Матеріали для друкованих плат серверів штучного інтелекту: ламінати з низькими втратами, стекування, термообробка та посібник з друкованих плат

Вибір Матеріали для друкованих плат сервера штучного інтелекту не те саме, що вибрати звичайний ламінат FR-4. Апаратне забезпечення сервера штучного інтелекту поєднує високошвидкісні канали SerDes, живлення графічного процесора або прискорювача, велику кількість шарів, щільну трасу BGA, важкі мідні площини, суворий контроль імпедансу та довготривалу теплову надійність в одній платі. Якщо вибрано неправильний матеріал друкованої плати, проблема може проявлятися у вставних втратах, діаграмах закритого ока, нестабільному імпедансі, надмірному підвищенні температури, втомі матеріалу, ризику CAF, деформації, дефектах складання або затримці виробництва через відсутність необхідного ламінату.

Цей посібник написаний для інженерів, стартапів у сфері апаратного забезпечення, команд закупівель та менеджерів продуктів, які шукають практичні відповіді на такі питання, як: Який матеріал для друкованої плати слід використовувати для серверної плати штучного інтелекту? Чи достатньо FR-4? Коли мені потрібен Megtron, Tachyon, Astra, Rogers або інший ламінат з низькими втратами? Як Dk, Df, шорсткість міді та скляне плетіння впливають на канали 112G або 224G? Що слід запитати у виробника друкованих плат перед заморожуванням стека?

Highleap Electronics – це завод з виробництва та складання друкованих плат. Для проектів серверів штучного інтелекту, графічних процесорів, прискорювачів, мереж та високопродуктивних обчислень правильний підхід полягає не у виборі назви матеріалу окремо. Матеріал необхідно перевіряти разом зі швидкістю сигналу, довжиною каналу, кількістю шарів, структурою імпедансу, вагою міді, структурою переходних отворів, процесом ламінування, профілем паяння та вимогами до корпусу компонентів.

Які матеріали для друкованих плат ШІ-сервера мають вирішити

Сервери штучного інтелекту створюють надзвичайне навантаження на матеріали друкованих плат, оскільки плата є не лише механічним носієм для компонентів. Вона є частиною електричного каналу, мережі подачі живлення, теплового шляху та надійної структури. Матеріал безпосередньо впливає на втрати сигналу, стабільність імпедансу, часові перекоси, теплове розширення, стійкість до паяння та кінцевий вихід продукції.

Звичайну промислову друковану плату можна вибрати головним чином за температурою нагрівання (Tg), вагою міді, товщиною плати та вартістю. Друкована плата сервера штучного інтелекту потребує набагато глибшого аналізу. Матеріал повинен підтримувати високошвидкісний цифровий зв'язок між графічними процесорами, центральними процесорами, пристроями пам'яті, таймерами, комутаторами, мережевими картами, об'єднувальними платами, контролерами зберігання даних та модулями живлення. Плата може містити десятки шарів, кілька циклів ламінування, сліпі та приховані переходні отвори, зворотне свердління, дуже щільну маршрутизацію BGA та великі шляхи струму.

Найважливіший момент полягає в тому, що «найкращий» матеріал для друкованої плати сервера штучного інтелекту залежить від функції плати. Материнська плата графічного процесора, плата прискорювача, плата комутатора, об'єднувальна плата, контролер накопичувача та плата розподілу живлення не завжди потребують однакового ламінату. Використання матеріалу з наднизькими втратами всюди може безпідставно збільшити вартість. Використання стандартного FR-4 на критичних високошвидкісних шарах може призвести до електричних збоїв. Гарний план матеріалів відокремлює критичні шари від некритичних та створює стек, який задовольняє як інженерні, так і виробничі вимоги.

Вимоги до матеріалів для різних плат серверів штучного інтелекту

Сервер штучного інтелекту містить кілька типів друкованих плат. Кожна плата має різний баланс цілісності сигналу, подачі живлення, теплового навантаження та чутливості до вартості. Перш ніж вибрати ламінат, визначте тип плати та інтерфейси, які вона має.

Ось чому на пошуковий запит «матеріали для друкованих плат серверів штучного інтелекту» неможливо відповісти однією назвою матеріалу. Правильна відповідь починається з карти сигналів. Які шари несуть диференціальні пари 112G або 224G? Які доріжки достатньо короткі, щоб витримувати використання дешевшого матеріалу? Які шари в основному призначені для живлення або низькошвидкісного керування? Які секції потребують великої ваги міді? Які BGA вимагають HDI? Виробник друкованих плат повинен переглянути ці питання, перш ніж рекомендувати стек.

Як вибрати ламінати з низькими втратами для друкованих плат серверів штучного інтелекту

Найпопулярніші властивості матеріалів для друкованих плат ШІ-серверів: Dk та DfDk, або діелектрична проникність, впливає на імпеданс і затримку поширення. Df, або коефіцієнт діелектричних втрат, впливає на діелектричні втрати. На високих частотах невелика різниця в Df може призвести до значної різниці у втратах у каналі, особливо коли довжина доріжки велика або коли канал містить роз'єми, перехідні отвори, корпуси та повторні таймери.

Для апаратного забезпечення серверів штучного інтелекту вибір ламінату повинен базуватися на загальному бюджеті каналу, а не лише на значенні з технічного опису. Матеріал з нижчим Df зазвичай забезпечує кращі показники втрат, але кінцевий результат плати також залежить від шорсткості міді, товщини діелектрика, плетіння скловолокна, геометрії доріжок, переходів між отворами, зворотного свердління, якості роз'єму та допуску виробництва.

До поширених сімейств матеріалів для високошвидкісних друкованих плат, що використовуються в серверах, мережах та проектах високопродуктивних обчислень, належать серії Panasonic MEGTRON, Isola Tachyon та I-Tera, Isola Astra MT77, високочастотні матеріали Rogers, матеріали AGC та інші кваліфіковані системи CCL з низькими втратами. Однак назви матеріалів не слід розглядати як автоматичну заміну один одного. Навіть якщо два матеріали мають схожі значення Df, вони можуть відрізнятися за Dk, варіантом мідної фольги, плинністю смоли, доступною товщиною, CTE, властивостями ламінування, міцністю на відшарування та довгостроковим терміном постачання.

Мідна фольга, склотканина, система смол та конструкція Stack-Up

Для матеріалів для друкованих плат серверів штучного інтелекту ламінат – це лише одна частина рівняння продуктивності. Система з мідної фольги, склотканини та смоли не менш важлива. Багато порушень цілісності сигналу трапляються через те, що команда розробників перевіряє Dk та Df, але ігнорує шорсткість провідника, перекіс склотканини або гібридну поведінку стекування.

1. Мідна фольга: чому важливий HVLP

На частотах кількох ГГц сигнальний струм протікає поблизу поверхні провідника. Шорстка мідь збільшує ефективний шлях струму та збільшує втрати в провіднику. Ось чому для високошвидкісних друкованих плат серверів штучного інтелекту часто потрібні дуже низькопрофільні мідні сплави, мідні сплави VLP, мідні сплави HVLP або еквівалентні гладкі мідні варіанти. Для довгих каналів 112 Гбіт/с або 224 Гбіт/с шорсткість міді може бути основним фактором, що сприяє внесенню втрат.

Під час перевірки мідної фольги перевірте:

• Незалежно від того, чи використовується матеріал стандартної міді, міді RTF, VLP, HVLP або HVLP3.
• Значення шорсткості, що використовується в моделі цілісності сигналу.
• Чи доступний варіант мідної фольги для необхідної товщини ламінату та ваги міді.
• Чи зберігає обрана фольга достатню міцність на відшаровування після виготовлення та складання.
• Чи може виробник друкованої плати контролювати травлення для забезпечення необхідних тонких ліній та допуску імпедансу.

2. Склотканина: стабільність перекосу та імпедансу

Скляне переплетення створює локальні діелектричні варіації, оскільки сигнал може проходити через скляні пучки та області, багаті на смолу. На нижчих швидкостях це може бути прийнятним. На швидкостях передачі даних на серверах штучного інтелекту, особливо на довших диференціальних парах, перекіс скляного переплетення може зменшити запас за часом та розкриття вічка.

У стеках серверів штучного інтелекту часто використовується розшаруване скло, скло з низьким Dk або скло квадратного плетіння для створення більш однорідного діелектричного середовища. Розведення диференціальних пар під невеликим кутом, використання відповідних типів препрегів та дотримання узгодженої геометрії пар також можуть допомогти зменшити перекіс. Ці варіанти слід обговорювати під час проектування стека, а не після завершення компонування друкованої плати.

3. Система смол: термічні та технологічні властивості

Система смоли впливає на Df, Tg, Td, поглинання вологи, стійкість до CAF, плинність смоли та якість ламінування. Для друкованих плат серверів штучного інтелекту смола повинна витримувати численні термічні впливи: ламінування друкованої плати, затвердіння паяльної маски, обробку поверхні, паяння оплавленням та тривалу експлуатацію в умовах високої температури серверного середовища.

Важливі питання, пов'язані зі смолою, включають:

• Чи сумісний матеріал з кількома циклами ламінування?
• Чи має матеріал відповідну температуру стиснення (Tg) та температуру розкладання для профілю складання?
• Чи має він низьке поглинання вологи, щоб зменшити ризик паяння та надійності?
• Чи стійкий він до CAF для щільних високовольтних або дрібнорозташованих конструкцій?
• Чи може препрег забезпечити достатній потік смоли навколо важкої міді та складних внутрішніх шарів?

4. Гібридні стеки: продуктивність без зайвих витрат

Багато плат серверів штучного інтелекту використовують гібридні стеки. Критичні високошвидкісні шари використовують матеріали з низькими або наднизькими втратами, тоді як низькошвидкісні шари або шари живлення/керування використовують більш економічно ефективні матеріали класу FR-4 з високою Tg або низькими втратами. Такий підхід може знизити вартість, але його потрібно ретельно розробляти.

Гібридна конструкція створює додаткові виробничі питання:

• Чи мають матеріали сумісні значення КТР?
• Чи працюватиме цикл пресування для всіх стержнів та препрегів у стеку?
• Чи буде достатнім текучість смоли навколо шарів з високим вмістом міді?
• Чи залишиться плата рівною після ламінування та оплавлення?
• Чи може виробник підтримувати допуск реєстрації та імпедансу протягом усієї конструкції?

Гібридний стек не слід розглядати як просту заміну для економії коштів. Його слід змоделювати, розрахувати та перевірити виробником друкованих плат перед випуском макета.

Проблеми з теплопостачанням, енергопостачанням та надійністю

Серверні плати зі штучним інтелектом мають дуже високу щільність енергоспоживання. Графічні процесори, прискорювачі, високошвидкісні комутатори, пристрої пам'яті, модулі живлення (VRM) та оптичні або мережеві модулі можуть створювати локальні точки перегріву. Вибір матеріалу друкованої плати впливає на те, як плата обробляє тепло механічно та електрично, навіть якщо основним методом охолодження є радіатор, холодна пластина або система рідинного охолодження.

Планування постачання електроенергії та мідних з'єднань

Для живлення високою напругою потрібні мідні пластини з низьким опором, ретельне проектування переходних отворів та достатня розв'язка. Для плат прискорювачів штучного інтелекту та графічних процесорів планування мідних провідників залежить не лише від струмової міцності. Воно також впливає на товщину плати, баланс ламінування, свердління, покриття, рівномірність травлення, деформацію та продуктивність паяння.

Ключові міркування щодо матеріалів для подачі енергії включають:

• Вага міді у внутрішньому шарі та розподіл її площин.
• Падіння напруги та опір постійному струму силових ліній.
• Підвищення температури навколо модулів живлення (VRM), контактів живлення графічного процесора та роз'ємів високого струму.
• Кількість перехідних отворів, розмір перехідних отворів, товщина покриття та поведінка розподілу струму.
• Чи спричиняють важкі шари міді дефіцит смоли, чи порожнечі в ламінаті.

КТР по осі Z та надійність гальванічного наскрізного отвору

Друковані плати серверів штучного інтелекту з високою кількістю шарів можуть бути вразливими до втоми перехідних отворів, оскільки мідний корпус з покриттям та ламінат розширюються з різною швидкістю під час термоциклування. Матеріали з нижчим та більш контрольованим коефіцієнтом теплового розтягування по осі Z допомагають зменшити навантаження на наскрізні отвори та перехідні отвори з покриттям. Це особливо важливо для товстих задніх плат, проміжних плат, комутаторів та плат прискорювачів, які під час роботи зазнають багаторазового нагрівання та охолодження.

Теплові переходи, мідні монети та локальні теплові шляхи

Деякі плати серверів штучного інтелекту потребують теплових перехідних масивів, важких мідних областей, мідних «монеток», металевих вставок або локалізованих елементів розподілу тепла. Ці структури необхідно планувати з урахуванням матеріалу та процесу ламінування. Мідна «монетка» або важка мідна область можуть допомогти відвести тепло, але також можуть створити невідповідність КТР, дисбаланс паяння або проблеми з площинністю, якщо вони не розроблені для технологічної зручності.

Поглинання вологи та надійність пакування

Низьке поглинання вологи важливе для високонадійних друкованих плат серверів штучного інтелекту. Волога всередині ламінату може збільшити ризик розшарування, утворення пухирів, здуття або інших дефектів, спричинених термічним напруженням під час паяння. Це стає ще важливішим, коли плата товста, з великою кількістю шарів, виготовлена ​​з гібридного матеріалу або зібрана з великими BGA та компонентами з високою тепловою масою.

Міркування щодо виробництва та складання друкованих плат

Матеріал, який чудово виглядає в технічному описі, все одно може не вийти з ладу у виробництві, якщо його важко виготовити або зібрати. Матеріали друкованих плат серверів штучного інтелекту повинні бути оцінені разом з повним виробничим процесом: свердління, видалення плям, гальванічні покриття, нанесення зображень, травлення, ламінування, зворотне свердління, обробка поверхні, паяльна маска, трасування, електричні випробування та остаточне складання друкованої плати.

Ризики виробництва друкованих плат

Ризики складання друкованих плат

Оскільки Highleap Electronics займається як виробництвом друкованих плат, так і їх складанням, огляд матеріалів також повинен включати процес складання друкованих плат. Товста плата сервера штучного інтелекту з великими корпусами корпусу BGA, важкою міддю, роз'ємами з високою тепловою масою та чутливими високошвидкісними компонентами може вимагати індивідуального профілю оплавлення та ретельного контролю деформації.

• Деформація BGA: Для великих корпусів графічних процесорів, центральних процесорів, FPGA або комутаторів потрібна хороша площинність плати та стабільний контроль оплавлення.
• Тепловий дисбаланс маси: Важкі мідні ділянки та великі роз'єми можуть створювати нерівномірний нагрів під час паяння.
• Контроль вологості: Для високонадійних або чутливих до вологи конструкцій може знадобитися випікання, зберігання та обробка.
• чистота: Для плит високої щільності може знадобитися суворий контроль іонного забруднення для зменшення витоків та ризиків, пов'язаних з CAF.
• огляд: Рентгенівський контроль важливий для BGA, переходних майданчиків та прихованих паяних з'єднань.
• Обмеження на переробку: Переробку великих BGA на високоцінних платах серверів штучного інтелекту необхідно ретельно планувати, оскільки багаторазовий вплив тепла може навантажувати ламінат.

Ризик постачання, контроль витрат та планування вторинних джерел

Матеріали для друкованих плат серверів штучного інтелекту часто важче знайти, ніж стандартні ламінати. Високопродуктивні CCL, спеціальний препрег, мідна фольга HVLP та певні види скла можуть мати довші терміни виконання, мінімальні обсяги замовлення або обмеження розподілу. Конструкція, яка залежить від одного рідкісного матеріалу без затвердженої заміни, може затримати повну програму розробки обладнання.

Найбезпечніший підхід — створити стратегію матеріалів на етапі проектування, а не після завершення роботи з файлами Gerber. Ця стратегія повинна включати вибір бажаного матеріалу, затверджену альтернативу, перевірку доступності, порівняння вартості та підтвердження електричних характеристик.

Кваліфікація другого джерела не означає просту заміну одного бренду іншим. Це означає підтвердження того, що матеріал-замінник може відповідати тим самим електричним, тепловим, механічним та виробничим вимогам. Для друкованих плат серверів штучного інтелекту навіть невеликі відмінності в товщині діелектрика, Dk, Df, шорсткості міді або поведінці смоли можуть змінити кінцевий результат.

Що надіслати Highleap Electronics для перевірки матеріалів

Щоб рекомендувати правильні матеріали для друкованих плат серверів штучного інтелекту, Highleap Electronics потребує більше, ніж просто схеми плати чи файлу Gerber. Чим раніше розпочнеться огляд матеріалів, тим легше знизити витрати, підвищити продуктивність та уникнути переробки.

Для швидкого та корисного огляду, будь ласка, надішліть таку інформацію:

• Функція ради директорів: Плата відеокарти, плата прискорювача, друкована плата комутатора, об'єднувальна плата, материнська плата, мережева плата, контролер пам'яті або плата живлення.
• Цільова швидкість передачі даних: Покоління PCIe, швидкість Ethernet, швидкість SerDes, вимоги 112G/224G або інший високошвидкісний інтерфейс.
• Орієнтовна кількість шарів та товщина плити: Включіть будь-які необхідні шари імпедансу та площини живлення.
• Бажаний матеріал: Якщо у вашому проекті вже зазначено Megtron, Tachyon, Astra, Rogers, AGC, Shengyi або інший ламінат, надайте точний номер деталі, якщо такий є.
• Таблиця контрольованого імпедансу: Односторонній та диференціальний імпеданс, допуск, опорні шари та геометрія траси, якщо вже визначено.
• Укладання або попереднє укладання: Товщина осердя/препрега, вага міді та розподіл високошвидкісних шарів.
• Деталі BGA: Крок, кількість кульок, розмір корпусу, вимоги до переходних отворів у контактній площадкі та обмеження щодо маршрутизації евакуації.
• Вимоги до живлення: Сильнострумові шини, вага міді, теплові зони, проблеми зі струмом роз'єму та падінням напруги.
• Інформація про збірку: Специфікація матеріалів, файл розміщення, великі корпуси BGA, термопрокладки, чутливість до оплавлення та вимоги до контролю.
• Виробничий план: Кількість прототипів, пілотне виробництво, прогноз масового виробництва та цільова дата поставки.

Найчастіші запитання щодо матеріалів для друкованих плат ШІ-сервера

Який найкращий матеріал для друкованих плат для серверів штучного інтелекту?

Не існує єдиного найкращого матеріалу для кожної плати сервера штучного інтелекту. Плати графічних процесорів, плати прискорювачів, плати комутаторів, об'єднувальні плати, мережеві карти та плати живлення мають різні вимоги. Критично важливі високошвидкісні шари зазвичай потребують ламінату з низькими, дуже низькими або наднизькими втратами з гладкою міддю. Силові або низькошвидкісні секції керування можуть використовувати матеріали з високим Tg або модифіковані матеріали FR-4, якщо це дозволяють електричні та теплові вимоги.

Чи можуть друковані плати серверів штучного інтелекту використовувати стандарт FR-4?

Стандарт FR-4 може бути прийнятним для низькошвидкісного керування, простого живлення або некритичних секцій, але зазвичай він не підходить для довгих високошвидкісних шляхів SerDes у серверних системах штучного інтелекту. Для каналів 112G, 224G або подібних високошвидкісних каналів конструкція зазвичай потребує ламінату з меншими втратами, більш гладкої міді та кращої стабільності Dk.

Чому Dk та Df важливі для матеріалів друкованих плат серверів штучного інтелекту?

Dk впливає на імпеданс та затримку поширення сигналу. Df впливає на діелектричні втрати. У друкованих платах серверів штучного інтелекту високошвидкісні канали працюють на частотах, де діелектричні втрати та втрати в провіднику можуть зменшити запас сигналу. Стабільний Dk та низький Df допомагають підтримувати контрольований імпеданс та зменшити внесені втрати.

Яку мідну фольгу слід використовувати для високошвидкісних друкованих плат серверів штучного інтелекту?

На друкованих платах високошвидкісних серверів штучного інтелекту часто використовується VLP, HVLP або інша низькопрофільна мідна фольга для зменшення втрат у провідниках. Чим гладша поверхня міді, тим менші втрати у високочастотних провідниках. Точну фольгу слід вибирати разом із ламінатом, швидкістю сигналу, довжиною доріжки та виробничим процесом.

Що таке перекіс скляного плетіння і чому це важливо?

Перекіс скляного переплетення виникає, коли дві доріжки в диференціальній парі потрапляють у різні діелектричні середовища через структуру тканого скла в ламінаті. За високих швидкостей передачі даних це може призвести до невідповідності часу та зменшення запасу зорового поля. Розсіяне скло, скло з низьким Dk, відповідний тип препрега та стратегія трасування можуть допомогти зменшити цей ризик.

Чи підходять гібридні стеки для друкованих плат серверів штучного інтелекту?

Так, гібридні стеки є поширеними, коли конструкція має збалансувати високу швидкість та вартість. Ключовим є розміщення матеріалів з низькими втратами лише там, де вони потрібні, та використання більш економічно ефективних матеріалів в інших місцях. Однак гібридні матеріали повинні мати сумісні характеристики ламінування, коефіцієнт теплової експозиції (CTE) та технологічні вікна.

Які властивості матеріалу слід перевірити, крім Dk та Df?

Важливі властивості включають Tg, Td, T288, CTE по осі Z, поглинання вологи, стійкість до CAF, міцність на відшарування, вміст смоли, шорсткість мідної фольги, доступність препрегу та сумісність з кількома циклами ламінування. Ці властивості впливають на виробничий результат, надійність складання та довгострокову експлуатацію.

Як заздалегідь слід обговорити вибір матеріалу з виробником друкованих плат?

Вибір матеріалу слід обговорити перед остаточним складанням макета, коли це можливо. Для друкованих плат серверів штучного інтелекту матеріал впливає на ширину доріжок, інтервал між ними, імпеданс, товщину шарів, структуру переходних отворів, зворотне свердління та вартість. Якщо матеріал змінюється після складання макета, може знадобитися перерахувати стек та цілісність сигналу.

Які файли потрібні для отримання цінової пропозиції на матеріали для друкованої плати сервера штучного інтелекту?

Для отримання кошторису та інженерного огляду надішліть файли Gerber або ODB++, інформацію про стек, вимоги до імпедансу, бажані матеріали, файли свердління, товщину плати, вагу міді, обробку поверхні, специфікацію матеріалів, файл для вибору та розміщення та вимоги до складання. Якщо проект ще не остаточний, попередня інформація про стек та швидкість інтерфейсу все одно буде корисною.

Чи може Highleap Electronics допомогти як з виготовленням друкованих плат, так і зі складанням друкованих плат?

Так. Highleap Electronics підтримує виробництво та складання друкованих плат. Для проектів зі штучним інтелектом та високопродуктивних обчислень спільний аналіз виготовлення та складання допомагає зменшити ризики, пов'язані з вибором матеріалів, деформацією плати, паянням BGA, теплоємністю, контролем та виробничим виходом.