Con la crescita esplosiva dell'IA generativa, dei modelli linguistici di grandi dimensioni (LLM) e del calcolo ad alte prestazioni (HPC), i server AI sono diventati il nucleo computazionale dei data center. Questi server ospitano GPU, CPU e acceleratori dedicati con un consumo energetico che raggiunge diversi kilowatt, mentre la velocità di trasmissione dei dati è entrata nel range dei Tb/s. Essendo il "hub neurale" che collega tutti i componenti principali, la complessità e le sfide di progettazione delle schede madri o dei backplane dei server AI hanno raggiunto livelli senza precedenti. Una progettazione PCB della scheda madre del server AI eccezionale non riguarda più solo le connessioni dei circuiti, ma piuttosto la padronanza precisa dei segnali ad alta velocità, della potenza massiva e dei flussi termici estremi.

Come ingegnere specializzato in soluzioni ad alta densità di potenza, comprendo che nell'era odierna, in cui le architetture a 48V, i sistemi di raffreddamento a liquido e le interconnessioni ad alta densità sono mainstream, la progettazione PCB stessa è un compito critico di ingegneria dei sistemi. Dalla selezione dei materiali alla pianificazione dello stack-up, dalle reti di distribuzione dell'energia (PDN) alla gestione termica, ogni decisione influisce direttamente sulle prestazioni finali, sulla stabilità e sul costo dei server AI. Questo articolo approfondisce le sfide principali e le tecnologie chiave della progettazione PCB delle schede madri dei server AI, condividendo come una progettazione, produzione e test meticolosi possano creare una solida base in grado di supportare le future esigenze computazionali.

Perché la progettazione dello stack-up PCB è la pietra angolare delle prestazioni per i server AI?

Nei server AI, la progettazione dello stack-up del PCB è il punto di partenza e il fondamento dell'intera progettazione del PCB della scheda madre del server AI. Non solo definisce la struttura fisica della scheda, ma determina anche direttamente i limiti superiori dell'integrità del segnale (SI), dell'integrità dell'alimentazione (PI) e della compatibilità elettromagnetica (EMC). Per le schede madri dei server AI che gestiscono bus ad alta velocità come PCIe 5.0/6.0, CXL o NVLink, una progettazione dello stack-up scadente può degradare significativamente le prestazioni anche dei chip più avanzati.

Il cuore della progettazione dello stack-up risiede nella selezione dei materiali e nel sequenziamento degli strati:

1. Applicazione di materiali a perdita ultra-bassa: I materiali FR-4 tradizionali mostrano una perdita dielettrica (Df) eccessiva alle alte frequenze, rendendoli inadatti per segnali ad alta velocità come 28/56/112 Gbps PAM4. Pertanto, i PCB dei server AI utilizzano comunemente materiali a perdita ultra-bassa o estremamente bassa, come Tachyon 100G e Megtron 6/7/8. Questi materiali presentano valori di Dk (costante dielettrica) e Df inferiori, riducendo efficacemente l'attenuazione del segnale e garantendo la distanza di trasmissione e la chiarezza del diagramma a occhio.

2. Schede multistrato e strutture simmetriche: Le schede madri per server AI superano tipicamente i 20 strati, raggiungendo spesso 30 o più. Nella pianificazione dello stack-up, è essenziale aderire a principi simmetrici ed equilibrati, garantendo che lo spessore del core, lo spessore del prepreg (PP) e il peso del rame siano distribuiti simmetricamente su entrambi i lati dello strato centrale. Ciò previene la deformazione o la torsione della scheda a causa di sollecitazioni interne non uniformi durante la laminazione e i cicli termici, il che è fondamentale per la successiva produzione di massa di PCB per schede madri di server AI.

3. Continuità del piano di riferimento: Ogni traccia di segnale ad alta velocità deve avere un piano di riferimento completo e continuo (solitamente GND o PWR). Piani di riferimento discontinui causano discontinuità di impedenza, riflessioni del segnale ed effetti antenna, peggiorando l'EMI. Durante la progettazione dello stack-up, pianifichiamo meticolosamente la distribuzione dei piani di alimentazione e di massa per fornire i percorsi di ritorno più brevi e puliti per i segnali critici.

Come affrontare le sfide dell'integrità del segnale ad alta velocità (SI) dei collegamenti PCIe 5.0/6.0?

Quando le velocità dei dati salgono a 32 GT/s (PCIe 5.0) o addirittura 64 GT/s (PCIe 6.0), la trasmissione del segnale sul PCB diventa come una corsa attraverso una "palude", dove anche il più piccolo difetto viene amplificato. Garantire l'integrità del segnale è uno dei compiti più impegnativi nella progettazione di PCB per schede madri di server AI.

• Controllo rigoroso dell'impedenza: La precisione di controllo dell'impedenza differenziale (tipicamente 90Ω o 100Ω) deve raggiungere ±7% o addirittura ±5%. Ciò non si basa solo su calcoli di simulazione precisi, ma pone anche requisiti estremamente elevati sui processi di incisione e laminazione dei produttori di PCB. Presso Highleap PCB Factory (HILPCB), garantiamo che ogni lotto di PCB ad alta velocità soddisfi le rigorose specifiche di impedenza dei clienti attraverso un controllo di processo avanzato e test TDR (Time Domain Reflectometer).

• Ottimizzazione dei via: I via sono uno dei "ostacoli" più significativi sui percorsi di segnale ad alta velocità. I fori passanti tradizionali creano stub non necessari, che possono causare risonanze ad alte frequenze e degradare gravemente la qualità del segnale. Per ovviare a ciò, impieghiamo la tecnologia di retro-foratura per rimuovere con precisione gli stub in eccesso dal retro del PCB. Per aree a densità ultra-elevata, utilizziamo microvia e design di via ciechi/interrati dalla tecnologia HDI (High-Density Interconnect) per ottenere le connessioni interstrato più brevi.

• Soppressione del crosstalk: Il routing ad alta densità avvicina le coppie differenziali, rendendo il crosstalk una fonte primaria di interferenza. Aderiamo alla regola 3W/5W (la spaziatura tra le tracce è 3/5 volte la larghezza della traccia), impieghiamo tracce di guardia e utilizziamo il routing ortogonale negli strati di segnale adiacenti per mantenere il crosstalk vicino (NEXT) e il crosstalk lontano (FEXT) entro limiti accettabili.

Ottimizzazione del Design della Rete di Distribuzione dell'Alimentazione (PDN) per Server AI ad Alta Potenza

Una GPU AI può avere un consumo di potenza di picco di 700W o anche 1000W, con una tensione operativa del core inferiore a 1V e correnti che raggiungono centinaia di ampere. Fornire alimentazione stabile e pulita a queste "bestie affamate di energia" impone richieste estreme alla progettazione del PDN.

• Architettura di alimentazione a 48V: Per ridurre le perdite I²R dovute alle alte correnti nei percorsi di trasmissione, i server AI sono ampiamente passati dalle tradizionali architetture a 12V a quelle a 48V. L'alimentazione a 48V viene distribuita sulla scheda madre tramite barre di distribuzione o strati di rame spesso sul PCB, quindi ridotta alla tensione richiesta da convertitori DC-DC (VRM) vicino al carico. Questo design migliora significativamente l'efficienza di erogazione dell'energia.

• Obiettivo di impedenza PDN: L'obiettivo del PDN è mantenere un'impedenza estremamente bassa su una gamma di frequenze molto ampia (da DC a centinaia di MHz) per gestire le richieste transitorie dei carichi GPU. Ciò richiede una rete di condensatori di disaccoppiamento attentamente progettata, inclusi condensatori elettrolitici o polimerici ad alta capacità (per basse frequenze), decine di condensatori ceramici a media frequenza (MLCC) e condensatori ad alta frequenza situati all'interno del package del chip o sul lato posteriore del PCB.

• Layout VRM e gestione termica: Il VRM stesso è anche un'importante fonte di calore. Durante il layout, deve essere posizionato il più vicino possibile alla GPU/CPU per accorciare i percorsi ad alta corrente e ridurre le cadute di tensione. Allo stesso tempo, devono essere pianificati percorsi efficaci di dissipazione termica, tipicamente utilizzando grandi aree di rame e vias termici densi sul PCB per condurre il calore a dissipatori o piastre di raffreddamento a liquido.

Quali sono le strategie di gestione termica per i PCB dei server AI?

La gestione termica è fondamentale per garantire il funzionamento stabile a lungo termine dei server AI. Essendo il principale vettore di generazione e conduzione del calore, il design del PCB influisce direttamente sull'efficienza complessiva del raffreddamento del sistema.

1. Percorsi di Conduzione Termica Migliorati: Sotto i componenti che generano calore (come VRM e transceiver ad alta velocità), progettiamo fitte schiere di vie termiche (Thermal Vias Farm). Queste vie sono riempite con pasta conduttiva o rame placcato, formando efficienti canali di conduzione verticale del calore per trasferire rapidamente il calore dallo strato superiore ai piani interni di massa/alimentazione o allo strato inferiore del PCB.

2. Diffusione Termica Tramite Fogli di Rame: I piani interni di alimentazione e massa servono non solo come circuiti elettrici ma anche come eccellenti piani di dissipazione del calore (Heatsink Plane). Aumentando lo spessore del rame (ad esempio, utilizzando rame da 3oz o più spesso), la conduttività termica di questi piani può essere significativamente migliorata, diffondendo i punti caldi localizzati su tutto il PCB per evitare il surriscaldamento.

3. Selezione di Materiali High-Tg: I server AI operano a temperature interne estremamente elevate, quindi i materiali del PCB devono mostrare un'eccellente stabilità termica. Tipicamente utilizziamo materiali con alte temperature di transizione vetrosa (Tg) (ad esempio, Tg170°C o Tg180°C), come High-Tg PCB. Questi materiali mantengono una migliore resistenza meccanica e stabilità dimensionale ad alte temperature, prevenendo la delaminazione o la deformazione.

4. Integrazione con Soluzioni di Raffreddamento a Livello di Sistema: Il design del PCB deve allinearsi strettamente con le soluzioni di raffreddamento a livello di sistema come il flusso d'aria del telaio, i dissipatori di calore e le piastre di raffreddamento a liquido. Ad esempio, ottimizziamo il layout dei componenti ad alto calore in base alla direzione del flusso d'aria o riserviamo fori di montaggio e aree di sigillatura sul PCB per l'installazione della piastra di raffreddamento a liquido.

Richiedi un preventivo per PCB ## Come mitigare i rischi di produzione attraverso la revisione DFM/DFT/DFA nelle prime fasi di progettazione?

La filosofia del "design for manufacturing" è particolarmente critica nel campo dei PCB per server AI. Qualsiasi design "perfetto" distaccato dalle reali capacità di produzione è solo un castello in aria. Pertanto, condurre una revisione DFM/DFT/DFA approfondita durante la fase iniziale di progettazione è un passo fondamentale per evitare rischi in fase avanzata, controllare i costi e garantire il time-to-market.

• DFM (Design for Manufacturability): Lavoriamo a stretto contatto con i team di progettazione dei clienti per esaminare ogni dettaglio del design rispetto alle nostre capacità di processo. Ciò include larghezza/spaziatura minima delle tracce, dimensione e rapporto d'aspetto dei fori di perforazione, tecnologia via-in-pad, design dei pad BGA e altro ancora. Attraverso una revisione DFM/DFT/DFA professionale, possiamo identificare e risolvere in anticipo potenziali sfide di produzione, come la rottura della punta del trapano a causa di fori eccessivamente piccoli o l'incisione irregolare causata da un routing troppo denso.

• DFT (Design for Testability): Come convalidare un PCB complesso con decine di migliaia di nodi? Il DFT risponde a questa domanda. Consigliamo ai clienti di incorporare punti di test critici nel design e di assicurarsi che questi punti rimangano accessibili alle sonde dopo l'assemblaggio. Questo è essenziale per i successivi test in-circuit (ICT) e test funzionali (FCT), costituendo la base per un efficiente test PCB per schede madri di server AI.

• DFA (Design for Assembly): Il DFA si concentra su come i PCB possono essere assemblati in modo efficiente e affidabile. Esaminiamo se la spaziatura dei componenti consente operazioni di pick-and-place SMT, se connettori grandi o dissipatori di calore hanno aree di esclusione sufficienti e se i layout dei componenti potrebbero causare effetti di ombreggiatura durante la saldatura. Una revisione DFA ben eseguita migliora significativamente la resa di assemblaggio e riduce i costi di rilavorazione. La Highleap PCB Factory (HILPCB) fornisce a tutti i clienti servizi gratuiti e completi di revisione DFM/DFT/DFA, aiutando a ottimizzare i progetti al loro stato migliore prima della produzione.

Quali sono i processi chiave nella produzione di PCB per schede madri di server AI?

La trasformazione di schemi di progettazione complessi in circuiti stampati fisici affidabili si basa su una serie di processi di produzione ad alta precisione. La produzione di PCB per schede madri di server AI è un'impresa ad alta intensità tecnologica, con processi fondamentali che includono:

1. Laminazione e allineamento ad alta precisione: Per i PCB con oltre 20 strati, garantire l'allineamento preciso dei modelli di ogni strato è una sfida significativa. Utilizziamo sistemi avanzati di punzonatura con allineamento CCD e laminatori ad alta precisione per controllare le tolleranze di allineamento interstrato entro ±25μm, un prerequisito per la qualità dei via di segnale ad alta velocità.

2. Foratura a profondità controllata (Back Drilling): Come menzionato in precedenza, il back drilling è fondamentale per eliminare i monconi dei via. La nostra attrezzatura di foratura raggiunge un controllo della profondità a livello di micron, massimizzando la rimozione di pilastri di rame non necessari senza danneggiare le tracce adiacenti.

3. Placcatura ed incisione uniformi: Per soddisfare i rigorosi requisiti di impedenza, lo spessore del rame e la larghezza delle tracce devono essere altamente consistenti. Utilizziamo linee avanzate di placcatura verticale continua (VCP) e tecnologia di incisione differenziale sotto vuoto per garantire l'uniformità su tutta la scheda e tra le schede, ponendo le basi per una produzione di massa affidabile di PCB per schede madri di server AI.

4. Finiture superficiali avanzate: I PCB per server AI impiegano tipicamente ENIG (Nichel Chimico Oro ad Immersione) o ENEPIG (Nichel Chimico Palladio Chimico Oro ad Immersione) come finiture superficiali. Queste non solo offrono un'eccellente saldabilità – specialmente per package BGA e LGA ad alta densità – ma le loro superfici piatte aiutano anche a ridurre le perdite per effetto pelle nei segnali ad alta frequenza.

Come garantire l'affidabilità e la qualità dei PCB per schede madri di server AI?

Per i server AI di alto valore, qualsiasi guasto del PCB può comportare perdite economiche significative. Pertanto, un rigoroso processo di test dei PCB per schede madri di server AI funge da ultima e più critica linea di difesa per la fornitura di prodotti di alta qualità.

• Test della scheda nuda (Bare Board Testing): Prima dell'assemblaggio, ogni PCB deve essere sottoposto a test elettrici al 100% per garantire l'assenza di circuiti aperti o cortocircuiti. Per i prototipi e la produzione in piccoli lotti, il Flying Probe Test è la scelta ideale. Elimina la necessità di costosi dispositivi di test utilizzando sonde mobili per contattare direttamente i punti di test, offrendo una flessibilità eccezionale. Per la produzione di massa, vengono utilizzati dispositivi dedicati a letto di aghi (Bed-of-Nails) per i test, il che migliora significativamente l'efficienza.

• Controllo Qualità del Processo: Oltre al collaudo finale, il controllo qualità è integrato in tutto il processo di produzione di PCB per schede madri di server AI. Utilizziamo l'AOI (Ispezione Ottica Automatica) per verificare la qualità dell'incisione di ogni strato del circuito, i raggi X per ispezionare la precisione dell'allineamento degli strati interni e conduciamo analisi di sezione trasversale sulle strisce di controllo dell'impedenza per garantire che tutti i parametri di processo rimangano entro i limiti controllati.

• Test di Certificazione dell'Affidabilità: In base alle esigenze del cliente, possiamo anche eseguire test di affidabilità più rigorosi, come test di shock termico, THB (Temperature Humidity Bias) e resistenza CAF (Conductive Anodic Filament), per convalidare l'affidabilità a lungo termine dei PCB in condizioni estreme.

Verso una Produzione di Massa di Successo: Considerazioni dal Prototipo alla Fabbricazione su Larga Scala

Il passaggio da pochi prototipi di successo alla produzione di massa stabile di migliaia di unità è un passo fondamentale nella produzione di massa di PCB per schede madri di server AI. Questo processo richiede una collaborazione senza soluzione di continuità tra il produttore e il cliente.

1. Congelamento e Validazione del Processo: Dopo la validazione positiva del prototipo, collaboriamo con il cliente per "congelare" i processi di progettazione e produzione. Tutti i parametri, dai materiali laminati ai programmi di foratura, vengono solidificati in Procedure Operative Standard (SOP) per garantire la coerenza nella successiva produzione di massa.

2. Gestione della Catena di Approvvigionamento: I materiali a bassissima perdita utilizzati nei server AI hanno spesso lunghi tempi di consegna e costi elevati. Un produttore affidabile deve possedere forti capacità di gestione della catena di approvvigionamento per assicurarsi i materiali critici in anticipo, garantendo una produzione di massa senza intoppi. HILPCB ha stabilito partnership strategiche a lungo termine con i principali fornitori globali di materiali, fornendo ai clienti garanzie stabili sui materiali.

3. Servizio Completo: Per semplificare la catena di approvvigionamento e accelerare il time-to-market, un numero crescente di clienti preferisce partner che offrono servizi PCBA completi. HILPCB non è solo un produttore professionale di PCB backplane, ma fornisce anche servizi end-to-end, inclusi l'approvvigionamento dei componenti, l'assemblaggio SMT e il collaudo finale, garantendo un'integrazione perfetta tra progettazione, produzione e assemblaggio.

Richiedi un preventivo PCB

Conclusione

La progettazione di PCB per schede madri di server AI è un'impresa complessa di ingegneria dei sistemi che integra scienza dei materiali, teoria dei campi elettromagnetici, termodinamica e produzione di precisione. Richiede che progettisti e produttori spingano continuamente i limiti in tre dimensioni: alta velocità, elevato consumo energetico e alta densità. Dalla selezione di materiali a bassissima perdita all'ottimizzazione meticolosa di ogni via e traccia; dalla costruzione di reti di distribuzione dell'energia solide come una roccia alla progettazione di percorsi di conduzione del calore efficienti; e infine, garantendo una consegna impeccabile del prodotto attraverso rigorose revisioni DFM/DFT/DFA e test completi dei PCB delle schede madri dei server AI—ogni passo è critico.

In qualità di fornitore leader di soluzioni PCB, Highleap PCB Factory (HILPCB) sfrutta la sua profonda esperienza nei PCB ad alta velocità, alta frequenza e alta densità di potenza per fornire servizi completi ai clienti globali di AI e HPC—dall'ottimizzazione del design e prototipazione rapida alla produzione di massa. Se cercate un partner affidabile per il vostro progetto di server AI di prossima generazione, il nostro team di ingegneri professionisti è pronto a supportarvi.

Related links

• PCB ad alta velocità
• strati di rame spesso
• High-Tg PCB
• servizi PCBA completi
• PCB backplane