Absorbția redusă a umidității este importantă pentru PCB-urile serverelor AI de înaltă fiabilitate. Umiditatea din interiorul laminatului poate crește riscul de delaminare, rupere, formare de vezicule sau alte defecte de stres termic în timpul lipirii. Acest lucru devine cu atât mai important atunci când placa este groasă, are un număr mare de straturi, este din material hibrid sau este asamblată cu BGA-uri mari și componente cu masă termică mare.

Considerații privind fabricația și asamblarea PCB-urilor

Un material care arată excelent într-o fișă tehnică poate totuși să eșueze în producție dacă este dificil de fabricat sau de asamblat. Materialele PCB pentru servere de inteligență artificială trebuie evaluate împreună cu întregul proces de fabricație: găurire, despăturire, placare, imagistică, gravare, laminare, găurire inversă, finisaj suprafață, mască de lipire, rutare, testare electrică și asamblare finală PCB.

Riscurile de fabricație a PCB-urilor

Riscuri legate de asamblarea PCB-urilor

Deoarece Highleap Electronics oferă servicii atât pentru fabricarea, cât și pentru asamblarea PCB-urilor, analiza materialelor ar trebui să includă și procesul PCBA. O placă de bază groasă pentru servere AI cu BGA-uri mari, cupru greu, conectori cu masă termică mare și componente sensibile de mare viteză poate necesita un profil de reflow personalizat și un control atent al deformării.

• Deformare BGA: Pachetele mari pentru GPU, CPU, FPGA sau switch necesită o bună planeitate a plăcii de bază și un control stabil al reflow-ului.
• Dezechilibru termic al masei: Zonele grele de cupru și conectorii mari pot crea o încălzire neuniformă în timpul lipirii.
• Controlul umidității: Coacerea, depozitarea și manipularea pot fi necesare pentru construcții cu fiabilitate ridicată sau sensibile la umiditate.
• Curăţenie: Plăcile de înaltă densitate pot necesita un control strict al contaminării ionice pentru a reduce scurgerile și riscurile legate de CAF.
• inspecţie: Inspecția cu raze X este importantă pentru BGA, via-in-pad și îmbinări de lipire ascunse.
• Limitarea relucării: Reprocesarea BGA-urilor mari pe plăcile de bază pentru servere AI de mare valoare trebuie planificată cu atenție, deoarece expunerea repetată la căldură poate solicita laminatul.

Riscul de aprovizionare, controlul costurilor și planificarea sursei secundare

Materialele PCB pentru serverele de inteligență artificială sunt adesea mai dificil de obținut decât laminatele standard. CCL-ul de înaltă performanță, prepreg-ul special, folia de cupru HVLP și anumite stiluri de sticlă pot avea termene de livrare, cantități minime de comandă sau limite de alocare mai lungi. Un design care depinde de un material rar, fără un înlocuitor aprobat, poate întârzia un program hardware complet.

Cea mai sigură abordare este crearea unei strategii privind materialele în faza de proiectare, nu după finalizarea fișierelor Gerber. Această strategie ar trebui să includă un material preferat, o alternativă aprobată, o analiză a disponibilității, o comparare a costurilor și o confirmare electrică.

Calificarea de la o sursă secundară nu înseamnă pur și simplu înlocuirea unei mărci cu alta. Înseamnă confirmarea faptului că materialul substitutiv poate îndeplini aceleași cerințe electrice, termice, mecanice și de fabricație. Pentru PCB-urile serverelor de inteligență artificială, chiar și mici diferențe de grosime a dielectricului, Dk, Df, rugozitatea cuprului sau comportamentul rășinii pot schimba rezultatul final.

Ce să trimiteți către Highleap Electronics pentru o analiză a materialelor

Pentru a recomanda materialele potrivite pentru PCB-uri pentru servere AI, Highleap Electronics are nevoie de mai mult decât o schiță a plăcii sau un fișier Gerber. Cu cât începe mai devreme analiza materialelor, cu atât este mai ușor să reduci costurile, să îmbunătățești randamentul și să eviți reproiectarea.

Pentru o analiză rapidă și utilă, vă rugăm să trimiteți următoarele informații:

• Funcția consiliului de administrație: Placă GPU, placă de accelerare, PCB a comutatorului, backplane, placă de bază, placă de rețea, controler de stocare sau placă de alimentare.
• Rată de date țintă: Generație PCIe, viteză Ethernet, rată SerDes, cerințe de 112G/224G sau altă interfață de mare viteză.
• Număr estimat de straturi și grosimea plăcii: Includeți orice straturi de impedanță și planuri de putere necesare.
• Material preferat: Dacă proiectul dumneavoastră specifică deja Megtron, Tachyon, Astra, laminat special cu pierderi reduse, AGC, Shengyi sau alt laminat, furnizați codul exact al piesei, dacă este disponibil.
• Tabelul impedanței controlate: Impedanță unidirecțională și diferențială, toleranță, straturi de referință și geometria traseului, dacă sunt deja definite.
• Stivuire sau stivuire preliminară: Grosimea miezului/prepreg-ului, greutatea cuprului și atribuirea straturilor de mare viteză.
• Detalii BGA: Pasul, numărul de bile, dimensiunea pachetului, cerința via-in-pad și constrângerile de rută de evacuare.
• Cerințe de alimentare: Șine de curent înalt, greutatea cuprului, zonele termice, problemele legate de curentul conectorului și căderea de tensiune.
• Informații despre asamblare: BOM, fișier de plasare, pachete BGA mari, plăcuțe termice, sensibilitate la reflow și cerințe de inspecție.
• Plan de producție: Cantitatea prototipului, construcția pilot, prognoza producției de masă și data țintă de livrare.

Întrebări frecvente despre materialele PCB pentru servere AI

Care este cel mai bun material PCB pentru plăcile de bază pentru servere AI?

Nu există un singur material optim pentru fiecare placă de bază pentru servere AI. Plăcile GPU, plăcile de accelerare, plăcile de comutare, plăcile de bază, plăcile de rețea și plăcile de alimentare au cerințe diferite. Straturile critice de mare viteză necesită de obicei laminate cu pierderi reduse, foarte reduse sau ultra-reduse cu cupru neted. Secțiunile de putere sau de control cu ​​viteză redusă pot utiliza materiale FR-4 modificate sau cu Tg ridicat atunci când cerințele electrice și termice permit acest lucru.

Pot plăcile de circuit imprimat ale serverelor AI să utilizeze standardul FR-4?

Standardul FR-4 poate fi acceptabil pentru controlul vitezei reduse, alimentare simplă sau secțiuni necritice, dar de obicei nu este potrivit pentru căi SerDes lungi și de mare viteză în sistemele de servere AI. Pentru canale de mare viteză de 112G, 224G sau similare, designul necesită în mod normal un laminat cu pierderi mai mici, cupru mai neted și o stabilitate Dk mai bună.

De ce sunt importante Dk și Df pentru materialele PCB ale serverelor AI?

Dk afectează impedanța și întârzierea de propagare a semnalului. Df afectează pierderea dielectrică. În PCB-urile serverelor de inteligență artificială, canalele de mare viteză funcționează la frecvențe unde pierderea dielectrică și pierderea conductorului pot reduce marja semnalului. Un Dk stabil și un Df scăzut ajută la menținerea unei impedanțe controlate și la reducerea pierderii de inserție.

Ce folie de cupru ar trebui utilizată pentru PCB-urile serverelor AI de mare viteză?

PCB-urile serverelor AI de mare viteză utilizează adesea VLP, HVLP sau alte folii de cupru cu profil redus pentru a reduce pierderile în conductori. Cu cât suprafața de cupru este mai netedă, cu atât pierderile în conductorul de înaltă frecvență tind să fie mai mici. Folia exactă trebuie selectată împreună cu laminatul, viteza semnalului, lungimea urmei și procesul de fabricație.

Ce este înclinarea țesăturii de sticlă și de ce contează?

Asimetria țesăturii sticlei apare atunci când două urme dintr-o pereche diferențială se confruntă cu medii dielectrice diferite din cauza structurii sticlei țesute din laminat. La rate de transfer de date mari, acest lucru poate crea o nepotrivire de sincronizare și poate reduce marginea ochiului. Sticla întinsă, sticla cu Dk scăzut, un stil de prepreg adecvat și o strategie de rutare pot ajuta la reducerea acestui risc.

Sunt stack-up-urile hibride potrivite pentru PCB-urile serverelor de inteligență artificială?

Da, suprapunerile hibride sunt frecvente atunci când proiectarea trebuie să echilibreze performanța de mare viteză și costul. Cheia este de a plasa materiale cu pierderi reduse doar acolo unde sunt necesare și de a utiliza materiale mai rentabile în alte părți. Cu toate acestea, materialele hibride trebuie să aibă un comportament de laminare, un coeficient de declanșare termică (CTE) și ferestre de proces de fabricație compatibile.

Ce proprietăți ale materialelor ar trebui verificate în afară de Dk și Df?

Proprietățile importante includ Tg, Td, T288, CTE pe axa Z, absorbția umidității, rezistența CAF, rezistența la decojire, conținutul de rășină, rugozitatea foliei de cupru, disponibilitatea prepreg-ului și compatibilitatea cu cicluri multiple de laminare. Aceste proprietăți afectează randamentul de fabricație, fiabilitatea asamblării și funcționarea pe termen lung.

Cât de devreme ar trebui discutată alegerea materialelor cu producătorul PCB-ului?

Alegerea materialului ar trebui discutată înainte de configurația finală, ori de câte ori este posibil. Pentru PCB-urile serverelor de inteligență artificială, materialul afectează lățimea traseului, spațierea, impedanța, grosimea stratului, structura via, găurirea din spate și costul. Dacă materialul este schimbat după configurație, este posibil să fie nevoie să se recalculeze suprapunerea și integritatea semnalului.

Ce fișiere sunt necesare pentru o ofertă de preț pentru materiale PCB pentru servere AI?

Pentru ofertă și revizuire tehnică, trimiteți fișiere Gerber sau ODB++, informații despre stack-up, cerințe de impedanță, preferințe privind materialele, fișiere de găurire, grosimea plăcii, greutatea cuprului, finisajul suprafeței, lista de materiale (BOM), fișierul pick-and-place și cerințele de asamblare. Dacă proiectul nu este final, informațiile preliminare despre stack-up și viteza interfeței sunt totuși utile.

Poate Highleap Electronics să ajute atât la fabricarea PCB-urilor, cât și la asamblarea acestora?

Da. Highleap Electronics oferă asistență pentru fabricarea și asamblarea PCB-urilor. Pentru proiectele de servere AI și calcul de înaltă performanță, revizuirea împreună a fabricației și asamblării ajută la reducerea riscurilor legate de selecția materialelor, deformarea plăcii, lipirea BGA, masa termică, inspecție și randamentul producției.