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Da generative KI, große Sprachmodelle (LLMs) und Hochleistungsrechnen (HPC) die digitale Welt in einem beispiellosen Tempo umgestalten, ist die Nachfrage nach Rechenleistung in Rechenzentren exponentiell in die Höhe geschnellt. Im Mittelpunkt dieser Computerrevolution fungieren KI-Server als Motor. Die Grenzen ihrer Leistung werden jedoch nicht mehr allein durch die Spezifikationen von Kernchips wie GPUs oder CPUs definiert, sondern zunehmend durch eine oft übersehene, aber kritisch wichtige Komponente eingeschränkt - die Hauptplatine und die Backplane-Leiterplatte (PCB). Die Herstellung von Leiterplatten für KI-Server-Motherboards hat sich von der traditionellen Leiterplattenproduktion zu einer hochmodernen Ingenieurdisziplin entwickelt, die Materialwissenschaft, elektromagnetische Feldtheorie, Thermodynamik und Präzisionsfertigung integriert. Sie bildet das „neuronale Netzwerk“, das Tausende von Hochgeschwindigkeitssignalkanälen verbindet und direkt den gesamten Datendurchsatz, die Signallatenz, die Betriebs-stabilität und die Energieeffizienz des Systems bestimmt. Aus der Perspektive eines Experten, der tief in Hochgeschwindigkeitsmaterialien und komplexer Lagenaufbauplanung bewandert ist, wird dieser Artikel die Kernherausforderungen und modernsten Lösungen bei der Herstellung von AI-Server-Motherboards und Backplane-PCBs systematisch analysieren. Wir werden uns mit jeder kritischen Phase befassen, von der physikalischen Begründung der Materialauswahl über das Co-Design von Signalintegrität (SI) und Powerintegrität (PI) bis hin zur Präzisionsfertigung und strengen Tests, um Ihnen einen umfassenden technischen Leitfaden für die Navigation in diesem komplexen Bereich zu bieten.

Die Grundlage: Warum die Materialauswahl für AI-Server-PCBs über Erfolg oder Misserfolg entscheidet?

Wenn Signalraten auf 112Gbps-PAM4 ansteigen und sogar 224Gbps-PAM4 erreichen, wird der Signalübertragungszyklus auf das Pikosekunden-Niveau komprimiert. Bei solch hohen Frequenzen ist das PCB-Material selbst kein passiver isolierender Träger mehr, sondern wird zum primären Faktor, der die Signalqualität beeinflusst. Herkömmliche FR-4-Materialien wirken mit ihrem hohen dielektrischen Verlust bei hohen Frequenzen wie Schwämme, die wertvolle Signalenergie "absorbieren" und über lange Übertragungswege schwere Verzerrungen verursachen, wodurch das Signal am Empfangsende unlesbar wird. Daher ist die Auswahl des richtigen verlustarmen Hochgeschwindigkeitsmaterials der erste und kritischste Schritt bei der Herstellung von AI-Server-Motherboard-PCBs.

• Die physikalische Bedeutung von dielektrischen Materialien mit extrem geringen Verlusten: Industriestandards wie Panasonics Megtron-Serie (6/7/8) und Isolas Tachyon 100G verdanken ihre Bedeutung zwei entscheidenden physikalischen Parametern: einer extrem niedrigen Dielektrizitätskonstante (Dk) und einem geringen Verlustfaktor (Df).

  • Niedriger Dk: Die Dielektrizitätskonstante beeinflusst direkt die Signalausbreitungsgeschwindigkeit (Vp ∝ 1/√Dk). Ein niedrigerer Dk bedeutet, dass Signale innerhalb der Leiterplatte schneller übertragen werden, was die Latenz reduziert - ein kritischer Faktor für groß angelegte Parallelverarbeitung, die eine präzise Synchronisation erfordert.
  • Niedriger Df: Der Verlustfaktor quantifiziert den Anteil der elektromagnetischen Wellenenergie, der beim Durchgang durch das Medium in Wärme umgewandelt wird. Bei hohen Frequenzen von 112 Gbit/s wird selbst ein scheinbar geringer Unterschied im Df dramatisch verstärkt. Zum Beispiel halbiert die Reduzierung des Df von 0,004 auf 0,002 nahezu die durch das Medium verursachte Einfügedämpfung. Für eine 20-Zoll-Backplane-Leiterbahn könnte dies den Unterschied zwischen einem vollständig geschlossenen „Augendiagramm“ und einem, das sich kaum öffnet, bedeuten. Die Industrie fordert typischerweise einen Df-Wert unter 0,002 an wichtigen Frequenzpunkten (z. B. der Nyquist-Frequenz von 28 GHz).

• Glatte Kupferfolie (VLP/HVLP) gegen den Skin-Effekt: Bei der Übertragung hochfrequenter Signale neigt der Strom aufgrund des Skin-Effekts dazu, sich auf der Oberfläche von Leitern zu konzentrieren. Herkömmliche Kupferfolie hat eine raue Oberfläche, die mikroskopisch mit unebenen "Hügeln" und "Tälern" gefüllt ist, was den Strom zwingt, längere Wege zurückzulegen und den Leiterverlust erhöht. Durch die Verwendung von Very Low Profile (VLP) oder Hyper Very Low Profile (HVLP) Kupferfolie kann die Oberflächenrauheit (Rz) unter 2 µm gehalten werden, was eine glattere und kürzere "Autobahn" für hochfrequenten Strom bietet und den Einfügungsverlust effektiv reduziert.

• Spreizgewebe zur Eliminierung des Fiber-Weave-Effekts: Standard-E-Glasgewebe wird aus Kett- und Schussfäden gewebt, wobei der Dk-Wert (ca. 6-7) in den Garnbündelbereichen erheblich von dem in den harzgefüllten Bereichen (ca. 3-4) abweicht. Wenn die beiden Leiterbahnen eines Differentialpaares jeweils durch Garnbündel- und Harzbereiche verlaufen, führt die lokale Dk-Variation zu inkonsistenten Ausbreitungsgeschwindigkeiten, was zu einem geringfügigen Timing-Skew (Skew) führt. Dieser "Fiber-Weave-Effekt" akkumuliert sich bei der Übertragung über lange Strecken, stört die Symmetrie von Differenzsignalen erheblich und erhöht das horizontale Jitter im Daten-Augendiagramm. Spreizgewebe (wie abgeflachte Versionen wie 1067 und 1078) verbessert die dielektrische Gleichmäßigkeit erheblich, indem es Garnbündel abflacht und gleichmäßig verteilt, was für die Gewährleistung der Timing-Genauigkeit bei Signalen auf Gbps-Ebene unerlässlich ist. Praktische Empfehlung: Ein häufiges Missverständnis ist die Auswahl der hochwertigsten Materialien für die gesamte Leiterplatte, was unnötige Kosten verursacht. Eine kostengünstigere Strategie ist die Einführung eines Hybrid-Stack-ups: Verwenden Sie extrem verlustarme Materialien wie Megtron 7 nur für Schichten, die kritische Hochgeschwindigkeitssignale (z. B. PCIe-, CXL-Kanäle) führen, während Sie kostengünstigere Materialien mit mittleren Verlusten für Strom-, Masse- und Niedergeschwindigkeitssignalschichten einsetzen. Dies erfordert eine eingehende Kommunikation mit Leiterplattenherstellern (z. B. Highleap PCB Factory (HILPCB)) frühzeitig in der Entwurfsphase, um deren umfangreiche Materialbibliothek und Fertigungsexpertise zu nutzen und gemeinsam eine optimale Lösung zu entwickeln, die Leistung und Kosten in Einklang bringt.

Präzisionsbeherrschung: Wie begegnet man Herausforderungen der Hochgeschwindigkeits-Signalintegrität in der PCIe 5.0/6.0 Ära?

Da PCIe 5.0 (32GT/s) zum Mainstream wird und PCIe 6.0 (64GT/s) am Horizont erscheint, hat sich das Signalintegritäts-(SI)-Design von einer Ingenieurdisziplin zu einer "Kunst" entwickelt. Auf großen und dichten KI-Server-Backplanes muss ein Signal, das von einer GPU kommt, möglicherweise mehrere Steckverbinder, Dutzende von Vias und Leiterbahnen, die sich über Dutzende von Zoll erstrecken, durchlaufen, um einen anderen Knoten zu erreichen. Jede Impedanzdiskontinuität ist ein potenzieller "Leistungskiller".

1. Präzise Impedanzkontrolle jenseits von ±7%: Impedanzfehlanpassung ist die Hauptursache für Signalreflexionen, bei denen reflektierte Wellen sich mit dem Originalsignal überlagern und schwere Verzerrungen verursachen. Für 112G-PAM4-Signale haben Industriestandards die Toleranz der differentiellen Impedanz von den traditionellen ±10% auf ±7% oder sogar ±5% für kritische Verbindungen verschärft. Dies bedeutet, dass bei einer 85-Ohm-Differenzleitung Impedanzschwankungen innerhalb von ±4,25 Ohm kontrolliert werden müssen. Um dies zu erreichen, müssen Hersteller Leiterbahnbreite, Dielektrikumsdicke und Kupferdicke auf Submikrometer-Ebene präzise steuern, unter Verwendung fortschrittlicher Ätzkompensationsmodelle und TDR-Tests (Time Domain Reflectometer) pro Charge, um Konsistenz zu gewährleisten.

2. Dreidimensionale Übersprechunterdrückung: Bei hochdichter Verdrahtung wird der Leiterbahnabstand bis an die Grenze getrieben, wodurch die elektromagnetische Feldkopplung (d.h. Übersprechen) zwischen benachbarten Signalleitungen außergewöhnlich stark wird. Die traditionelle "3W-Regel" (Abstand größer als das 3-fache der Leiterbahnbreite) ist auf hochdichten KI-Motherboards unerreichbar. Daher ist eine dreidimensionalere Unterdrückungsstrategie notwendig:

   • Stripline-Struktur: Hochgeschwindigkeitssignalschichten zwischen zwei massiven Masseebenen einbetten, um eine Stripline-Struktur zu bilden. Die oberen und unteren Masseebenen schirmen Übersprechen von benachbarten Schichten effektiv ab und bieten klare Rückwege, was sie zur bevorzugten Wahl für lange Hochgeschwindigkeitsleiterbahnen macht.

• Optimierung der Leiterbahnführung: Vermeiden Sie lange parallele Leiterbahnführungen, planen Sie die Routing-Schichten für verschiedene Signalbereiche sorgfältig und verwenden Sie Stitching-Vias, um einen „Faradayschen Käfig“ um die Leiterbahnen zu bauen und Rauschen weiter zu isolieren.
• Simulationsgestütztes Design: Nutzen Sie 3D-Vollwellen-Elektromagnetik-Simulationstools (z. B. Ansys HFSS, CST), um kritische Bereiche (wie z. B. Connector-Fan-Out-Zonen und BGA-Regionen) genau zu modellieren, Übersprechpegel vorherzusagen und zu quantifizieren und das Design im Voraus zu optimieren.

3. Ultimative Optimierung von Vias - Von „Kanälen“ zu „Präzisionskomponenten“: Vias sind das größte „Hindernis“ in Hochgeschwindigkeitsverbindungen. Die von ihnen eingebrachte parasitäre Kapazität und Induktivität kann die Impedanzkontinuität erheblich stören.
   • Die Notwendigkeit des Back-Drilling: Wenn ein Signal von der äußeren Schicht zu einer inneren Schicht übergeht, wirkt der ungenutzte untere Teil des Vias (Stub) als Resonator. Die Länge dieses Stubs bestimmt die Resonanzfrequenz. Fällt diese Frequenz in das kritische Band des Signals, entsteht eine signifikante „Kerbe“, die dem Signal verheerenden Schaden zufügt. Zum Beispiel kann ein 100-mil-Stub bei etwa 28 GHz resonieren, wodurch 56G-PAM4-Signale unkenntlich werden. Back-Drilling, ein Prozess, der den überschüssigen Stub präzise von der Rückseite der Leiterplatte entfernt, ist derzeit die effektivste und standardisierteste Lösung. Seine Tiefenkontrollgenauigkeit (typischerweise ±0,05 mm erforderlich) ist eine Schlüsselmetrik zur Bewertung der Prozessfähigkeit eines Herstellers.

• Fortschrittliches Via-Design: Über das Rückbohren hinaus sind die Optimierung der Anti-Pad-Größe zum Ausgleich von Via-Kapazität und -Impedanz, die Verwendung mehrerer Masse-Vias zur Umhüllung von Signal-Vias für Abschirmung und Rückwege sowie der Einsatz von lasergebohrten Microvias in HDI-Designs zur signifikanten Reduzierung parasitärer Effekte allesamt unverzichtbare Techniken im modernen Hochgeschwindigkeitsdesign.

Mittlerer Verlust IT-958G, S7439 ~3.6-3.9 ~0.008-0.010 10-28 Gbps Geringer Verlust Megtron 4, IT-968 ~3.4-3.7 ~0.004-0.006 28-56 Gbps Extrem geringer Verlust Megtron 6, Tachyon 100G ~3.0-3.3 < 0.002 56-112 Gbps+