إجابة سريعة (30 ثانية)
يتطلب تصميم وتصنيع لوحة دوائر مطبوعة (PCB) لمفتاح مركز البيانات الالتزام الصارم ببروتوكولات سلامة الإشارة لدعم معدلات النقل مثل 400G، 800G، أو 1.6T. على عكس لوحات الشبكات القياسية، تتطلب هذه الوحدات مواد ذات فقد منخفض للغاية وتفاوتات تصنيع دقيقة.
- المادة: يجب استخدام رقائق منخفضة الفقد أو فائقة الانخفاض (مثل Panasonic Megtron 7/8, Isola Tachyon) بمعامل تبديد (Df) < 0.004 عند 10 جيجاهرتز.
- عدد الطبقات: عادةً من 20 إلى 40+ طبقة لاستيعاب التوجيه الكثيف ومستويات الطاقة.
- سلامة الإشارة: الحفر الخلفي إلزامي للممرات (vias) على خطوط السرعة العالية (>25 جيجابت في الثانية) لتقليل رنين الجذع؛ يجب أن يكون طول الجذع < 10 ميل (0.25 ملم).
- التحكم في المعاوقة: التفاوت الضيق بنسبة ±5% أو ±7% هو المعيار للأزواج التفاضلية (85Ω أو 100Ω).
- الإدارة الحرارية: غالبًا ما يتطلب الأمر نحاسًا ثقيلًا (2 أوقية+) على الطبقات الداخلية وإدخال عملات معدنية أو مزارع ممرات حرارية لدوائر ASICs عالية القدرة.
- التحقق: اختبار TDR (قياس الانعكاسية في المجال الزمني) بنسبة 100% واختبار VNA (محلل الشبكة المتجه) لفقد الإدخال أمران حاسمان.
متى تنطبق (ومتى لا تنطبق) لوحة دوائر مفتاح مركز البيانات
تفرض معماريات المفاتيح عالية الأداء متطلبات محددة للوحات الدوائر المطبوعة تختلف بشكل كبير عن الإلكترونيات العامة.
تنطبق هذه المواصفات عندما:
- تصميم مفاتيح Top-of-Rack (ToR) أو End-of-Row (EoR) أو Core لبنية تحتية لـ لوحة دوائر مركز بيانات سحابي.
- يستخدم النظام سرعات SerDes تبلغ 56G أو 112G أو 224G PAM4.
- أنت تقوم ببناء أجهزة لبيئة لوحة دوائر مطبوعة (PCB) لمركز بيانات مشترك تتطلب موثوقية تشغيل بنسبة 99.999%.
- تتطلب كثافة اللوحة هياكل توصيل عالية الكثافة (HDI)، مثل تكوينات 2+N+2 أو 3+N+3.
- تتجاوز متطلبات تبديد الحرارة 300 واط لكل ASIC، مما يستلزم دمج تبريد متقدم داخل لوحة الدوائر المطبوعة (PCB).
لا تنطبق هذه المواصفات عندما:
- تصميم محولات جيجابت إيثرنت قياسية للاستخدام في المكاتب الصغيرة/المنازل (SOHO) (FR-4 القياسي كافٍ).
- بناء لوحات إدارة منخفضة السرعة أو وحدات لوحة دوائر مطبوعة (PCB) احتياطية لمركز البيانات حيث تكون ترددات الإشارة أقل من 1 جيجاهرتز.
- التكلفة هي المحرك الأساسي على الأداء؛ مواد لوحة دوائر مطبوعة (PCB) لمحول مركز البيانات أغلى بكثير من TG170 القياسي.
- التطبيق هو بيئة لوحة دوائر مطبوعة (PCB) لمركز بيانات حاوي تركز فقط على عقد الحوسبة الطرفية منخفضة الطاقة دون الحاجة إلى تبديل عالي الإنتاجية.
القواعد والمواصفات
لضمان سلامة الإشارة والموثوقية الميكانيكية في لوحة دوائر مطبوعة (PCB) لمحول مركز البيانات، يجب على المهندسين الالتزام بقواعد تصميم وتصنيع صارمة.
| القاعدة | القيمة/النطاق الموصى به | لماذا يهم | كيفية التحقق | إذا تم تجاهله |
|---|---|---|---|---|
| مادة عازلة | Df ≤ 0.003, Dk ≤ 3.6 | يقلل من توهين الإشارة وتأخير الطور عند الترددات العالية (25 جيجاهرتز+). | مراجعة ورقة IPC-4101 و مواد لوحات الدوائر المطبوعة Megtron. | فقدان إدخال عالٍ؛ فشل الرابط بأقصى سرعة. |
| طول النتوء بعد الحفر | ≤ 8-10 ميل (0.20-0.25 ملم) | تعمل النتوءات الطويلة كهوائيات، مما يسبب انعكاس الإشارة والرنين. | تحليل المقطع الدقيق (المقطع العرضي). | تذبذب إشارة شديد؛ معدل خطأ بت (BER) عالٍ. |
| تحمل المعاوقة | ±5% (سرعة عالية)، ±10% (طاقة) | يضمن التوافق بين المشغل وخط الإرسال والمستقبل. | قسائم اختبار TDR. | انعكاس الإشارة؛ تلف البيانات. |
| خشونة سطح النحاس | VLP أو HVLP (Rz ≤ 2µm) | يجبر تأثير الجلد عند الترددات العالية التيار على السطح؛ وتزيد الخشونة من الفقد. | مجهر إلكتروني ماسح (SEM) للرقائق. | زيادة فقد الموصل؛ تدهور الإشارة. |
| تسجيل الطبقات | ±3 ميل (0.075 ملم) | يؤثر عدم المحاذاة على المعاوقة ويمكن أن يسبب دوائر قصيرة في BGAs الكثيفة. | فحص بالأشعة السينية. | دوائر مفتوحة/قصيرة؛ انقطاعات المعاوقة. |
| نسبة العرض إلى الارتفاع (الطلاء) | 12:1 إلى 16:1 (حد أقصى 20:1) | يضمن سمك طلاء كافٍ في الفتحات العميقة للاتصال. | قياس المقطع العرضي. | تشققات في البرميل؛ دوائر مفتوحة متقطعة أثناء الدورة الحرارية. |
| نمط نسج الزجاج | زجاج منتشر (1067/1078/1086) | يمنع تأثير نسج الألياف (الانحراف) حيث ترى الأزواج التفاضلية قيم Dk مختلفة. | التحقق من ورقة بيانات المواد. | انحراف التوقيت؛ انهيار الإشارة التفاضلية. |
| شبكة قناع اللحام | ≥ 3 ميل (0.075 مم) | يمنع جسور اللحام بين وسادات BGA ذات الخطوة الدقيقة. | AOI (الفحص البصري الآلي). | جسور اللحام؛ دوائر قصيرة أثناء التجميع. |
| طلاء الثقب في الوسادة | VIPPO (مملوء ومغطى) | مطلوب لـ BGAs ذات الخطوة الدقيقة لتوجيه الإشارات بدون تفرعات "عظم الكلب". | الفحص البصري والمقطع العرضي. | فراغات اللحام؛ ضعف موثوقية وصلة BGA. |
| تقوس والتواء | ≤ 0.5% (فئة IPC 3) | حاسم للتجميع المسطح لحزم BGA الكبيرة (ASICs). | مقياس قياس الانحراف. | عيوب لحام BGA (رأس في الوسادة). |
خطوات التنفيذ
يتضمن الانتقال من مخطط إلى لوحة دوائر مطبوعة (PCB) لمفتاح مركز بيانات مادية سلسلة من خطوات الهندسة والتصنيع الدقيقة.
اختيار المواد وتحديد التراص
- الإجراء: اختر مادة مثل Megtron 7 أو Isola Tachyon. حدد تراصًا متماثلًا (على سبيل المثال، 24 طبقة) يوازن بين طبقات الإشارة والطاقة.
- المعلمة الرئيسية: محتوى الراتنج > 50% لمنع النقص.
- فحص القبول: تحقق من أن سمك التراص يفي بالقيود الميكانيكية (عادةً < 3.0 مم لموصلات اللوحة الخلفية).
نمذجة المعاوقة
- الإجراء: حساب عروض المسارات والتباعد للمقاومات المطلوبة (90 أوم USB، 100 أوم زوج تفاضلي). استخدام محلل مجال.
- المعلمة الرئيسية: ثابت العزل الكهربائي (Dk) عند تردد التشغيل (مثل 14 جيجاهرتز لـ 28 جيجابت في الثانية نايكويست).
- فحص القبول: استخدام حاسبة المعاوقة للتحقق من القيم النظرية مقابل قدرات التصنيع.
توزيع BGA وتوجيه الهروب
- الإجراء: توجيه الإشارات من شريحة ASIC الرئيسية للمحول. استخدام توجيه "تخطي الطبقات" للإشارات عالية السرعة لتقليل التداخل.
- المعلمة الرئيسية: تباعد المسار إلى المسار > 3W (3 أضعاف عرض المسار) لتقليل التداخل.
- فحص القبول: لا توجد زوايا حادة؛ مسارات توجيه سلسة.
تصميم سلامة الطاقة (PI)
- الإجراء: تصميم مستويات الطاقة لقضبان الجهد المنخفض/التيار العالي (مثل 0.8 فولت عند 200 أمبير). وضع مكثفات الفصل بالقرب من دبابيس ASIC.
- المعلمة الرئيسية: مقاومة المستوى ومحاثة الحلقة.
- فحص القبول: محاكاة انخفاض الجهد المستمر (DC Drop) تظهر انخفاضًا في الجهد < 3% عند الحمل.
تعريف الحفر الخلفي (Backdrill)
- الإجراء: تحديد جميع الفتحات (vias) عالية السرعة التي تنتقل بين طبقات الإشارة وتتطلب إزالة النتوءات. إنشاء ملف حفر محدد للحفر الخلفي.
- المعلمة الرئيسية: مسافة طبقة "يجب عدم القطع" (هامش أمان عادة 6-8 ميل).
- فحص القبول: ملفات Gerber تشير بوضوح إلى مواقع وعمق الحفر الخلفي.
مراجعة DFM
- الإجراء: إرسال بيانات التصميم إلى APTPCB (APTPCB PCB Factory) لتحليل قابلية التصنيع.
- المعلمة الرئيسية: الحد الأدنى لحجم الثقب مقابل سمك اللوحة (نسبة العرض إلى الارتفاع).
- فحص القبول: يُظهر تقرير DFM Guidelines عدم وجود انتهاكات حرجة.
التصنيع والترقيق
- الإجراء: الترقيق المتسلسل (إذا كان HDI) أو الترقيق الفردي. يجب التحكم في دورات الضغط لمنع إجهاد المواد.
- المعلمة الرئيسية: ملف تعريف درجة حرارة الضغط وضغط الفراغ.
- فحص القبول: فحص C-Scan أو الأشعة السينية للتحقق من الانفصال أو عدم المحاذاة.
الطلاء والتشطيب السطحي
- الإجراء: تطبيق طلاء النحاس متبوعًا بالتشطيب السطحي. يُفضل ENIG أو ENEPIG للوسادات المسطحة ودعم ربط الأسلاك.
- المعلمة الرئيسية: سمك النيكل (118-236 ميكروبوصة) وسمك الذهب (2-5 ميكروبوصة).
- فحص القبول: قياس XRF لسمك التشطيب.
الاختبار الكهربائي
- الإجراء: إجراء اختبار المسبار الطائر أو سرير المسامير.
- المعلمة الرئيسية: مقاومة الاستمرارية < 10Ω، العزل > 10MΩ.
- فحص القبول: اجتياز 100% في التحقق من قائمة الشبكة.
أوضاع الفشل واستكشاف الأخطاء وإصلاحها
حتى مع التصميمات القوية، قد تنشأ مشكلات أثناء تصنيع أو تشغيل Data Center Switch PCB.
- العرض: معدل خطأ بت مرتفع (BER) على قنوات محددة
- السبب: طول زائد لجذع الفتحة (via stub) بسبب عدم إجراء الحفر الخلفي (backdrilling) أو عمق غير كافٍ.
- الفحص: إجراء مقطع مجهري للفتحة المعيبة لقياس طول الجذع.
- الحل: تعديل معلمات عمق الحفر الخلفي في الدورات المستقبلية.
- الوقاية: تحديد طبقات الحفر الخلفي بوضوح في بيانات ODB++.
العرض: انحراف الإشارة (عدم تطابق التوقيت)
- السبب: تأثير نسج الألياف؛ يمر أحد طرفي الزوج التفاضلي فوق الزجاج، والآخر فوق الراتنج.
- الفحص: فحص سطح اللوحة ونوع الرقائق.
- الحل: تدوير التصميم 10 درجات (توجيه متعرج) أو استخدام زجاج منتشر (1067/1078).
- الوقاية: تحديد "زجاج منتشر" أو "نسيج منتشر ميكانيكيًا" في ملاحظات التصنيع.
العرض: دوائر مفتوحة متقطعة عند درجة حرارة عالية
- السبب: تشققات في برميل الثقوب المطلية (PTH) بسبب عدم تطابق التمدد في المحور Z.
- الفحص: اختبار الدورة الحرارية متبوعًا بمقطع عرضي.
- الحل: استخدام مادة ذات Tg عالية (>180 درجة مئوية) و CTE-Z منخفض.
- الوقاية: التأكد من أن نسبة العرض إلى الارتفاع ضمن حدود الشركة المصنعة (مثل < 16:1).
العرض: عيوب "الرأس في الوسادة" في BGA
- السبب: تشوه لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) أثناء إعادة التدفق يمنع الكرة من الاندماج مع المعجون.
- الفحص: قياس تسطيح اللوحة العارية باستخدام طريقة Shadow Moiré.
- الحل: موازنة توزيع النحاس على جميع الطبقات.
- الوقاية: استخدام دورات تصفيح منخفضة الإجهاد وتكوينات متماثلة للطبقات.
العرض: المعاوقة خارج المواصفات
- السبب: النقش الزائد للمسارات (المسارات أضيق مما هو مصمم).
- التحقق: قياس عرض المسار في المقطع العرضي.
- الإصلاح: ضبط عوامل تعويض النقش في محطة CAM.
- الوقاية: تضمين قسائم المعاوقة على سكة اللوحة للتحقق من الدفعة.
العرض: انفصال الطبقات / ظهور فقاعات
- السبب: الرطوبة المحبوسة في اللوحة تتحول إلى بخار أثناء إعادة التدفق.
- التحقق: فحص وجود فقاعات بين الطبقات.
- الإصلاح: خبز اللوحات عند 120 درجة مئوية لمدة 4-6 ساعات قبل التجميع.
- الوقاية: تخزين لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) في أكياس محكمة الإغلاق بالتفريغ الهوائي مع مادة مجففة (ضوابط MSL).
العرض: نمو الشعيرات الأنودية الموصلة (CAF)
- السبب: الهجرة الكهروكيميائية على طول الألياف الزجاجية مما يسبب قصورًا.
- التحقق: اختبار عزل الجهد العالي.
- الإصلاح: زيادة التباعد بين الثقوب.
- الوقاية: استخدام مواد مقاومة لـ CAF (مضادة لـ CAF).
قرارات التصميم
غالبًا ما تعود استكشاف الأخطاء وإصلاحها إلى المفاضلات الأولية في التصميم. عند تكوين لوحة دوائر مطبوعة لمفتاح مركز بيانات (Data Center Switch PCB)، يكون التوازن بين التكلفة والأداء أمرًا بالغ الأهمية.
المواد مقابل التكلفة: يوفر استخدام Megtron 7 لجميع الطبقات أفضل أداء ولكنه مكلف. يمكن لتصميم الطبقات الهجين (باستخدام Megtron لطبقات إشارة السرعة العالية وFR-4 القياسي للطاقة/الأرضي) أن يقلل التكاليف، ولكنه يقدم مخاطر التواء بسبب اختلاف قيم معامل التمدد الحراري (CTE). توصي APTPCB عمومًا ببناء مواد متجانسة للوحات ذات 20 طبقة أو أكثر لضمان الاستواء.
HDI مقابل الثقوب النافذة: بينما تعتبر الثقوب النافذة أرخص، إلا أنها تستهلك مساحة التوجيه على جميع الطبقات. بالنسبة لرقائق التبديل عالية الكثافة (256+ مسارًا)، غالبًا ما يكون HDI (الثقوب العمياء/المدفونة) لا مفر منه للهروب من حقل BGA. يزيد هذا من وقت التسليم والتكلفة ولكنه ضروري لسلامة الإشارة والتصغير.
اللمسة النهائية للسطح: HASL ليس خيارًا لهذه اللوحات بسبب عدم انتظامها. ENIG هو المعيار، ولكن لتطبيقات الترددات الفائقة، قد يُفضل الفضة الغاطسة (Immersion Silver) أو ENEPIG لتجنب "تأثير النيكل" على فقدان الإشارة، على الرغم من أن لها فترات صلاحية أقصر.
الأسئلة الشائعة
س: ما هو أقصى عدد طبقات يمكن لـ APTPCB التعامل معه للوحة PCB لمحول مركز البيانات؟ ج: نقوم بتصنيع لوحات تصل إلى 60 طبقة بانتظام. لتطبيقات المحولات، يتراوح العدد الأكثر شيوعًا بين 20 و 34 طبقة لاستيعاب متطلبات التوجيه الكثيف والطاقة.
س: هل الحفر الخلفي ضروري تمامًا لمفاتيح 10 جيجابت في الثانية؟ ج: ليس ضروريًا دائمًا بشكل صارم لـ 10 جيجابت في الثانية إذا تم تحسين تصميم الطبقات، ولكنه موصى به بشدة. بالنسبة لـ 25 جيجابت في الثانية وما فوق (بما في ذلك 56G/112G PAM4)، فإن الحفر الخلفي إلزامي لإزالة النتوءات الرنانة. س: هل يمكنني استخدام FR-4 القياسي للوحة دوائر مطبوعة (PCB) لمركز بيانات سحابي؟ ج: بشكل عام، لا. يحتوي FR-4 القياسي على ظل فقدان (Df) مرتفع جدًا (~0.020)، مما يتسبب في فقدان إشارة مفرط. تحتاج إلى مواد ذات فقدان متوسط أو منخفض (Df < 0.010 أو < 0.005).
س: كيف تتعاملون مع الإدارة الحرارية لـ ASICs بقوة 400 واط فما فوق؟ ج: نستخدم النحاس السميك (2 أونصة، 3 أونصة) في الطبقات الداخلية، ومصفوفات الفتحات الحرارية تحت المكون، ويمكننا تضمين تقنية العملات النحاسية (coin-in-board) لتوصيل الحرارة مباشرة إلى الهيكل.
س: ما هي المهلة الزمنية للوحة دوائر مطبوعة (PCB) نموذجية لمفتاح مركز بيانات؟ ج: نظرًا للتعقيد (دورات التصفيح، الحفر الخلفي)، فإن المهلة الزمنية القياسية هي 10-15 يوم عمل. يمكن للخدمات السريعة تقليل ذلك إلى 7-8 أيام حسب توفر المواد.
س: كيف تتحققون من الممانعة على هذه اللوحات؟ ج: نضع قسائم اختبار على قضبان لوحة الإنتاج تحاكي المسارات الفعلية. يتم اختبارها باستخدام TDR (انعكاس المجال الزمني) لضمان أنها تفي بالمواصفات ±5% أو ±10%.
س: ما هو الفرق بين Megtron 6 و Megtron 7؟ ج: يتميز Megtron 7 بفقدان إرسال أقل ومقاومة أفضل للحرارة من Megtron 6، مما يجعله أكثر ملاءمة لتطبيقات 112G PAM4 واللوحات ذات الطبقات الكثيرة.
س: هل تدعمون موصلات الضغط (press-fit)؟ ج: نعم، موصلات الضغط (press-fit) قياسية للوحات الخلفية لمراكز البيانات. نحافظ على تفاوتات ثقب محكمة (+/- 0.05 مم) لضمان احتفاظ مناسب بالدبابيس دون إتلاف الطلاء.
س: ما هو تنسيق البيانات الذي يجب أن أرسله للتصنيع؟ A: يُفضل ODB++ لأنه يحتوي على بيانات ذكية بخصوص التراص (stackup)، وقوائم الشبكة (netlists)، وأنواع الثقوب. Gerber X2 مقبول أيضًا.
س: كيف يؤثر تأثير نسج الألياف على تصميمي؟ ج: عند السرعات العالية، إذا كان المسار يمتد موازيًا لحزمة زجاجية، فإنه يرى ثابت عزل (Dk) مختلفًا عن المسار فوق الراتنج. نوصي باستخدام أنماط "الزجاج المنتشر" (spread glass) أو توجيه المسارات بزاوية طفيفة (10 درجات) للتخفيف من ذلك.
صفحات وأدوات ذات صلة
- اختيار المواد: استكشف مواد لوحات الدوائر المطبوعة عالية التردد لدينا لمقارنة خيارات Megtron وRogers وIsola.
- قدرات التصنيع: اطلع على مواصفاتنا الكاملة لـ تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة لعدد الطبقات وأحجام الثقوب.
- أدوات التصميم: استخدم عارض Gerber الخاص بنا لفحص ملفاتك قبل التقديم.
مسرد المصطلحات (المصطلحات الرئيسية)
| المصطلح | التعريف | السياق في لوحات الدوائر المطبوعة لمفاتيح مراكز البيانات |
|---|---|---|
| PAM4 | تعديل سعة النبضة 4 مستويات | مخطط ترميز يضاعف معدل البيانات (مثل 112G) مقابل NRZ؛ يتطلب نسبة إشارة إلى ضوضاء (SNR) أعلى وتخطيط PCB أنظف. |
| SerDes | مُسلسل/مُفكك تسلسل | كتلة وظيفية عالية السرعة تحول البيانات المتوازية إلى تسلسلية؛ المحرك الأساسي لتعقيد لوحات الدوائر المطبوعة. |
| Backdrilling | الحفر بعمق متحكم به | إزالة الجزء غير المستخدم من الثقب المطلي (stub) لتقليل انعكاس الإشارة. |
| فقدان الإدخال | توهين الإشارة | فقدان قوة الإشارة أثناء انتقالها؛ يعتمد بشكل كبير على ثابت فقدان المادة (Df) للوحة الدوائر المطبوعة وخشونة النحاس. |
| الانحراف | فرق التوقيت | الفرق الزمني بين إشارتين في زوج تفاضلي تصلان إلى المستقبل. |
| Dk / Df | ثابت العزل الكهربائي / عامل التبديد | خصائص المواد التي تحدد سرعة الإشارة (Dk) وفقدان الإشارة (Df). |
| CTE | معامل التمدد الحراري | مدى تمدد المادة بالحرارة؛ أمر بالغ الأهمية لموثوقية BGAs الكبيرة والثقوب العميقة. |
| HDI | التوصيل البيني عالي الكثافة | تقنية تستخدم الثقوب الدقيقة، والثقوب العمياء، والثقوب المدفونة لزيادة كثافة التوجيه. |
| VIPPO | ثقب في الوسادة مطلية | وضع ثقب مباشرة في وسادة المكون، وملئه، وطلائه لتوفير المساحة. |
| TDR | انعكاس المجال الزمني | تقنية قياس تستخدم للتحقق من المعاوقة المميزة لمسارات لوحة الدوائر المطبوعة. |
الخلاصة
إن بناء لوحة دوائر مطبوعة لمفتاح مركز بيانات لا يقتصر على توصيل المكونات فحسب؛ بل يتعلق بإدارة فيزياء نقل الإشارات عالية السرعة. من اختيار المادة المناسبة فائقة الانخفاض في الفقد إلى تنفيذ الحفر الخلفي الدقيق والتحكم في المعاوقة، تؤثر كل خطوة على الإنتاجية النهائية وموثوقية الشبكة.
سواء كنت تقوم بإنشاء نموذج أولي لمفتاح 800G جديد أو توسيع الإنتاج لنشر على نطاق واسع، توفر APTPCB الدعم الهندسي وقدرات التصنيع المتقدمة المطلوبة لهذه البنى المعقدة. تأكد من أن تصميمك جاهز للإنتاج من خلال استشارة فريق الهندسة لدينا في وقت مبكر من العملية.