Optischer Switch PCB: Bewältigung der Herausforderungen hoher Geschwindigkeit und hoher Dichte bei Rechenzentrumsserver-PCBs

technology16. Oktober 2025 12 Min. Lesezeit

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Hochgeschwindigkeits-Signalintegrität (SI): Die größte Herausforderung bei optischen Switch-PCBs

Wenn Signalraten 56 Gbit/s/112 Gbit/s PAM4 erreichen, wird das Verhalten elektrischer Signale in Leiterbahnen hochsensibel. Jeder geringfügige physikalische Fehler kann Signalverzerrungen verursachen, die zu Datenfehlern führen. Signalintegrität (SI) wird zur übergeordneten Herausforderung beim Design von optischen Switch-PCBs.

• Präzise Impedanzkontrolle: Die Impedanz aller Hochgeschwindigkeits-Differenzpaare muss streng innerhalb einer engen Toleranz von 100 Ohm (oder 90 Ohm) ±5 % eingehalten werden. Jede Impedanzdiskontinuität kann Signalreflexionen verursachen, die Jitter und eine Schließung des Augenmusters erzeugen und die Signalqualität stark beeinträchtigen.
• Übersprechunterdrückung: Bei extrem dichter Verdrahtung können parallele Leiterbahnen wie Antennen miteinander interferieren. Designer müssen das Übersprechen minimieren, indem sie den Leiterbahnabstand optimieren, Stripline-Strukturen verwenden und Masse-Vias zur Abschirmung hinzufügen. Diese Herausforderung übertrifft bei weitem die von Gaming-Monitor-PCBs, die eine ultrahohe Bildklarheit erfordern, da die Integrität von Datenströmen nicht einmal Fehler auf Pixelebene tolerieren kann.
• Minimierung der Einfügedämpfung: Die Signalenergie schwächt sich während der Übertragung kontinuierlich ab, insbesondere in Hochfrequenzbereichen. Die Auswahl von Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenmaterialien mit extrem niedrigen Verlustfaktoren ist der erste Schritt zur Reduzierung von Verlusten. Zusätzlich beeinflussen Leiterbahnlänge, Via-Struktur und Oberflächenveredelungsprozesse die Einfügedämpfung erheblich.
• Via-Optimierung: Bei dicken Mehrschichtplatinen sind Vias einer der Hauptverursacher für die Beeinträchtigung der Signalintegrität. Ungenutzte Via-Stubs können Resonanzen verursachen, die Signale stark verschlechtern. Daher ist das Rückbohren – das Entfernen überschüssiger Kupferstümpfe von der Rückseite der Leiterplatte – in der Herstellung von optischen Switch-Leiterplatten fast eine Standardpraxis.

Materialauswahl und Lagenaufbau: Die Grundlage für Ultra-Hochleistung

Wenn Signalintegrität das Ziel ist, dann sind Materialauswahl und Lagenaufbau die physikalischen Grundlagen, um dies zu erreichen. Herkömmliche FR-4-Materialien zeigen bei Frequenzen über 10 GHz einen starken Anstieg der Verluste, wodurch sie für optische Switch-Leiterplatten völlig ungeeignet sind. Daher ist die Wahl der richtigen fortschrittlichen Materialien entscheidend. Die Schlüsselparameter dieser Materialien sind die Dielektrizitätskonstante (Dk) und der Verlustfaktor (Df). Dk bestimmt die Signalpropagationsgeschwindigkeit, während Df das Ausmaß des Signalenergieverlusts bestimmt. Ideale Materialien sollten niedrige und stabile Dk- und Df-Werte aufweisen.

• Verlustarme und extrem verlustarme Materialien: Für 25/56Gbps-Anwendungen werden typischerweise Materialien wie Tachyon, Megtron oder I-Speed-Qualitäten ausgewählt. Für 112Gbps und höher müssen extrem verlustarme Materialien wie Megtron 6/7/8 oder Tachyon 100G verwendet werden.
• Hybrides Lagenaufbau-Design: Aufgrund der hohen Kosten extrem verlustarmer Materialien ist eine kostengünstige Strategie die Einführung eines hybriden Lagenaufbaus. Dies beinhaltet die Verwendung teurer Materialien nur in den Kernschichten, die Hochgeschwindigkeitssignale führen, während kostengünstigere Materialien für Leistungsschichten und Niedriggeschwindigkeitssignal-Schichten verwendet werden. Dies erfordert ausgefeilte Simulations- und Fertigungsexpertise, um eine zuverlässige Verbindung zwischen verschiedenen Materialien zu gewährleisten.
• Glasgewebe-Effekt: Verschiedene Glasgewebe-Stile (z.B. 106, 1080) können zu lokalisierten Dk-Variationen führen, die eine Signal-Timing-Schiefe (Skew) verursachen. Die Verwendung von flachen oder gespreizten Glasgeweben kann dieses Problem effektiv mindern.

Dieses unermüdliche Streben nach den physikalischen Eigenschaften von Materialien steht in starkem Kontrast zu den Überlegungen für Materialien von Gaming-Adapter-Leiterplatten, bei denen mechanische Festigkeit und Kosten im Vordergrund stehen, während Erstere vollständig von der elektrischen Leistung bestimmt werden.

Wärmemanagementstrategien: Kühl bleiben an der Schnittstelle von "Licht" und "Elektrizität"

Ein voll ausgestatteter 400G/800G optischer Switch kann mehrere Kilowatt Leistung verbrauchen, wobei ein erheblicher Teil der Wärme von optischen Modulen erzeugt wird, die in die Leiterplatte gesteckt sind. Jedes OSFP- oder QSFP-DD-Modul kann 15-25W verbrauchen, und bei Dutzenden dicht angeordneter Module wird die Leiterplatte des optischen Switches zu einer massiven Wärmequelle. Wenn Wärme nicht effektiv abgeführt werden kann, kann dies zu einer verschlechterten Leistung der optischen Module, Wellenlängendrift oder sogar zu dauerhaften Schäden führen.

Daher ist das Wärmemanagement-Design auf Leiterplattenebene entscheidend:

• Verstärkte Strom- und Masseebenen: Die Verwendung von Dickkupfer (z.B. 3-4 oz) für Strom- und Masseebenen bewältigt nicht nur hohe Ströme, sondern dient auch als hervorragende Wärmeableitungsfläche, die Wärme seitlich verteilt.
• Thermische Vias: Dichte Anordnungen von Vias werden auf den Pads wärmeerzeugender Komponenten (insbesondere unter optischen Modulkäfigen) platziert, um Wärme schnell zu internen Leiterplatten-Wärmeableitungsebenen oder rückseitigen Kühlkörpern zu leiten.
• Kupfermünzen-Technologie: Für lokalisierte Hotspots können massive Kupferblöcke während der Fertigung direkt in die Leiterplatte eingebettet werden. Ein Ende des Kupferblocks kontaktiert die wärmeerzeugende Komponente, während das andere mit einem Kühlkörper verbunden ist und so einen Pfad mit extrem niedrigem thermischen Widerstand bildet.
• Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit: Die Auswahl von Substratmaterialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit (TC) verbessert die gesamte Wärmeableitung, allerdings zu höheren Kosten. Diese komplexen Wärmemanagementlösungen sind im Vergleich zu VR-Gaming-PCBs weitaus anspruchsvoller und kostspieliger im Design, die zwar auch thermische Herausforderungen mit sich bringen, aber typischerweise geringere Leistungs- und Wärmestromdichten aufweisen als zentrale Rechenzentrums-Switching-Geräte.

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Power Integrity (PI): Saubere Stromversorgung für optische Module

Wenn die Signalintegrität die Daten-"Klarheit" gewährleistet, dann sorgt die Power Integrity (PI) für die "Stärke" des Systems. Hochgeschwindigkeits-Optikmodule und Switching-Chips sind extrem empfindlich gegenüber Stromversorgungsrauschen und Spannungsschwankungen. Ein stabiles und sauberes Stromverteilungsnetzwerk (PDN) ist eine Voraussetzung für den ordnungsgemäßen Betrieb von optischen Switch-PCBs.

Die Kernziele des PI-Designs sind:

• Niedrigimpedantes PDN: Bereitstellung eines niederimpedanten Stromversorgungspfads für den Chip über einen breiten Frequenzbereich von DC bis zu mehreren GHz. Dies wird typischerweise durch eng gekoppelte Strom-/Masseebenen, reichlich Entkopplungskondensatoren und breite Stromleiterbahnen erreicht.
• Präzise Entkopplungsstrategie: Sorgfältiges Platzieren von Entkopplungskondensatoren unterschiedlicher Werte (von µF bis nF) in der Nähe der Stromversorgungs-Pins des Chips, um Rauschen bei verschiedenen Frequenzen zu filtern. Typ, Wert, Gehäuse und Layout der Kondensatoren müssen präzise simuliert werden.
• IR-Drop kontrollieren: Spannungsabfälle treten auf, wenn hohe Ströme durch Leiterbahnen und Vias auf der Leiterplatte fließen. Es ist unerlässlich sicherzustellen, dass die vom Chip empfangene Spannung auch unter maximaler Last innerhalb der Spezifikationen bleibt. Dies erfordert ausreichend breite Leistungsleiterbahnen und mehrere parallele Leistungsvias.

Ein exzellentes PI-Design gewährleistet eine stabile optische Signalleistungsausgabe vom Modul mit minimalem Jitter. Dies weist Ähnlichkeiten mit dem Design von Gaming-LED-Leiterplatten auf, das ebenfalls eine stabile Stromversorgung erfordert, um die Helligkeit und Farbkonsistenz der LEDs zu gewährleisten. Optische Switch-Leiterplatten sind jedoch um Größenordnungen empfindlicher gegenüber Stromversorgungsrauschen.

Fortschrittliche Fertigungsprozesse: Erreichen hoher Dichte und hoher Zuverlässigkeit

Die Umsetzung solch komplexer Designs von der Blaupause in die Realität stellt extrem hohe Anforderungen an die Leiterplattenfertigungsprozesse. Optische Switch-Leiterplatten sind typischerweise Mehrlagen-Leiterplatten, mit Lagenzahlen von 20-40 Lagen, einer Plattendicke von über 4 mm und großen Abmessungen.

• High-Density Interconnect (HDI) Technologie: Um Tausende von Pins um Schaltchips herum zu verbinden, muss die HDI-Technologie eingesetzt werden, einschließlich lasergebohrter Mikro-Blind-/Vergrabener Vias, um Any-Layer-Verbindungen zu erreichen und die Routing-Dichte erheblich zu verbessern. Diese Präzisionsanforderung ähnelt der von High-End AR-Gaming-Leiterplatten, aber der Maßstab und die Lagenanzahl sind viel größer.
• Tiefenkontrolliertes Rückbohren: Wie bereits erwähnt, ist das Rückbohren entscheidend für die Signalintegrität. Die präzise Kontrolle der Bohrtiefe – das Entfernen von Stummelresten ohne Beschädigung der Signallagen – erfordert fortschrittliche Ausrüstung und strenge Prozesskontrolle.
• Laminierungs-Ausrichtungsgenauigkeit: Bei dicken Platinen mit Dutzenden von Lagen ist die Aufrechterhaltung einer präzisen Ausrichtung der Muster jeder Lage während mehrerer Laminierungsprozesse eine große Herausforderung. Jede geringfügige Fehlausrichtung kann zu Abweichungen beim Via-Bohren führen, was zum Ausschuss der gesamten Leiterplatte führt.
• Oberflächenveredelung: Traditionelles Hot Air Solder Leveling (HASL) weist eine schlechte Oberflächenebenheit auf und ist für Hochgeschwindigkeitssignale ungeeignet. Chemisch Nickel Immersion Gold (ENIG) oder Chemisch Nickel Chemisch Palladium Immersion Gold (ENEPIG) bieten flachere Pads und überlegene Hochfrequenzleistung, was sie zur bevorzugten Wahl für solche Leiterplatten macht.

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Zukünftige Trends: CPO, Siliziumphotonik und die Entwicklung von optischen Switch-Leiterplatten

Mit Blick in die Zukunft bewegt sich die Branche, um den Stromverbrauch weiter zu senken und die Bandbreitendichte zu erhöhen, in Richtung der Co-Packaged Optics (CPO)-Technologie. CPO integriert die optische Engine und den Switch-ASIC auf demselben Substrat, wodurch der elektrische Signalübertragungsweg zwischen ihnen erheblich verkürzt wird.

Diese Transformation stellt neue Anforderungen an optische Switch-Leiterplatten:

• Integration mit IC-Substraten: Die Leiterplatte in CPO-Lösungen ähnelt eher einem großen IC-Substrat, was feinere Leiterbahnbreiten/-abstände (z.B. 25/25μm) und fortschrittlichere Materialien erfordert.
• Extremes Wärmemanagement: Die Kombination von stromhungrigen ASICs und optischen Engines in einem einzigen Gehäuse erhöht die Wärmestromdichte drastisch, was beispiellose Herausforderungen für Kühllösungen darstellt. Innovative Technologien wie die integrierte mikrofluidische Kühlung könnten erforderlich sein.
• Optische Integration: Zukünftige Leiterplatten müssen möglicherweise optische Strukturen wie Wellenleiter direkt integrieren, um optische Verbindungen auf Platinenebene zu realisieren. Dieser evolutionäre Trend weist Ähnlichkeiten mit dem Streben nach extremer Dünnheit und funktionaler Integration in VR-Gaming-Leiterplatten und AR-Gaming-Leiterplatten auf, die beide unermüdlich die physikalischen Grenzen verschieben, um mehr Funktionalität auf kleinerem Raum zu komprimieren.

200-400% Verbesserung Latenz Hoch (lange elektrische Verbindungen) Extrem niedrig (kurze elektrische Verbindungen) Deutlich reduziert Kosten pro Gbit/s Basislinie Geringer bei Skalierung Langfristiger Kostenvorteil