QSFP28 Modul-Leiterplatte: Bewältigung von Hochgeschwindigkeits- und Hochdichte-Herausforderungen in Server-Leiterplatten von Rechenzentren

technology8. Oktober 2025 13 Min. Lesezeit

QSFP28 Modul-LeiterplatteSteckbare kohärente LeiterplatteQSFP Plus Modul-LeiterplatteQSFP56 Modul-LeiterplatteAOC Modul-LeiterplatteDAC Modul-Leiterplatte

QSFP28 Modul-Leiterplatte: Bewältigung der Herausforderungen hoher Geschwindigkeit und hoher Dichte bei Server-Leiterplatten in Rechenzentren

In der Welle der globalen digitalen Transformation wächst der Datenverkehr exponentiell in einem beispiellosen Tempo. Von 5G-Kommunikation und künstlicher Intelligenz (KI) bis hin zu Cloud Computing – all diese Anwendungen basieren auf einer gemeinsamen Infrastruktur: Hochleistungsrechenzentren. Innerhalb dieser Rechenzentren sind Hochgeschwindigkeitsverbindungen zwischen Servern, Switches und Speichergeräten entscheidend, um einen nahtlosen Datenfluss zu gewährleisten. In diesem Kontext spielt die QSFP28 Modul-Leiterplatte eine zentrale Rolle und dient als physischer Kernträger für 100-Gbit/s-Ethernet-Konnektivität. Als Herzstück optischer Hochgeschwindigkeitsmodule bestimmen die Komplexität ihres Designs und ihrer Herstellung direkt die Leistung, Stabilität und Zuverlässigkeit des gesamten Netzwerks. Die Highleap PCB Factory (HILPCB) ist mit ihrer umfassenden Expertise in der Herstellung von Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenz-Leiterplatten bestrebt, globalen Kunden außergewöhnliche QSFP28 Modul-Leiterplattenlösungen anzubieten, um die gewaltigen Herausforderungen der Datenflut zu meistern.

Kernfunktionen von QSFP28 Modulen und Grundlagen des Leiterplatten-Designs

QSFP28 (Quad Small Form-factor Pluggable 28) ist ein kompakter, hot-plug-fähiger optischer Modulstandard, der für Datenübertragungsraten von 100 Gbit/s entwickelt wurde. Sein Kernarbeitsprinzip umfasst vier parallele Kanäle, die jeweils mit bis zu 28 Gbit/s (4x25 Gbit/s) arbeiten und eine Gesamtbandbreite von 100 Gbit/s erreichen. Diese Architektur liefert nicht nur eine extrem hohe Übertragungseffizienz, sondern behält auch eine ähnliche physikalische Größe wie ihre Vorgänger (wie das 40 Gbit/s QSFP Plus Modul PCB) bei, wodurch die Portdichte erheblich verbessert wird.

Die Designgrundlagen von QSFP28 Modul-PCBs drehen sich um drei zentrale Herausforderungen:

Extrem hohe Signalraten: Bei Signalfrequenzen von bis zu 28 Gbit/s, die in den Mikrowellen-HF-Bereich vordringen, können selbst geringfügige Unvollkommenheiten in den Leiterbahnen zu schwerwiegender Signaldämpfung und -verzerrung führen.
Extrem hohe Verdrahtungsdichte: Innerhalb einer sehr kleinen PCB-Fläche müssen Hochgeschwindigkeits-Differenzpaare, niederfrequente Steuerleitungen, Strom- und Masseebenen untergebracht werden, was extreme Präzision bei Verdrahtungsraum und Zwischenschichtausrichtung erfordert.
Striktes Energiemanagement und Wärmemanagement: Der Hochgeschwindigkeitsbetrieb erzeugt erhebliche Wärme, was erfordert, dass die PCB eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweist, um sicherzustellen, dass Laser und Chips innerhalb sicherer Temperaturbereiche arbeiten.

Im Vergleich zu traditionellen PCB-Designs ist das Design von QSFP28 Modul-PCBs eher eine Kombination aus Kunst und Wissenschaft, die von Ingenieuren verlangt, ein perfektes Gleichgewicht zwischen Signalintegrität, Stromversorgungsintegrität und Wärmemanagement zu finden.

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Hochgeschwindigkeits-Signalintegrität (SI): Die Lebensader von QSFP28 Modul-Leiterplatten

Wenn Signalraten 28 Gbit/s erreichen, sind Leiterbahnspuren auf PCBs keine bloßen „Drähte“ mehr, sondern ein komplexes Übertragungsleitungssystem. Signalintegrität (SI) wird zum primären Faktor, der den Erfolg oder Misserfolg des Moduls bestimmt. Jegliche SI-Probleme, wie übermäßige Einfügedämpfung, Reflexion, Übersprechen oder Jitter, können einen starken Anstieg der Bitfehlerrate (BER) oder sogar einen Verbindungsfehler verursachen.

Um eine außergewöhnliche Signalintegrität zu gewährleisten, setzt HILPCB bei der Herstellung von QSFP28 Modul-Leiterplatten folgende Schlüsseltechnologien ein:

Präzise Impedanzkontrolle: Wir halten die differentielle Impedanz innerhalb einer extrem engen Toleranz von 100Ω±5%, um die Impedanzkontinuität entlang des Signalübertragungspfades zu gewährleisten und Signalreflexionen zu minimieren.
Optimiertes Via-Design: Vias auf Hochgeschwindigkeitssignalpfaden sind Hauptquellen für Impedanzdiskontinuitäten. Wir setzen die Back-Drilling-Technologie ein, um überschüssige Stubs in Vias zu entfernen, wodurch Signalreflexionen und Resonanzen effektiv reduziert und die Hochfrequenzleistung erheblich verbessert werden.
Strikte Differentialpaar-Leitungsführung: Wir gewährleisten gleiche Länge und gleichen Abstand zwischen den beiden Leiterbahnen eines Differentialpaares, während gleichzeitig ausreichender Abstand zu umgebenden Signalleitungen eingehalten wird, um Gleichtaktrauschen und Übersprechen zu unterdrücken.
Fortgeschrittene Simulationsanalyse: Vor der Fertigung empfehlen wir Kunden dringend, professionelle SI-Simulationswerkzeuge wie Ansys HFSS und Keysight ADS für Modellierung und Analyse zu verwenden, um potenzielle Signalintegritätsprobleme vorherzusagen und zu lösen.

Für bestimmte spezifische Anwendungen, wie z.B. Kurzstrecken-Verbindungen innerhalb eines Racks, integriert die AOC-Modul-Leiterplatte (Active Optical Cable Module) optische Fasern direkt in das Modul. Obwohl dies die Feldverbindungen vereinfacht, bleiben die SI-Anforderungen für die interne Leiterplatte des Moduls gleichermaßen streng.

Vergleich der Leistungsentwicklung von Hochgeschwindigkeits-Optikmodulen

Die folgende Tabelle zeigt die Entwicklung wichtiger Leistungskennzahlen von QSFP+ zu QSFP56 und verdeutlicht die steigenden Anforderungen an die Leiterplattentechnologie.

Leistungskennzahl	QSFP+	QSFP28	QSFP56
Gesamtbandbreite	40 Gbit/s	100 Gbit/s	200 Gbit/s
Kanal-Konfiguration	4 x 10 Gbit/s	4 x 25 Gbit/s	4 x 50 Gbit/s
Modulationsschema	NRZ	NRZ	PAM4
Einzelspurrate	10 Gbit/s	~28 Gbit/s	~56 Gbit/s

~56 Gbps SI/PI/Wärmemanagement-Herausforderungen Hoch Sehr Hoch Extrem Hoch

Fortschrittliche Leiterplattenmaterialauswahl: Die Grundlage für 100G-Übertragung legen

Für Hochgeschwindigkeits-Digitalsignale sind die dielektrischen Eigenschaften von Leiterplattensubstratmaterialien entscheidend. Während herkömmliche FR-4-Materialien kostengünstig sind, können ihr hoher dielektrischer Verlust (Df) und ihre instabile Dielektrizitätskonstante (Dk) bei 28-Gbit/s-Frequenzen eine starke Signaldämpfung verursachen, wodurch die Leistungsanforderungen von QSFP28-Modulen nicht erfüllt werden.

Daher ist die Auswahl geeigneter verlustarmer oder ultra-verlustarmer Materialien eine Voraussetzung für ein erfolgreiches Design. HILPCB unterstützt eine Vielzahl branchenführender Hochgeschwindigkeitsmaterialien, darunter:

Megtron 6/7N: Bekannt für seine hervorragenden verlustarmen Eigenschaften und hohe thermische Stabilität, ist es eines der bevorzugten Materialien für 100G/400G-Anwendungen.
Rogers RO4000 Serie (z.B. RO4350B): Bietet stabile Dk und niedrigen Df, weit verbreitet in HF- und Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen.
Taconic und Isola Hochgeschwindigkeits-Serienmaterialien: Bieten vielfältige Optionen für unterschiedliche Kosten- und Leistungsanforderungen. Die Wahl des richtigen Materials, kombiniert mit HILPCBs fortschrittlichem High-Speed-Leiterplatten-Fertigungsprozess, kann die Einfügedämpfung erheblich reduzieren, das Augendiagramm der Signalübertragung erweitern und eine solide Grundlage für den zuverlässigen Betrieb des Moduls legen. Selbst bei DAC-Modul-Leiterplatten (passive Kupferkabelmodule), die für Verbindungen über kürzere Distanzen verwendet werden, kann die Verwendung hochwertigerer Materialien die Signalqualität effektiv verbessern. Unser professionelles Ingenieurteam kann die besten Rogers-Leiterplatten oder andere Hochgeschwindigkeitsmateriallösungen basierend auf Ihrer spezifischen Anwendung und Ihrem Budget empfehlen.

Wärmemanagementstrategien: Sicherstellung eines stabilen Modulbetriebs unter extremen Lasten

Das QSFP28-Modul integriert Hochleistungskomponenten wie Laser, Treiber, Transimpedanzverstärker (TIAs) und digitale Signalprozessoren (DSPs). Diese Komponenten können bei Volllast eine Wärme von bis zu 3,5 W oder sogar mehr erzeugen. Aufgrund der kompakten Größe des Moduls ist der Raum für die Wärmeableitung extrem begrenzt. Wenn die Wärme nicht effektiv und zeitnah abgeführt werden kann, kann dies zu übermäßigen Chiptemperaturen führen, die die Leistung beeinträchtigen oder sogar dauerhafte Schäden verursachen können.

Ein effektives Wärmemanagement muss bereits auf der Ebene des Leiterplattendesigns beginnen:

Layout optimieren: Verteilen Sie die wichtigsten wärmeerzeugenden Komponenten sinnvoll, um eine übermäßige Konzentration von Hotspots zu vermeiden.
Thermovias verwenden: Thermovias dicht unter wärmeerzeugenden Chips anordnen, um Wärme schnell zu den inneren Masseebenen der Leiterplatte oder zu den wärmeableitenden Pads auf der Unterseite zu leiten.
Kupferschichten verdicken: Die Dickkupfer-Leiterplatten-Technologie nutzen, um die Kupferdicke von Leistungs- und Masseebenen zu erhöhen, was nicht nur den Gleichstromwiderstand in den Strompfaden reduziert, sondern auch die laterale Wärmeleitfähigkeit der Leiterplatte erheblich verbessert.
Metallsubstrate oder eingebettete Kühlkörper: Bei Designs mit höherer Leistung die Verwendung von Metallkern-Leiterplatten (MCPCBs) oder das Einbetten von Kupferblöcken in die Leiterplatte in Betracht ziehen, um direktere Wärmeableitungskanäle bereitzustellen.

Mit dem Fortschreiten der Technologie hin zu QSFP56 Modul-Leiterplatten für 200G-Anwendungen werden der Stromverbrauch und die thermischen Herausforderungen noch gravierender, was höhere Anforderungen an das thermische Design und die Herstellungsprozesse von Leiterplatten stellt.

Die Rolle von QSFP28 in der Rechenzentrums-Netzwerkarchitektur

In der weit verbreiteten "Leaf-Spine"-Netzwerkarchitektur moderner Rechenzentren dienen QSFP28-Module als kritische physikalische Schnittstelle, die Leaf-Switches und Spine-Switches verbindet. Jeder Leaf-Switch verbindet sich über QSFP28-Ports mit mehreren Spine-Switches und bildet so eine nicht blockierende, latenzarme und bandbreitenstarke Switching-Matrix. Die Zuverlässigkeit der QSFP28-Modul-PCBs wirkt sich direkt auf die Stabilität und den Durchsatz des gesamten Rechenzentrumsnetzwerks aus und macht sie zu einer Kerntechnologie für die Bewältigung massiven Ost-West-Verkehrs (Server-zu-Server-Verkehr).

Power Integrity (PI): Saubere Stromversorgung für Hochgeschwindigkeitssignale

Wenn die Signalintegrität sicherstellt, dass Daten "schnell laufen", dann sorgt die Power Integrity (PI) dafür, dass Daten "stabil laufen". Hochgeschwindigkeitstransceiver sind extrem empfindlich gegenüber der Stromqualität – jedes Stromrauschen, jeder Spannungsabfall oder Ground Bounce kann sich direkt in Signaljitter umwandeln und die Signalqualität stark beeinträchtigen.

Ein robustes Stromverteilungsnetzwerk (PDN) ist entscheidend für das Design von QSFP28-Modul-PCBs. HILPCB gewährleistet eine außergewöhnliche PI-Leistung durch folgende Maßnahmen:

Mehrlagenplatinen-Design: Verwendung einer Mehrlagen-Leiterplattenstruktur mit dedizierten, durchgehenden Strom- und Masseebenen, um niederohmige Rückwege für den Strom bereitzustellen.
Sorgfältige Platzierung von Entkopplungskondensatoren: Strategische Platzierung von Entkopplungskondensatoren unterschiedlicher Werte nahe den Stromversorgungs-Pins des Chips, um Rauschen über alle Frequenzen, von niedrig bis hoch, effektiv zu filtern.
Induktivitätsarmes Design: Minimierung der PDN-Induktivität durch breite und kurze Stromversorgungsleiterbahnen, optimiertes Via-Design und enge Kopplung von Stromversorgungs-/Masseebenen.

Ein gut gestaltetes PDN liefert eine stabile und saubere "Energiequelle" für Hochgeschwindigkeitsschaltungen und bildet die Grundlage für eine Übertragung mit geringer Bitfehlerrate.

Die Präzisionsherausforderungen bei Fertigung und Montage

Die Umwandlung theoretisch perfekter Konstruktionspläne in leistungsstarke physische Produkte erfordert erstklassige Fertigungs- und Montageprozesse. Die Herstellung von QSFP28 Modul-PCBs erfordert extreme Präzision, enge Toleranzen und fortschrittliche Materialhandhabungsfähigkeiten.

Die Kernkompetenzen von HILPCB in der Leiterplattenfertigung umfassen:

Ultra-enge Toleranzkontrolle: Erreichen einer Impedanzkontrolle von ±5 % und einer Schicht-zu-Schicht-Ausrichtungsgenauigkeit auf Mikrometer-Ebene.
Fortschrittliche Oberflächenveredelungen: Angebot von ENIG (Chemisch Nickel/Immersionsgold), Immersionssilber, Immersionszinn und anderen hochfrequenzoptimierten Oberflächenbehandlungen, um eine hervorragende Lötbarkeit und Signalübertragungsleistung zu gewährleisten.
Hochdichte Verbindungstechnologie (HDI): Unterstützung von lasergebohrten Mikro-Vias, VIPPO (Via-in-Pad Plated Over) und anderen HDI-Leiterplatten-Prozessen, um die Anforderungen an die ultrahohe Verdrahtungsdichte des Moduls zu erfüllen.
Umfassende Qualitätsprüfung: Einsatz von AOI (Automatisierte Optische Inspektion), Röntgeninspektion und TDR (Zeitbereichsreflektometrie) zur strengen Qualitätskontrolle, um sicherzustellen, dass jede Leiterplatte die Designspezifikationen erfüllt.

Die Herausforderungen bei der Modulmontage sind ebenso bedeutend:

Hochpräzise Platzierung: Erfordert SMT-Bestückungs-Ausrüstung, die 0201 oder kleinere Komponenten und Fine-Pitch-BGAs verarbeiten kann.
Ausrichtung und Kopplung optischer Geräte: Die Installation optischer Engines erfordert extreme Präzision, um die Kopplungseffizienz von Laser zu Faser zu maximieren.
Lötprozesskontrolle: Präzise Steuerung der Reflow-Löttemperaturprofile, um zuverlässige Lötstellen zu gewährleisten und gleichzeitig Schäden an empfindlichen optischen Komponenten zu vermeiden.

Bei strukturell komplexeren steckbaren kohärenten Leiterplatten umfasst der Montageprozess zusätzliche präzise optoelektronische Hybridverpackungstechnologien, was eine erhebliche Herausforderung für die umfassenden Fähigkeiten der Hersteller darstellt.

HILPCB Übersicht über die Fertigungskapazitäten für Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten

Wir bieten branchenführende Fertigungsunterstützung für QSFP28- und Module mit höherer Geschwindigkeit.

Fertigungsparameter	HILPCB Fähigkeitsspezifikation
Unterstützte Materialien	Rogers, Taconic, Isola, Megtron, FR-4 (High-Tg)
Impedanzkontrolltoleranz	±5%
Maximale Lagen	64 Lagen
Tiefensteuerung beim Rückbohren	±0.05mm
Minimale Leiterbahnbreite/-abstand	2.5/2.5 mil
Oberflächenveredelung	ENIG, ENEPIG, Immersion Silver, Immersion Tin, OSP

Von QSFP28 zu QSFP56 und darüber hinaus: Der Weg der technologischen Evolution

Die Technologie schreitet unaufhörlich voran. Während sich Rechenzentren in Richtung 400G und sogar 800G entwickeln, geht die QSFP28-Technologie reibungslos in die Standards der nächsten Generation über. Die QSFP56 Modul-Leiterplatte verwendet eine Vierkanal-50-Gbit/s-PAM4-Signalisierung (4-stufige Pulsamplitudenmodulation) und erreicht eine Übertragungsrate von 200G. PAM4-Signale haben eine geringere Toleranz gegenüber Rauschen und Nichtlinearität, was exponentiell größere Herausforderungen für das Leiterplattendesign in Bezug auf Signalintegrität (SI), Stromversorgungsintegrität (PI) und Wärmemanagement darstellt. Inzwischen ist, um den Anforderungen von Metropolnetzen (MAN) und Langstrecken-Rechenzentrumsverbindungen (DCI) gerecht zu werden, die Technologie der steckbaren kohärenten Leiterplatte entstanden. Sie integriert komplexe kohärente Kommunikationstechnologie in steckbare Module, die Faserdispersion und nichtlineare Effekte durch fortschrittliche DSP-Algorithmen kompensiert, um eine Hochgeschwindigkeitsübertragung über Hunderte von Kilometern zu erreichen. Trotz des kontinuierlichen Aufkommens neuer Technologien spielt die QSFP Plus Modul-Leiterplatte weiterhin eine entscheidende Rolle in vielen Unternehmensnetzwerken und traditionellen Rechenzentren. Gleichzeitig dienen die AOC Modul-Leiterplatte und die DAC Modul-Leiterplatte weiterhin als kostengünstige Lösungen für Kurzstreckenverbindungen innerhalb von Racks und zwischen Reihen und behaupten einen breiten Marktanteil.

Wie HILPCB Ihre Hochgeschwindigkeits-Verbindungsprojekte der nächsten Generation unterstützt

Ob es sich um die derzeit gängigen QSFP28 oder zukunftsorientierte QSFP56 und kohärente optische Module handelt, ihr Kern liegt in einer hochleistungsfähigen, äußerst zuverlässigen Leiterplatte. Die Wahl eines erfahrenen und technologisch fortschrittlichen Fertigungspartners ist entscheidend.

HILPCB ist nicht nur ein Leiterplattenhersteller, sondern auch Ihr strategischer Partner im Bereich der Hochgeschwindigkeitsverbindungen. Wir bieten End-to-End-Services, von der Materialauswahlberatung und DFM-Überprüfungen (Design for Manufacturability) bis hin zur Präzisionsfertigung und Montage nach hohen Standards. Unser Ingenieurteam versteht die Physik der Hochgeschwindigkeitssignalübertragung zutiefst und hilft Ihnen, potenzielle Risiken während der Designphase zu mindern, Kosten zu optimieren und die Markteinführungszeit zu beschleunigen.

Wir haben Tausende von Hochgeschwindigkeitsprojekten bearbeitet, die alles von der QSFP28 Modul-Leiterplatte bis zur komplexen steckbaren kohärenten Leiterplatte abdecken. Wir wissen, dass jedes Detail – von der Rauheit der Kupferfolie bis zur Dielektrizitätskonstante des Lötstopplacks – die endgültige Leistung beeinflussen kann.

Vorteile der Hochfrequenzmodul-Montagedienste von HILPCB

Wir bieten End-to-End-Lösungen von der Leiterplattenfertigung bis zur Endproduktmontage und stellen sicher, dass Ihre Designleistung perfekt umgesetzt wird.

Serviceleistung	Leistungsdetails
SMT-Platzierungsgenauigkeit	Unterstützt 01005-Komponenten, 0,35 mm BGA-Raster
Handhabung optischer Komponenten	Dedizierter Reinraum, Präzisionsausrichtvorrichtungen, ESD-Kontrolle
HF-Abschirmungsinstallation	Automatisierte oder halbautomatisierte Installation zur Gewährleistung der Erdungszuverlässigkeit
Löttechnologie	Vakuum-Reflow-Löten, selektives Wellenlöten, Laserschweißen
Funktions- und Leistungstests	Bereitstellung von Augendiagramm-, BER-, TDR/TDT-Testdienstleistungen

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Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die QSFP28-Modul-Leiterplatte ein kompakter und dennoch leistungsstarker Motor ist, der die moderne digitale Infrastruktur antreibt. Ihr Design und ihre Fertigung integrieren die Essenz der Materialwissenschaft, der elektromagnetischen Feldtheorie, der Thermodynamik und präziser Fertigungsprozesse. Da die Datenraten weiter steigen, werden sich diese Herausforderungen nur noch verstärken. Durch die Zusammenarbeit mit spezialisierten Herstellern wie HILPCB können Sie diese Herausforderungen souverän meistern, sich auf die technologische Kerninnovation konzentrieren und die Welle des Datenzeitalters nutzen, um einen Wettbewerbsvorteil auf dem Markt zu erzielen.