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El diseño y la fabricación de una PCB de conmutador de centro de datos requiere una estricta adherencia a los protocolos de integridad de la señal para soportar rendimientos como 400G, 800G o 1.6T. A diferencia de las placas de red estándar, estas unidades exigen materiales de pérdida ultrabaja y tolerancias de fabricación precisas.

• Material: Debe utilizar laminados de baja pérdida o ultrabaja pérdida (p. ej., Panasonic Megtron 7/8, Isola Tachyon) con Df < 0.004 @ 10GHz.
• Número de capas: Típicamente de 20 a 40+ capas para acomodar un enrutamiento denso y planos de potencia.
• Integridad de la señal: El taladrado posterior es obligatorio para las vías en líneas de alta velocidad (>25 Gbps) para reducir la resonancia de los talones; la longitud del talón debe ser < 10 mils (0.25mm).
• Control de impedancia: Una tolerancia estricta de ±5% o ±7% es estándar para pares diferenciales (85Ω o 100Ω).
• Gestión térmica: A menudo se requiere cobre pesado (2oz+) en las capas internas e inserción de monedas o "granjas" de vías térmicas para ASICs de alta potencia.
• Validación: Las pruebas 100% TDR (Reflectometría en el Dominio del Tiempo) y VNA (Analizador de Red Vectorial) para la pérdida de inserción son críticas.

Cuándo se aplica (y cuándo no) la PCB de conmutador de centro de datos

Las arquitecturas de conmutadores de alto rendimiento dictan requisitos específicos de PCB que difieren significativamente de la electrónica general.

Esta especificación se aplica cuando:

• Se diseñan conmutadores Top-of-Rack (ToR), End-of-Row (EoR) o Core para una infraestructura de PCB de centro de datos en la nube.
• El sistema utiliza velocidades SerDes de 56G, 112G o 224G PAM4.
• Está construyendo hardware para un entorno de PCB de centro de datos de coubicación que requiere una fiabilidad de tiempo de actividad del 99.999%.
• La densidad de la placa requiere estructuras de interconexión de alta densidad (HDI), como apilamientos 2+N+2 o 3+N+3.
• Los requisitos de disipación térmica superan los 300W por ASIC, lo que requiere una integración avanzada de refrigeración dentro de la PCB.

Esta especificación no se aplica cuando:

• Diseña conmutadores Gigabit Ethernet estándar para uso en pequeñas oficinas/oficinas en casa (SOHO) (el FR-4 estándar es suficiente).
• Construye placas de gestión de baja velocidad o unidades de PCB de respaldo de centro de datos donde las frecuencias de señal están por debajo de 1 GHz.
• El costo es el factor principal sobre el rendimiento; los materiales de PCB de conmutador de centro de datos son significativamente más caros que el TG170 estándar.
• La aplicación es un entorno de PCB de centro de datos en contenedor centrado únicamente en nodos de computación de borde de baja potencia sin necesidades de conmutación de alto rendimiento.

Reglas y especificaciones

Para garantizar la integridad de la señal y la fiabilidad mecánica en una PCB de conmutador de centro de datos, los ingenieros deben adherirse a reglas de diseño y fabricación rígidas.

Regla	Valor/Rango recomendado	Por qué es importante	Cómo verificar	Si se ignora
Material Dieléctrico	Df ≤ 0.003, Dk ≤ 3.6	Minimiza la atenuación de la señal y el retardo de fase en altas frecuencias (25GHz+).	Revisar la hoja IPC-4101 y materiales de PCB Megtron.	Alta pérdida de inserción; fallo de enlace a velocidad máxima.
Longitud del Stub de Contrabarrenado	≤ 8-10 mils (0.20-0.25mm)	Los stubs largos actúan como antenas, causando reflexión y resonancia de la señal.	Análisis de microsección (corte transversal).	Jitter de señal severo; alta Tasa de Error de Bit (BER).
Tolerancia de Impedancia	±5% (Alta Velocidad), ±10% (Potencia)	Asegura la coincidencia entre el controlador, la línea de transmisión y el receptor.	Cupones de prueba TDR.	Reflexión de la señal; corrupción de datos.
Rugosidad de la Superficie del Cobre	VLP o HVLP (Rz ≤ 2µm)	El efecto pelicular a altas frecuencias fuerza la corriente a la superficie; la rugosidad aumenta la pérdida.	SEM (Microscopio Electrónico de Barrido) de la lámina.	Pérdida de conductor aumentada; degradación de la señal.
Registro de Capas	±3 mils (0.075mm)	La desalineación afecta la impedancia y puede causar cortocircuitos en BGAs densas.	Inspección por Rayos X.	Circuitos abiertos/cortocircuitos; discontinuidades de impedancia.
Relación de Aspecto (Chapado)	12:1 a 16:1 (Máx. 20:1)	Asegura un espesor de chapado suficiente en vías profundas para la conectividad.	Medición de corte transversal.	Grietas en el barril; circuitos abiertos intermitentes durante el ciclo térmico.
Estilo de tejido de vidrio	Vidrio extendido (1067/1078/1086)	Evita el efecto de tejido de fibra (sesgo) donde los pares diferenciales ven diferentes Dk.	Verificación de la hoja de datos del material.	Sesgo de temporización; colapso de la señal diferencial.
Red de máscara de soldadura	≥ 3 mils (0.075mm)	Evita puentes de soldadura entre las almohadillas BGA de paso fino.	AOI (Inspección Óptica Automatizada).	Puentes de soldadura; cortocircuitos durante el ensamblaje.
Chapado de vía en almohadilla	VIPPO (Relleno y tapado)	Requerido para BGAs de paso fino para enrutar señales sin salidas tipo "dog-bone".	Inspección visual y sección transversal.	Vacíos de soldadura; baja fiabilidad de la unión BGA.
Alabeo y torsión	≤ 0.5% (Clase IPC 3)	Crítico para el ensamblaje plano de paquetes BGA grandes (ASICs).	Medidor de alabeo.	Defectos de soldadura BGA (cabeza en almohada).

Pasos de implementación

Pasar de un esquema a una PCB de conmutador de centro de datos física implica una secuencia de pasos de ingeniería y fabricación precisos.

1. Selección de Material y Definición de Apilamiento

   • Acción: Seleccione un material como Megtron 7 o Isola Tachyon. Defina un apilamiento simétrico (p. ej., 24 capas) equilibrando las capas de señal y potencia.
   • Parámetro clave: Contenido de resina > 50% para evitar la inanición.
   • Verificación de Aceptación: Verifique que el grosor del apilamiento cumpla con las restricciones mecánicas (generalmente < 3.0mm para conectores de plano posterior).

2. Modelado de Impedancia

• Acción: Calcular anchos y espaciados de trazas para las impedancias requeridas (USB de 90Ω, par diferencial de 100Ω). Usar un solucionador de campo.
  • Parámetro Clave: Constante dieléctrica (Dk) a la frecuencia de operación (ej., 14 GHz para Nyquist de 28 Gbps).
  • Verificación de Aceptación: Usar una Calculadora de Impedancia para validar los valores teóricos frente a las capacidades de fabricación.

3. BGA Fan-out y Enrutamiento de Escape

   • Acción: Enrutar señales desde el ASIC del conmutador principal. Usar enrutamiento "skip-layer" para señales de alta velocidad para minimizar la diafonía.
   • Parámetro Clave: Espaciado entre trazas > 3W (3x ancho de traza) para reducir la diafonía.
   • Verificación de Aceptación: Sin ángulos agudos; rutas de enrutamiento suaves.

4. Diseño de Integridad de Potencia (PI)

   • Acción: Diseñar planos de potencia para rieles de bajo voltaje/alta corriente (ej., 0.8V @ 200A). Colocar condensadores de desacoplamiento cerca de los pines del ASIC.
   • Parámetro Clave: Resistencia del plano e inductancia de bucle.
   • Verificación de Aceptación: Simulación de caída de CC que muestre una caída de voltaje < 3% en la carga.

5. Definición de Backdrill

   • Acción: Identificar todas las vías de alta velocidad que transicionan capas de señal y requieren eliminación de talones. Generar un archivo de perforación específico para el backdrilling.
   • Parámetro Clave: Distancia de capa "No Cortar" (margen de seguridad usualmente 6-8 mils).
   • Verificación de Aceptación: Los archivos Gerber indican claramente las ubicaciones y la profundidad del backdrill.

6. Revisión DFM

• Acción: Enviar datos de diseño a APTPCB (APTPCB PCB Factory) para análisis de Diseño para Fabricación.
• Parámetro Clave: Tamaño mínimo de perforación vs. grosor de la placa (Relación de Aspecto).
• Verificación de Aceptación: El informe de DFM Guidelines muestra cero violaciones críticas.

7. Fabricación y Laminación

   • Acción: Laminación secuencial (si es HDI) o laminación única. Los ciclos de prensado deben controlarse para evitar la tensión del material.
   • Parámetro Clave: Perfil de temperatura de prensado y presión de vacío.
   • Verificación de Aceptación: C-Scan o Rayos X para verificar delaminación o desalineación.

8. Chapado y Acabado Superficial

   • Acción: Aplicar chapado de cobre seguido de acabado superficial. Se prefiere ENIG o ENEPIG para almohadillas planas y soporte de unión de cables.
   • Parámetro Clave: Grosor de níquel (118-236 µin) y grosor de oro (2-5 µin).
   • Verificación de Aceptación: Medición XRF del grosor del acabado.

9. Pruebas Eléctricas

   • Acción: Realizar pruebas de Sonda Volante o Lecho de Clavos.
   • Parámetro Clave: Resistencia de continuidad < 10Ω, Aislamiento > 10MΩ.
   • Verificación de Aceptación: 100% de aprobación en la verificación de la netlist.

Modos de fallo y resolución de problemas

Incluso con diseños robustos, pueden surgir problemas durante la fabricación o el funcionamiento de una Data Center Switch PCB.

1. Síntoma: Alta Tasa de Error de Bit (BER) en canales específicos

• Causa: Longitud excesiva del talón de vía debido a un taladrado posterior omitido o a una profundidad insuficiente.
• Verificación: Realizar una microsección de la vía defectuosa para medir la longitud del talón.
• Solución: Ajustar los parámetros de profundidad del taladrado posterior en futuras producciones.
• Prevención: Marcar claramente las capas de taladrado posterior en los datos ODB++.

2. Síntoma: Desviación de señal (desajuste de temporización)

   • Causa: Efecto de tejido de fibra; una rama de un par diferencial pasa sobre vidrio, la otra sobre resina.
   • Verificación: Inspeccionar la superficie de la placa y el tipo de laminado.
   • Solución: Rotar el diseño 10 grados (enrutamiento en zig-zag) o usar vidrio extendido (1067/1078).
   • Prevención: Especificar "Vidrio Extendido" o "Tejido Mecánicamente Extendido" en las notas de fabricación.

3. Síntoma: Circuitos abiertos intermitentes a alta temperatura

   • Causa: Grietas en el barril de los orificios pasantes chapados (PTH) debido a la desalineación de la expansión en el eje Z.
   • Verificación: Prueba de ciclaje térmico seguida de una sección transversal.
   • Solución: Usar material con alta Tg (>180°C) y bajo CTE-Z.
   • Prevención: Asegurar que la relación de aspecto esté dentro de los límites del fabricante (ej., < 16:1).

4. Síntoma: Defectos "Head-in-Pillow" en BGA

   • Causa: Deformación de la PCB durante el reflujo que impide que la bola se fusione con la pasta.
   • Verificación: Medición de la planitud de la placa desnuda mediante Moiré de sombra.
   • Solución: Equilibrar la distribución de cobre en todas las capas.
   • Prevención: Usar ciclos de laminación de baja tensión y apilamientos simétricos.

5. Síntoma: Impedancia fuera de especificación

• Causa: Sobregrabado de las pistas (las pistas son más estrechas de lo diseñado).
  • Verificación: Medición del ancho de la pista en sección transversal.
  • Solución: Ajustar los factores de compensación de grabado en la estación CAM.
  • Prevención: Incluir cupones de impedancia en el riel del panel para verificación por lotes.

6. Síntoma: Delaminación / Ampollamiento

   • Causa: La humedad atrapada en la placa se convierte en vapor durante el reflujo.
   • Verificación: Inspeccionar si hay burbujas entre las capas.
   • Solución: Hornear las placas a 120°C durante 4-6 horas antes del ensamblaje.
   • Prevención: Almacenar las PCB en bolsas selladas al vacío con desecante (controles MSL).

7. Síntoma: Crecimiento de Filamento Anódico Conductivo (CAF)

   • Causa: Migración electroquímica a lo largo de las fibras de vidrio que causa cortocircuitos.
   • Verificación: Pruebas de aislamiento de alta tensión.
   • Solución: Aumentar el espaciado entre orificios.
   • Prevención: Usar materiales resistentes al CAF (Anti-CAF).

Decisiones de diseño

La resolución de problemas a menudo nos remite a las compensaciones de diseño iniciales. Al configurar una PCB de conmutador de centro de datos, el equilibrio entre costo y rendimiento es fundamental.

Material vs. Costo: El uso de Megtron 7 para todas las capas ofrece el mejor rendimiento, pero es costoso. Una configuración de apilamiento híbrida (utilizando Megtron para las capas de señales de alta velocidad y FR-4 estándar para alimentación/tierra) puede reducir los costos, pero introduce riesgos de deformación debido a los diferentes valores de CTE. APTPCB generalmente recomienda una construcción de material homogéneo para placas de más de 20 capas para garantizar la planitud.

HDI vs. Vías pasantes: Aunque las vías pasantes son más económicas, consumen espacio de enrutamiento en todas las capas. Para chips de conmutación de alta densidad (más de 256 carriles), el HDI (vías ciegas/enterradas) suele ser inevitable para escapar del campo BGA. Esto aumenta el tiempo de entrega y el costo, pero es necesario para la integridad de la señal y la miniaturización.

Acabado superficial: HASL no es una opción para estas placas debido a la irregularidad. ENIG es estándar, pero para aplicaciones de ultra alta frecuencia, se puede preferir la Plata de Inmersión o ENEPIG para evitar el "efecto níquel" en la pérdida de señal, aunque tienen una vida útil más corta.

Preguntas Frecuentes

P: ¿Cuál es el número máximo de capas que APTPCB puede manejar para una PCB de conmutador de centro de datos? R: Regularmente fabricamos placas de hasta 60 capas. Para aplicaciones de conmutación, de 20 a 34 capas es el rango más común para adaptarse a los requisitos de enrutamiento denso y energía.

P: ¿Es absolutamente necesario el taladrado posterior para conmutadores de 10 Gbps? R: No siempre es estrictamente necesario para 10 Gbps si la configuración de apilamiento está optimizada, pero es muy recomendable. Para 25 Gbps y superiores (incluyendo 56G/112G PAM4), el taladrado posterior es obligatorio para eliminar los talones resonantes. P: ¿Puedo usar FR-4 estándar para una PCB de centro de datos en la nube? R: Generalmente, no. El FR-4 estándar tiene una Tangente de Pérdida (Df) demasiado alta (~0.020), lo que causa una pérdida excesiva de señal. Necesita materiales de pérdida media o baja (Df < 0.010 o < 0.005).

P: ¿Cómo manejan la gestión térmica para ASICs de más de 400W? R: Utilizamos cobre grueso (2oz, 3oz) en las capas internas, matrices de vías térmicas debajo del componente, y podemos incrustar tecnología de monedas de cobre (coin-in-board) para conducir el calor directamente al chasis.

P: ¿Cuál es el tiempo de entrega para una PCB prototipo de conmutador de centro de datos? R: Debido a la complejidad (ciclos de laminación, taladrado posterior), el tiempo de entrega estándar es de 10 a 15 días hábiles. Los servicios acelerados pueden reducir esto a 7-8 días, dependiendo de la disponibilidad del material.

P: ¿Cómo verifican la impedancia en estas placas? R: Colocamos cupones de prueba en los rieles del panel de producción que imitan las trazas reales. Estos se prueban utilizando TDR (Reflectometría en el Dominio del Tiempo) para asegurar que cumplen con la especificación de ±5% o ±10%.

P: ¿Cuál es la diferencia entre Megtron 6 y Megtron 7? R: Megtron 7 tiene una pérdida de transmisión aún menor y una mejor resistencia al calor que Megtron 6, lo que lo hace más adecuado para aplicaciones 112G PAM4 y placas de alto número de capas.

P: ¿Admiten conectores press-fit? R: Sí, los conectores press-fit son estándar para los backplanes de centros de datos. Mantenemos tolerancias de orificio ajustadas (+/- 0.05mm) para asegurar una retención adecuada de los pines sin dañar el chapado.

P: ¿Qué formato de datos debo enviar para la fabricación? A: Se prefiere ODB++ ya que contiene datos inteligentes sobre el apilamiento, las netlists y los tipos de perforación. Gerber X2 también es aceptable.

P: ¿Cómo afecta el efecto del tejido de fibra a mi diseño? R: A altas velocidades, si una traza corre paralela a un haz de vidrio, ve un Dk diferente al de una traza sobre resina. Recomendamos usar estilos de "vidrio extendido" (spread glass) o enrutar las trazas con un ligero ángulo (10°) para mitigar esto.

Páginas y herramientas relacionadas

• Selección de materiales: Explore nuestros Materiales de PCB de alta frecuencia para comparar opciones de Megtron, Rogers e Isola.
• Capacidades de fabricación: Vea nuestras especificaciones completas de Fabricación de PCB para el número de capas y tamaños de perforación.
• Herramientas de diseño: Utilice nuestro Visor de Gerber para inspeccionar sus archivos antes de la entrega.

Glosario (términos clave)

Término	Definición	Contexto en PCB de conmutador de centro de datos
PAM4	Modulación de Amplitud de Pulso de 4 niveles	Esquema de codificación que duplica la tasa de datos (ej., 112G) frente a NRZ; requiere mayor SNR y un diseño de PCB más limpio.
SerDes	Serializador/Deserializador	Bloque funcional de alta velocidad que convierte datos paralelos a serie; el principal impulsor de la complejidad de la PCB.
Backdrilling	Perforación de Profundidad Controlada	Eliminación de la porción no utilizada de un orificio pasante chapado (stub) para reducir la reflexión de la señal.
Pérdida de Inserción	Atenuación de Señal	La pérdida de potencia de la señal a medida que viaja; depende en gran medida del Df del material de la PCB y de la rugosidad del cobre.
Sesgo	Diferencia de Tiempo	La diferencia de tiempo entre dos señales en un par diferencial al llegar al receptor.
Dk / Df	Constante Dieléctrica / Factor de Disipación	Propiedades del material que determinan la velocidad de la señal (Dk) y la pérdida de señal (Df).
CTE	Coeficiente de Expansión Térmica	Cuánto se expande el material con el calor; crítico para la fiabilidad de BGAs grandes y vías profundas.
HDI	Interconexión de Alta Densidad	Tecnología que utiliza microvías, vías ciegas y vías enterradas para aumentar la densidad de enrutamiento.
VIPPO	Vía en Pad Chapada	Colocar una vía directamente en una almohadilla de componente, rellenarla y chaparla para ahorrar espacio.
TDR	Reflectometría en el Dominio del Tiempo	Técnica de medición utilizada para verificar la impedancia característica de las trazas de PCB.

Conclusión

Construir una PCB de conmutador de centro de datos no se trata solo de conectar componentes; se trata de gestionar la física de la transmisión de señales de alta velocidad. Desde la selección del material adecuado de ultra baja pérdida hasta la ejecución de un taladrado posterior preciso y el control de impedancia, cada paso impacta en el rendimiento final y la fiabilidad de la red.

Ya sea que esté prototipando un nuevo conmutador de 800G o escalando la producción para una implementación a hiperescala, APTPCB proporciona el soporte de ingeniería y las capacidades de fabricación avanzadas requeridas para estas arquitecturas complejas. Asegure que su diseño esté listo para la producción consultando a nuestro equipo de ingeniería al principio del proceso.

Related links

• materiales de PCB Megtron
• Calculadora de Impedancia
• DFM Guidelines
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