PCB de commutateur de centre de données : Spécifications de conception haute vitesse et guide de fabrication

Réponse Rapide (30 secondes)

La conception et la fabrication d'une carte PCB de commutateur de centre de données exigent une stricte adhésion aux protocoles d'intégrité du signal pour supporter des débits tels que 400G, 800G ou 1.6T. Contrairement aux cartes réseau standard, ces unités nécessitent des matériaux à très faible perte et des tolérances de fabrication précises.

Matériau: Doit utiliser des stratifiés à faible perte ou à très faible perte (par exemple, Panasonic Megtron 7/8, Isola Tachyon) avec Df < 0.004 @ 10GHz.
Nombre de couches: Généralement 20 à 40+ couches pour accueillir un routage dense et des plans d'alimentation.
Intégrité du signal: Le contre-perçage est obligatoire pour les vias sur les lignes à haute vitesse (>25 Gbps) afin de réduire la résonance des stubs; la longueur du stub doit être < 10 mils (0.25mm).
Contrôle d'impédance: Une tolérance étroite de ±5% ou ±7% est standard pour les paires différentielles (85Ω ou 100Ω).
Gestion thermique: Du cuivre épais (2oz+) sur les couches internes et l'insertion de pièces ou des "fermes de vias thermiques" sont souvent nécessaires pour les ASIC à forte puissance.
Validation: Les tests TDR (Time Domain Reflectometry) à 100% et les tests VNA (Vector Network Analyzer) pour la perte d'insertion sont critiques.

Quand la carte PCB de commutateur de centre de données s'applique (et quand elle ne s'applique pas)

Les architectures de commutateurs haute performance dictent des exigences spécifiques pour les PCB qui diffèrent significativement de l'électronique générale.

Cette spécification s'applique lorsque:

Conception de commutateurs Top-of-Rack (ToR), End-of-Row (EoR) ou Core pour une infrastructure de PCB de centre de données cloud.
Le système utilise des vitesses SerDes de 56G, 112G ou 224G PAM4.
Vous construisez du matériel pour un environnement de PCB de centre de données en colocation nécessitant une fiabilité de disponibilité de 99,999%.
La densité de la carte nécessite des structures d'interconnexion haute densité (HDI), telles que des empilements 2+N+2 ou 3+N+3.
Les exigences de dissipation thermique dépassent 300W par ASIC, nécessitant une intégration avancée du refroidissement au sein du PCB.

Cette spécification ne s'applique pas lorsque :

Concevoir des commutateurs Gigabit Ethernet standard pour une utilisation en petit bureau/bureau à domicile (SOHO) (le FR-4 standard est suffisant).
Construire des cartes de gestion basse vitesse ou des unités de PCB de sauvegarde de centre de données où les fréquences de signal sont inférieures à 1 GHz.
Le coût est le principal facteur déterminant par rapport aux performances ; les matériaux de PCB de commutateur de centre de données sont significativement plus chers que le TG170 standard.
L'application est un environnement de PCB de centre de données conteneurisé axé uniquement sur des nœuds de calcul en périphérie à faible consommation sans besoins de commutation à haut débit.

Règles et spécifications

Pour garantir l'intégrité du signal et la fiabilité mécanique dans un PCB de commutateur de centre de données, les ingénieurs doivent respecter des règles de conception et de fabrication rigides.

Règle	Valeur/Plage recommandée	Pourquoi c'est important	Comment vérifier	Si ignoré
Matériau diélectrique	Df ≤ 0.003, Dk ≤ 3.6	Minimise l'atténuation du signal et le déphasage aux hautes fréquences (25GHz+).	Consulter la fiche IPC-4101 et les matériaux PCB Megtron.	Perte d'insertion élevée ; défaillance de la liaison à vitesse maximale.
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Longueur du talon de backdrill	≤ 8-10 mils (0.20-0.25mm)	Les talons longs agissent comme des antennes, provoquant une réflexion du signal et une résonance.	Analyse en microsection (coupe transversale).	Gigue de signal sévère ; taux d'erreur binaire (BER) élevé.
Tolérance d'impédance	±5% (Haute Vitesse), ±10% (Alimentation)	Assure l'adaptation entre le pilote, la ligne de transmission et le récepteur.	Coupons de test TDR.	Réflexion du signal ; corruption des données.
Rugosité de surface du cuivre	VLP ou HVLP (Rz ≤ 2µm)	L'effet de peau aux hautes fréquences force le courant à la surface ; la rugosité augmente les pertes.	MEB (Microscope Électronique à Balayage) de la feuille.	Perte de conducteur accrue ; dégradation du signal.
Enregistrement des couches	±3 mils (0.075mm)	Le désalignement affecte l'impédance et peut provoquer des courts-circuits dans les BGA denses.	Inspection aux rayons X.	Circuits ouverts/courts-circuits ; discontinuités d'impédance.
Rapport d'aspect (Placage)	12:1 à 16:1 (Max 20:1)	Assure une épaisseur de placage suffisante dans les vias profonds pour la connectivité.	Mesure en coupe transversale.	Fissures de barillet ; circuits ouverts intermittents pendant le cyclage thermique.
Style de tissage du verre	Verre étalé (1067/1078/1086)	Prévient l'effet de tissage des fibres (skew) où les paires différentielles voient des Dk différents.	Vérification de la fiche technique du matériau.	Désalignement temporel (skew); effondrement du signal différentiel.
Pont de masque de soudure	≥ 3 mils (0,075 mm)	Prévient les ponts de soudure entre les pastilles BGA à pas fin.	AOI (Inspection Optique Automatisée).	Ponts de soudure; courts-circuits pendant l'assemblage.
Placage Via-in-Pad	VIPPO (Rempli et Bouché)	Requis pour les BGA à pas fin afin de router les signaux sans fanouts en "os de chien".	Inspection visuelle et coupe transversale.	Vides de soudure; faible fiabilité des joints BGA.
Gauchissement et Torsion	≤ 0,5% (Classe IPC 3)	Critique pour l'assemblage plat de grands boîtiers BGA (ASIC).	Jauge de mesure du gauchissement.	Défauts de soudure BGA (head-in-pillow).

Étapes de mise en œuvre

Le passage d'un schéma à un PCB de commutateur de centre de données physique implique une séquence d'étapes d'ingénierie et de fabrication précises.

Sélection du matériau et définition de l'empilement
- Action : Sélectionner un matériau comme Megtron 7 ou Isola Tachyon. Définir un empilement symétrique (par exemple, 24 couches) équilibrant les couches de signal et de puissance.
- Paramètre clé : Teneur en résine > 50% pour éviter la "starvation".
- Contrôle d'acceptation : Vérifier que l'épaisseur de l'empilement respecte les contraintes mécaniques (généralement < 3,0 mm pour les connecteurs de fond de panier).
Modélisation de l'impédance

Action : Calculer les largeurs et espacements des pistes pour les impédances requises (90Ω USB, 100Ω Paire Différentielle). Utiliser un solveur de champ.
- Paramètre clé : Constante diélectrique (Dk) à la fréquence de fonctionnement (par exemple, 14 GHz pour Nyquist à 28 Gbps).
- Vérification d'acceptation : Utiliser un Calculateur d'Impédance pour valider les valeurs théoriques par rapport aux capacités de fabrication.

Étalement BGA et Routage d'Échappement
- Action : Acheminer les signaux depuis l'ASIC de commutation principal. Utiliser le routage "skip-layer" pour les signaux haute vitesse afin de minimiser la diaphonie.
- Paramètre clé : Espacement piste-à-piste > 3W (3x largeur de piste) pour réduire la diaphonie.
- Vérification d'acceptation : Pas d'angles aigus ; chemins de routage lisses.
Conception de l'Intégrité de l'Alimentation (PI)
- Action : Concevoir des plans d'alimentation pour les rails basse tension/courant élevé (par exemple, 0.8V @ 200A). Placer les condensateurs de découplage près des broches de l'ASIC.
- Paramètre clé : Résistance du plan et inductance de boucle.
- Vérification d'acceptation : Simulation de chute de tension continue (DC Drop) montrant une chute de tension < 3% à la charge.
Définition du Backdrill (Perçage arrière)
- Action : Identifier tous les vias haute vitesse qui traversent les couches de signal et nécessitent l'élimination du stub. Générer un fichier de perçage spécifique pour le backdrilling.
- Paramètre clé : Distance de la couche "Ne Pas Couper" (marge de sécurité généralement de 6-8 mils).
- Vérification d'acceptation : Les fichiers Gerber indiquent clairement les emplacements et la profondeur du backdrill.
Révision DFM

Action : Soumettre les données de conception à APTPCB (APTPCB PCB Factory) pour analyse de la fabricabilité (Design for Manufacturing).
Paramètre clé : Taille minimale du perçage par rapport à l'épaisseur de la carte (rapport d'aspect).
Contrôle d'acceptation : Le rapport DFM Guidelines ne présente aucune violation critique.

Fabrication et stratification
- Action : Stratification séquentielle (si HDI) ou stratification unique. Les cycles de pressage doivent être contrôlés pour éviter les contraintes matérielles.
- Paramètre clé : Profil de température de la presse et pression du vide.
- Contrôle d'acceptation : C-Scan ou rayons X pour vérifier la délamination ou le désalignement.
Placage et finition de surface
- Action : Appliquer un placage de cuivre suivi d'une finition de surface. L'ENIG ou l'ENEPIG est préféré pour les pastilles plates et le support de liaison filaire.
- Paramètre clé : Épaisseur du nickel (118-236 µin) et épaisseur de l'or (2-5 µin).
- Contrôle d'acceptation : Mesure XRF de l'épaisseur de la finition.
Tests électriques
- Action : Effectuer des tests par sonde volante (Flying Probe) ou par lit de clous (Bed of Nails).
- Paramètre clé : Résistance de continuité < 10Ω, Isolation > 10MΩ.
- Contrôle d'acceptation : Réussite à 100% de la vérification de la netlist.

Modes de défaillance et dépannage

Même avec des conceptions robustes, des problèmes peuvent survenir lors de la fabrication ou du fonctionnement d'un PCB de commutateur de centre de données.

Symptôme : Taux d'erreur binaire (BER) élevé sur des canaux spécifiques

Cause: Longueur excessive du tronçon de via due à un contre-perçage manqué ou à une profondeur insuffisante.
- Vérification: Microsectionner le via défectueux pour mesurer la longueur du tronçon.
- Correction: Ajuster les paramètres de profondeur du contre-perçage lors des prochaines productions.
- Prévention: marquer clairement les couches de contre-perçage dans les données ODB++.

Symptôme: Décalage de signal (désynchronisation)
- Cause: Effet de tissage de la fibre; une branche d'une paire différentielle passe sur le verre, l'autre sur la résine.
- Vérification: Inspecter la surface de la carte et le type de stratifié.
- Correction: Faire pivoter la conception de 10 degrés (routage en zig-zag) ou utiliser du verre étalé (1067/1078).
- Prévention: Spécifier "Verre étalé" ou "Tissu étalé mécaniquement" dans les notes de fabrication.
Symptôme: Circuits ouverts intermittents à haute température
- Cause: Fissures dans le barillet des trous traversants plaqués (PTH) dues à un désalignement de l'expansion sur l'axe Z.
- Vérification: Test de cyclage thermique suivi d'une coupe transversale.
- Correction: Utiliser un matériau à Tg élevé (>180°C) et à faible CTE-Z.
- Prévention: S'assurer que le rapport d'aspect est dans les limites du fabricant (par exemple, < 16:1).
Symptôme: Défauts BGA "Head-in-Pillow"
- Cause: Déformation du PCB pendant le refusion empêche la bille de fusionner avec la pâte.
- Vérification: Mesure de la planéité de la carte nue par Shadow Moiré.
- Correction: Équilibrer la distribution du cuivre sur toutes les couches.
- Prévention: Utiliser des cycles de laminage à faible contrainte et des empilements symétriques.
Symptôme: Impédance hors spécification

Cause: Sur-gravure des pistes (les pistes sont plus étroites que prévu).
Vérification: Mesure de la largeur de la piste en coupe transversale.
Correction: Ajuster les facteurs de compensation de gravure à la station CAM.
Prévention: Inclure des coupons d'impédance sur le rail du panneau pour la vérification par lot.

Symptôme: Délaminage / Cloquage
- Cause: L'humidité piégée dans la carte se transforme en vapeur pendant la refusion.
- Vérification: Inspecter la présence de bulles entre les couches.
- Correction: Cuire les cartes à 120°C pendant 4-6 heures avant l'assemblage.
- Prévention: Stocker les PCB dans des sacs scellés sous vide avec dessiccant (contrôles MSL).
Symptôme: Croissance de filaments anodiques conducteurs (CAF)
- Cause: Migration électrochimique le long des fibres de verre provoquant des courts-circuits.
- Vérification: Test d'isolation haute tension.
- Correction: Augmenter l'espacement trou à trou.
- Prévention: Utiliser des matériaux résistants au CAF (Anti-CAF).

Décisions de conception

Le dépannage ramène souvent aux compromis de conception initiaux. Lors de la configuration d'un PCB de commutateur de centre de données, l'équilibre entre le coût et la performance est critique.

Matériau vs. Coût: L'utilisation de Megtron 7 pour toutes les couches offre les meilleures performances mais est coûteuse. Un empilement hybride (utilisant Megtron pour les couches de signaux à haute vitesse et du FR-4 standard pour l'alimentation/la masse) peut réduire les coûts, mais il introduit des risques de déformation en raison de différentes valeurs de CTE. APTPCB recommande généralement une construction de matériau homogène pour les cartes de plus de 20 couches afin d'assurer la planéité.

HDI vs. Trous traversants : Bien que les vias traversants soient moins chers, ils consomment de l'espace de routage sur toutes les couches. Pour les puces de commutation haute densité (256+ voies), le HDI (vias aveugles/enterrés) est souvent inévitable pour échapper au champ BGA. Cela augmente les délais et les coûts, mais est nécessaire pour l'intégrité du signal et la miniaturisation.

Finition de surface : Le HASL n'est pas une option pour ces cartes en raison de l'irrégularité. L'ENIG est standard, mais pour les applications à ultra-haute fréquence, l'argent par immersion ou l'ENEPIG peuvent être préférés pour éviter l'"effet nickel" sur la perte de signal, bien qu'ils aient une durée de conservation plus courte.

FAQ

Q : Quel est le nombre maximal de couches qu'APTPCB peut gérer pour un PCB de commutateur de centre de données ? R : Nous fabriquons régulièrement des cartes jusqu'à 60 couches. Pour les applications de commutation, 20 à 34 couches est la plage la plus courante pour répondre aux exigences de routage dense et d'alimentation.

Q : Le backdrilling est-il absolument nécessaire pour les commutateurs 10 Gbit/s ? R : Pas toujours strictement nécessaire pour 10 Gbit/s si l'empilement est optimisé, mais il est fortement recommandé. Pour 25 Gbit/s et plus (y compris 56G/112G PAM4), le backdrilling est obligatoire pour éliminer les stubs résonants. Q: Puis-je utiliser du FR-4 standard pour un PCB de centre de données cloud? R: Généralement, non. Le FR-4 standard a une tangente de perte (Df) trop élevée (~0,020), ce qui entraîne une perte de signal excessive. Vous avez besoin de matériaux à perte moyenne ou faible (Df < 0,010 ou < 0,005).

Q: Comment gérez-vous la gestion thermique pour les ASIC de 400W+? R: Nous utilisons du cuivre épais (2oz, 3oz) sur les couches internes, des réseaux de vias thermiques sous le composant, et pouvons intégrer la technologie des "copper coins" (pièces de cuivre intégrées dans la carte) pour conduire la chaleur directement vers le châssis.

Q: Quel est le délai de livraison pour un prototype de PCB de commutateur de centre de données? R: En raison de la complexité (cycles de laminage, backdrilling), le délai de livraison standard est de 10 à 15 jours ouvrables. Les services accélérés peuvent réduire ce délai à 7-8 jours en fonction de la disponibilité des matériaux.

Q: Comment vérifiez-vous l'impédance sur ces cartes? R: Nous plaçons des coupons de test sur les rails du panneau de production qui imitent les pistes réelles. Ceux-ci sont testés à l'aide de TDR (Time Domain Reflectometry) pour s'assurer qu'ils respectent la spécification de ±5% ou ±10%.

Q: Quelle est la différence entre Megtron 6 et Megtron 7? R: Le Megtron 7 présente une perte de transmission encore plus faible et une meilleure résistance à la chaleur que le Megtron 6, ce qui le rend plus adapté aux applications 112G PAM4 et aux cartes à grand nombre de couches.

Q: Prenez-vous en charge les connecteurs press-fit? R: Oui, les connecteurs press-fit sont standard pour les fonds de panier des centres de données. Nous maintenons des tolérances de trou strictes (+/- 0,05 mm) pour assurer une rétention correcte des broches sans endommager le placage.

Q: Dans quel format de données dois-je envoyer les fichiers pour la fabrication? R: ODB++ est préféré car il contient des données intelligentes concernant l'empilement, les netlists et les types de perçage. Gerber X2 est également acceptable.

Q: Comment l'effet de la trame de fibre impacte-t-il ma conception ? R: À hautes vitesses, si une trace passe parallèlement à un faisceau de verre, elle voit un Dk différent d'une trace sur résine. Nous recommandons d'utiliser des styles "spread glass" ou de router les traces avec un léger angle (10°) pour atténuer cet effet.

Pages et outils associés

Sélection des matériaux : Explorez nos Matériaux PCB haute fréquence pour comparer les options Megtron, Rogers et Isola.
Capacités de fabrication : Consultez nos spécifications complètes de Fabrication de PCB pour le nombre de couches et les tailles de perçage.
Outils de conception : Utilisez notre Visionneuse Gerber pour inspecter vos fichiers avant soumission.

Glossaire (termes clés)

Terme	Définition	Contexte dans le PCB de commutateur de centre de données
PAM4	Modulation d'amplitude d'impulsion à 4 niveaux	Schéma d'encodage doublant le débit de données (par exemple, 112G) par rapport au NRZ ; nécessite un SNR plus élevé et une disposition de PCB plus propre.
SerDes	Sérialiseur/Désérialiseur	Bloc fonctionnel haute vitesse convertissant les données parallèles en série ; le principal moteur de la complexité des PCB.
Backdrilling	Perçage à profondeur contrôlée	Suppression de la partie inutilisée d'un trou traversant plaqué (stub) pour réduire la réflexion du signal.
Insertion Loss	Perte d'insertion	L'atténuation de la puissance du signal lors de son trajet ; fortement dépendante du Df du matériau du PCB et de la rugosité du cuivre.
Skew	Décalage temporel	La différence de temps entre deux signaux d'une paire différentielle arrivant au récepteur.
Dk / Df	Constante diélectrique / Facteur de dissipation	Propriétés du matériau déterminant la vitesse du signal (Dk) et la perte de signal (Df).
CTE	Coefficient de dilatation thermique	Mesure de l'expansion du matériau sous l'effet de la chaleur ; critique pour la fiabilité des grands BGA et des vias profonds.
HDI	Interconnexion haute densité	Technologie utilisant des microvias, des vias borgnes et des vias enterrés pour augmenter la densité de routage.
VIPPO	Via-in-Pad Plated Over	Placer un via directement dans un pad de composant, le remplir et le plaquer pour économiser de l'espace.
TDR	Réflectométrie dans le domaine temporel	Technique de mesure utilisée pour vérifier l'impédance caractéristique des pistes de PCB.

Conclusion

Construire un PCB de commutateur de centre de données ne consiste pas seulement à connecter des composants ; il s'agit de gérer la physique de la transmission de signaux à haute vitesse. Du choix du bon matériau à très faible perte à l'exécution d'un rétroperçage précis et d'un contrôle d'impédance, chaque étape a un impact sur le débit final et la fiabilité du réseau. Que vous prototypiez un nouveau commutateur 800G ou que vous augmentiez la production pour un déploiement hyperscale, APTPCB fournit le support technique et les capacités de fabrication avancées nécessaires à ces architectures complexes. Assurez-vous que votre conception est prête pour la production en consultant notre équipe d'ingénieurs dès le début du processus.