PCB per switch di data center: specifiche di progettazione ad alta velocità e guida alla produzione

Risposta Rapida (30 secondi)

La progettazione e la produzione di un PCB per switch di data center richiede la stretta osservanza dei protocolli di integrità del segnale per supportare throughput come 400G, 800G o 1.6T. A differenza delle schede di rete standard, queste unità richiedono materiali a bassissima perdita e tolleranze di fabbricazione precise.

Materiale: Deve utilizzare laminati a bassa o ultrabassa perdita (es. Panasonic Megtron 7/8, Isola Tachyon) con Df < 0.004 @ 10GHz.
Numero di strati: Tipicamente da 20 a 40+ strati per ospitare un routing denso e piani di alimentazione.
Integrità del segnale: La retroforatura è obbligatoria per i via sulle linee ad alta velocità (>25 Gbps) per ridurre la risonanza dello stub; la lunghezza dello stub deve essere < 10 mil (0.25mm).
Controllo dell'impedenza: Una tolleranza stretta di ±5% o ±7% è standard per le coppie differenziali (85Ω o 100Ω).
Gestione termica: Rame pesante (2oz+) sugli strati interni e l'inserimento di monete o "thermal via farms" sono spesso richiesti per ASIC ad alto wattaggio.
Validazione: Il test TDR (Time Domain Reflectometry) al 100% e il test VNA (Vector Network Analyzer) per la perdita di inserzione sono critici.

Quando si applica (e quando no) il PCB per switch di data center

Le architetture di switch ad alte prestazioni dettano requisiti specifici per i PCB che differiscono significativamente dall'elettronica generale.

Questa specifica si applica quando:

Si progettano switch Top-of-Rack (ToR), End-of-Row (EoR) o Core per un'infrastruttura PCB di data center cloud.
Il sistema utilizza velocità SerDes di 56G, 112G o 224G PAM4.
Si sta costruendo hardware per un ambiente PCB per Data Center in Colocation che richiede un'affidabilità di uptime del 99,999%.
La densità della scheda richiede strutture di interconnessione ad alta densità (HDI), come stackup 2+N+2 o 3+N+3.
I requisiti di dissipazione termica superano i 300W per ASIC, rendendo necessaria l'integrazione di un raffreddamento avanzato all'interno del PCB.

Questa specifica non si applica quando:

Si progettano switch Gigabit Ethernet standard per uso in piccoli uffici/uffici domestici (SOHO) (il FR-4 standard è sufficiente).
Si costruiscono schede di gestione a bassa velocità o unità PCB di Backup per Data Center dove le frequenze del segnale sono inferiori a 1 GHz.
Il costo è il fattore trainante principale rispetto alle prestazioni; i materiali per PCB di Switch per Data Center sono significativamente più costosi del TG170 standard.
L'applicazione è un ambiente PCB per Data Center Containerizzato focalizzato esclusivamente su nodi di edge computing a bassa potenza senza necessità di switching ad alta velocità.

Regole e specifiche

Per garantire l'integrità del segnale e l'affidabilità meccanica in un PCB di Switch per Data Center, gli ingegneri devono attenersi a rigide regole di progettazione e produzione.

Regola	Valore/Intervallo consigliato	Perché è importante	Come verificare	Se ignorato
Materiale Dielettrico	Df ≤ 0.003, Dk ≤ 3.6	Riduce al minimo l'attenuazione del segnale e il ritardo di fase alle alte frequenze (25GHz+).	Consultare la scheda IPC-4101 e i materiali PCB Megtron.	Elevata perdita di inserzione; guasto del collegamento alla massima velocità.
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Lunghezza del moncone di backdrill	≤ 8-10 mils (0.20-0.25mm)	I monconi lunghi agiscono come antenne, causando riflessione del segnale e risonanza.	Analisi in microsezione (sezione trasversale).	Grave jitter del segnale; elevato tasso di errore di bit (BER).
Tolleranza di impedenza	±5% (Alta Velocità), ±10% (Alimentazione)	Assicura la corrispondenza tra driver, linea di trasmissione e ricevitore.	Coupon di test TDR.	Riflessione del segnale; corruzione dei dati.
Rugosità superficiale del rame	VLP o HVLP (Rz ≤ 2µm)	L'effetto pelle alle alte frequenze forza la corrente sulla superficie; la rugosità aumenta la perdita.	SEM (Microscopio Elettronico a Scansione) della lamina.	Aumento della perdita del conduttore; degrado del segnale.
Registrazione degli strati	±3 mils (0.075mm)	Il disallineamento influisce sull'impedenza e può causare cortocircuiti in BGA densi.	Ispezione a raggi X.	Circuiti aperti/cortocircuiti; discontinuità di impedenza.
Rapporto d'aspetto (Placcatura)	12:1 a 16:1 (Max 20:1)	Assicura uno spessore di placcatura sufficiente nei via profondi per la connettività.	Misurazione in sezione trasversale.	Crepe nel barilotto; circuiti aperti intermittenti durante il ciclo termico.
Stile di tessitura del vetro	Vetro spalmato (1067/1078/1086)	Previene l'effetto di tessitura delle fibre (skew) dove le coppie differenziali vedono Dk diversi.	Verifica della scheda tecnica del materiale.	Skew di temporizzazione; collasso del segnale differenziale.
Rete della maschera di saldatura	≥ 3 mil (0,075 mm)	Previene i ponti di saldatura tra i pad BGA a passo fine.	AOI (Ispezione Ottica Automatica).	Ponti di saldatura; cortocircuiti durante l'assemblaggio.
Placcatura Via-in-Pad	VIPPO (Riempito e Tappato)	Richiesto per BGA a passo fine per instradare i segnali senza fanout a "osso di cane".	Ispezione visiva e Sezione trasversale.	Vuoti di saldatura; scarsa affidabilità del giunto BGA.
Incurvatura e Torsione	≤ 0,5% (Classe IPC 3)	Critico per l'assemblaggio piatto di grandi pacchetti BGA (ASIC).	Calibro per la misurazione dell'incurvatura.	Difetti di saldatura BGA (head-in-pillow).

Fasi di implementazione

Il passaggio da uno schema a un PCB di switch per data center fisico comporta una sequenza di precise fasi di ingegneria e produzione.

Selezione del materiale e definizione dello stackup
- Azione: Selezionare un materiale come Megtron 7 o Isola Tachyon. Definire uno stackup simmetrico (es. 24 strati) bilanciando gli strati di segnale e di alimentazione.
- Parametro chiave: Contenuto di resina > 50% per prevenire la "starvation".
- Controllo di accettazione: Verificare che lo spessore dello stackup soddisfi i vincoli meccanici (solitamente < 3,0 mm per i connettori del backplane).
Modellazione dell'impedenza

Azione: Calcolare le larghezze e le spaziature delle tracce per le impedenze richieste (90Ω USB, 100Ω Coppia Differenziale). Utilizzare un risolutore di campo.
- Parametro chiave: Costante dielettrica (Dk) alla frequenza operativa (es. 14 GHz per Nyquist a 28 Gbps).
- Controllo di accettazione: Utilizzare un Calcolatore di Impedenza per convalidare i valori teorici rispetto alle capacità di produzione.

Sbroglio BGA e Instradamento di Fuga
- Azione: Instradare i segnali dall'ASIC dello switch principale. Utilizzare l'instradamento "skip-layer" per i segnali ad alta velocità per minimizzare il crosstalk.
- Parametro chiave: Spaziatura traccia-traccia > 3W (3x larghezza traccia) per ridurre il crosstalk.
- Controllo di accettazione: Nessun angolo acuto; percorsi di instradamento fluidi.
Progettazione dell'Integrità di Alimentazione (PI)
- Azione: Progettare piani di alimentazione per rail a bassa tensione/alta corrente (es. 0.8V @ 200A). Posizionare i condensatori di disaccoppiamento vicino ai pin dell'ASIC.
- Parametro chiave: Resistenza del piano e induttanza di anello.
- Controllo di accettazione: Simulazione di caduta DC che mostra una caduta di tensione < 3% al carico.
Definizione del Backdrill
- Azione: Identificare tutti i via ad alta velocità che attraversano strati di segnale e richiedono la rimozione dello stub. Generare un file di foratura specifico per il backdrilling.
- Parametro chiave: Distanza dello strato "Da Non Tagliare" (margine di sicurezza solitamente 6-8 mil).
- Controllo di accettazione: I file Gerber indicano chiaramente le posizioni e la profondità del backdrill.
Revisione DFM

Azione: Inviare i dati di progettazione a APTPCB (APTPCB PCB Factory) per l'analisi Design for Manufacturing.
Parametro chiave: Dimensione minima del foro rispetto allo spessore della scheda (Rapporto d'aspetto).
Controllo di accettazione: Il rapporto Linee guida DFM non mostra violazioni critiche.

Fabbricazione e Laminazione
- Azione: Laminazione sequenziale (se HDI) o laminazione singola. I cicli di pressatura devono essere controllati per prevenire lo stress del materiale.
- Parametro chiave: Profilo di temperatura della pressa e pressione del vuoto.
- Controllo di accettazione: C-Scan o raggi X per verificare la delaminazione o il disallineamento.
Placcatura e Finitura Superficiale
- Azione: Applicare la placcatura in rame seguita dalla finitura superficiale. ENIG o ENEPIG sono preferiti per pad piatti e supporto per il wire bonding.
- Parametro chiave: Spessore del nichel (118-236 µin) e spessore dell'oro (2-5 µin).
- Controllo di accettazione: Misurazione XRF dello spessore della finitura.
Test Elettrici
- Azione: Eseguire test con Flying Probe o Bed of Nails.
- Parametro chiave: Resistenza di continuità < 10Ω, Isolamento > 10MΩ.
- Controllo di accettazione: Superamento al 100% della verifica della netlist.

Modalità di guasto e risoluzione dei problemi

Anche con progetti robusti, possono sorgere problemi durante la fabbricazione o il funzionamento di un PCB per switch di data center.

Sintomo: Alto tasso di errore di bit (BER) su canali specifici

Causa: Lunghezza eccessiva del moncone della via a causa di una mancata retroforatura o profondità insufficiente.
- Controllo: Microsezionare la via difettosa per misurare la lunghezza del moncone.
- Soluzione: Regolare i parametri di profondità della retroforatura nelle produzioni future.
- Prevenzione: contrassegnare chiaramente gli strati di retroforatura nei dati ODB++.

Sintomo: Disallineamento del segnale (mancanza di sincronizzazione)
- Causa: Effetto trama della fibra; un lato di una coppia differenziale passa sopra il vetro, l'altro sopra la resina.
- Controllo: Ispezionare la superficie della scheda e il tipo di laminato.
- Soluzione: Ruotare il design di 10 gradi (instradamento a zig-zag) o utilizzare vetro spalmato (1067/1078).
- Prevenzione: Specificare "Vetro Spalmato" o "Tessuto Spalmato Meccanicamente" nelle note di fabbricazione.
Sintomo: Circuiti aperti intermittenti ad alta temperatura
- Causa: Crepe nel barilotto nei fori passanti placcati (PTH) a causa di disallineamento dell'espansione sull'asse Z.
- Controllo: Test di cicli termici seguito da sezione trasversale.
- Soluzione: Utilizzare materiale ad alto Tg (>180°C) e basso CTE-Z.
- Prevenzione: Assicurarsi che il rapporto d'aspetto rientri nei limiti del produttore (es. < 16:1).
Sintomo: Difetti "Head-in-Pillow" BGA
- Causa: Deformazione del PCB durante il reflow impedisce alla sfera di coalescere con la pasta.
- Controllo: Misurazione della planarità della scheda nuda con Shadow Moiré.
- Soluzione: Bilanciare la distribuzione del rame su tutti gli strati.
- Prevenzione: Utilizzare cicli di laminazione a basso stress e stackup simmetrici.
Sintomo: Impedenza fuori specifica

Causa: Sovra-incisione delle tracce (le tracce sono più strette del previsto).
Controllo: Misurazione della larghezza della traccia in sezione trasversale.
Soluzione: Regolare i fattori di compensazione dell'incisione alla stazione CAM.
Prevenzione: Includere coupon di impedenza sulla guida del pannello per la verifica del lotto.

Sintomo: Delaminazione / Formazione di bolle
- Causa: L'umidità intrappolata nella scheda si trasforma in vapore durante la rifusione.
- Controllo: Ispezionare la presenza di bolle tra gli strati.
- Soluzione: Cuocere le schede a 120°C per 4-6 ore prima dell'assemblaggio.
- Prevenzione: Conservare i PCB in sacchetti sottovuoto con essiccante (controlli MSL).
Sintomo: Crescita di filamenti anodici conduttivi (CAF)
- Causa: Migrazione elettrochimica lungo le fibre di vetro che causa cortocircuiti.
- Controllo: Test di isolamento ad alta tensione.
- Soluzione: Aumentare la spaziatura tra i fori.
- Prevenzione: Utilizzare materiali resistenti al CAF (Anti-CAF).

Decisioni di progettazione

La risoluzione dei problemi spesso riconduce ai compromessi di progettazione iniziali. Quando si configura un PCB per switch di data center, l'equilibrio tra costo e prestazioni è fondamentale.

Materiale vs. Costo: L'utilizzo di Megtron 7 per tutti gli strati offre le migliori prestazioni ma è costoso. Una stratificazione ibrida (che utilizza Megtron per gli strati di segnale ad alta velocità e FR-4 standard per alimentazione/massa) può ridurre i costi, ma introduce rischi di deformazione a causa dei diversi valori di CTE. APTPCB generalmente raccomanda una costruzione omogenea del materiale per schede con più di 20 strati per garantire la planarità.

HDI vs. Fori passanti: Sebbene i via passanti siano più economici, consumano spazio di routing su tutti gli strati. Per chip switch ad alta densità (256+ corsie), l'HDI (via ciechi/interrati) è spesso inevitabile per uscire dal campo BGA. Ciò aumenta i tempi di consegna e i costi, ma è necessario per l'integrità del segnale e la miniaturizzazione.

Finitura superficiale: HASL non è un'opzione per queste schede a causa della disomogeneità. ENIG è standard, ma per applicazioni a frequenza ultra-alta, l'Argento ad Immersione o ENEPIG possono essere preferiti per evitare l'"effetto nichel" sulla perdita di segnale, sebbene abbiano una durata di conservazione più breve.

FAQ

D: Qual è il numero massimo di strati che APTPCB può gestire per un PCB di switch per data center? R: Produciamo regolarmente schede fino a 60 strati. Per le applicazioni di switch, da 20 a 34 strati è l'intervallo più comune per soddisfare i requisiti di routing denso e di alimentazione.

D: La retroforatura è assolutamente necessaria per gli switch da 10Gbps? R: Non sempre strettamente necessaria per 10Gbps se la stratificazione è ottimizzata, ma è altamente raccomandata. Per 25Gbps e superiori (inclusi 56G/112G PAM4), la retroforatura è obbligatoria per rimuovere i monconi risonanti. D: Posso usare FR-4 standard per un PCB di un Cloud Data Center? R: Generalmente no. L'FR-4 standard ha una tangente di perdita (Df) troppo elevata (~0.020), causando una perdita di segnale eccessiva. Sono necessari materiali a media o bassa perdita (Df < 0.010 o < 0.005).

D: Come gestite la gestione termica per ASIC da 400W+? R: Utilizziamo rame spesso (2oz, 3oz) sugli strati interni, "thermal via farms" (array di via termiche) sotto il componente, e possiamo incorporare la tecnologia "copper coins" (monete di rame integrate nella scheda) per condurre il calore direttamente allo chassis.

D: Qual è il tempo di consegna per un prototipo di PCB per switch di Data Center? R: A causa della complessità (cicli di laminazione, backdrilling), il tempo di consegna standard è di 10-15 giorni lavorativi. I servizi accelerati possono ridurlo a 7-8 giorni a seconda della disponibilità dei materiali.

D: Come verificate l'impedenza su queste schede? R: Posizioniamo coupon di test sui bordi del pannello di produzione che imitano le tracce reali. Questi vengono testati utilizzando TDR (Time Domain Reflectometry) per garantire che soddisfino le specifiche di ±5% o ±10%.

D: Qual è la differenza tra Megtron 6 e Megtron 7? R: Megtron 7 ha una perdita di trasmissione ancora inferiore e una migliore resistenza al calore rispetto a Megtron 6, rendendolo più adatto per applicazioni 112G PAM4 e schede con un elevato numero di strati.

D: Supportate i connettori press-fit? R: Sì, i connettori press-fit sono standard per i backplane dei data center. Manteniamo tolleranze strette sui fori (+/- 0,05 mm) per garantire una corretta ritenzione dei pin senza danneggiare la placcatura.

D: In quale formato dati dovrei inviare i file per la produzione? A: ODB++ è preferito in quanto contiene dati intelligenti relativi a stackup, netlist e tipi di foratura. Anche Gerber X2 è accettabile.

D: In che modo l'effetto della trama della fibra influisce sul mio progetto? R: Ad alte velocità, se una traccia corre parallela a un fascio di vetro, vede un Dk diverso rispetto a una traccia sopra la resina. Si consiglia di utilizzare stili "spread glass" o di instradare le tracce con una leggera angolazione (10°) per mitigare questo problema.

Pagine e strumenti correlati

Selezione dei materiali: Esplora i nostri Materiali PCB ad alta frequenza per confrontare le opzioni Megtron, Rogers e Isola.
Capacità di produzione: Visualizza le nostre specifiche complete di Produzione PCB per il numero di strati e le dimensioni dei fori.
Strumenti di progettazione: Utilizza il nostro Visualizzatore Gerber per ispezionare i tuoi file prima dell'invio.

Glossario (termini chiave)

Termine	Definizione	Contesto nel PCB dello switch del data center
PAM4	Modulazione di ampiezza di impulso a 4 livelli	Schema di codifica che raddoppia la velocità dei dati (es. 112G) rispetto a NRZ; richiede un SNR più elevato e un layout PCB più pulito.
SerDes	Serializzatore/Deserializzatore	Blocco funzionale ad alta velocità che converte i dati paralleli in seriali; il principale motore della complessità del PCB.
Backdrilling	Foratura a profondità controllata	Rimozione della porzione inutilizzata di un foro passante placcato (stub) per ridurre la riflessione del segnale.
Insertion Loss	Attenuazione del segnale	La perdita di potenza del segnale mentre viaggia; fortemente dipendente dal Df del materiale PCB e dalla rugosità del rame.
Skew	Differenza di temporizzazione	La differenza di tempo tra due segnali in una coppia differenziale che arrivano al ricevitore.
Dk / Df	Costante Dielettrica / Fattore di Dissipazione	Proprietà del materiale che determinano la velocità del segnale (Dk) e la perdita del segnale (Df).
CTE	Coefficiente di Espansione Termica	Quanto il materiale si espande con il calore; critico per l'affidabilità di BGA grandi e vie profonde.
HDI	Interconnessione ad Alta Densità	Tecnologia che utilizza microvias, vias cieche e vias interrate per aumentare la densità di instradamento.
VIPPO	Via-in-Pad Plated Over	Posizionare una via direttamente in un pad di componente, riempirla e placcarla sopra per risparmiare spazio.
TDR	Riflettometria nel Dominio del Tempo	Tecnica di misurazione utilizzata per verificare l'impedenza caratteristica delle tracce PCB.

Conclusione

Costruire un PCB per switch di data center non riguarda solo la connessione dei componenti; riguarda la gestione della fisica della trasmissione di segnali ad alta velocità. Dalla selezione del giusto materiale a bassissima perdita all'esecuzione di una precisa retroforatura e controllo dell'impedenza, ogni passo influisce sulla produttività finale e sull'affidabilità della rete. Sia che stiate prototipando un nuovo switch 800G o scalando la produzione per un'implementazione hyperscale, APTPCB fornisce il supporto ingegneristico e le capacità di fabbricazione avanzate richieste per queste architetture complesse. Assicuratevi che il vostro progetto sia pronto per la produzione consultando il nostro team di ingegneri all'inizio del processo.