Плата разработки ИИ

Плата разработки ИИ (AI Development PCB): определение, область применения и для кого предназначено это руководство

Плата разработки ИИ — это не просто стандартная печатная плата с другим названием; это физическая основа для высокопроизводительных вычислительных архитектур, используемых в обучении и инференсе машинного обучения. Эти платы характеризуются экстремальной плотностью, требованиями к целостности высокоскоростного сигнала (часто превышающими 112 Гбит/с PAM4) и значительными проблемами теплоотвода из-за энергоемких GPU, TPU или NPU. В отличие от потребительской электроники, плата разработки ИИ должна поддерживать массивную пропускную способность данных, сохраняя при этом почти нулевую задержку и высокую надежность при непрерывной нагрузке.

Это руководство охватывает требования к закупкам и проектированию для этих специализированных плат. Область применения включает серверные ускорительные карты, периферийные блоки обработки ИИ (edge AI) и сложные объединительные платы (backplanes), необходимые для коммутаторов 1.6T Ethernet PCB, которые соединяют кластеры ИИ. Мы сосредоточены на переходе от прототипа к пилотному производству, где ошибки в спецификациях могут привести к дорогостоящим переделкам (re-spins) или сбоям целостности сигнала. Это руководство написано для инженеров по аппаратному обеспечению, разработчиков печатных плат и руководителей отдела технических закупок, которым необходимо проверять поставщиков и спецификации, прежде чем вкладывать капитал. Независимо от того, ищете ли вы поставщиков для применения в центрах обработки данных или для автомобильной печатной платы для ИИ для автономного вождения, структура принятия решений остается схожей: определяйте строгие спецификации, выявляйте производственные риски на ранней стадии и проверяйте способность поставщика к выполнению.

APTPCB (APTPCB PCB Factory) отметила, что многие задержки проектов связаны не с проблемами кремния, а с дефектами изготовления печатных плат, которые могли быть предотвращены при более четком предварительном согласовании критериев приемки. Это руководство призвано восполнить этот пробел, предлагая структурированный подход к поиску поставщиков высокосложного аппаратного обеспечения для ИИ.

Когда использовать печатную плату для разработки ИИ (и когда стандартный подход лучше)

Понимание определения этих высокопроизводительных плат напрямую приводит к вопросу о необходимости: действительно ли ваш проект требует затрат и сложности производственного процесса уровня ИИ? Вам следует использовать процесс разработки печатных плат для ИИ, когда параметры вашего проекта превышают стандартные возможности IPC Class 2. Если ваша плата использует компоненты BGA с шагом менее 0,4 мм, требует глухих и скрытых переходных отверстий (HDI) для маршрутизации тысяч цепей или требует контролируемого импеданса на 16+ слоях, стандартное производство приведет к низкой производительности. Кроме того, если скорости вашего сигнала приближаются к 56 Гбит/с или 112 Гбит/с на линию, шероховатость поверхности стандартной медной фольги становится убийцей целостности сигнала. В этих сценариях специализированные материалы и точность совмещения процесса, ориентированного на ИИ, являются обязательными.

И наоборот, стандартный подход к печатным платам лучше подходит для вспомогательных плат или низкоскоростных блоков управления в системе ИИ. Если плата в основном выполняет функции распределения питания (без высокоскоростного переключения), управления вентиляторами или управления устаревшими интерфейсами, платить за материалы со сверхнизкими потерями и процессы HDI излишне. Стандартные материалы FR4 и технология сквозных отверстий достаточны для этих подсистем, что позволяет вам выделять бюджет туда, где это наиболее важно — на основной вычислительный движок.

Спецификации печатных плат для разработки ИИ (материалы, стек, допуски)

Как только вы определили, что ваш проект требует печатной платы для разработки ИИ, следующим шагом будет фиксация спецификаций, которые будут определять производственное предложение и инженерную проверку.

Выбор основного материала:
- Требование: Ламинаты со сверхнизкими потерями являются обязательными для высокоскоростных сигналов ИИ.
Цель: Panasonic Megtron 7 (M7) или Megtron 8 (M8), Isola Tachyon 100G или Rogers RO3003 для ВЧ-секций.
Значение Df: Коэффициент рассеяния должен быть < 0,002 при 10ГГц.
Количество слоев и структура стека:
- Требование: Большое количество слоев для размещения силовых плоскостей и изоляции сигналов.
- Цель: От 18 до 32 слоев обычно для ускорителей ИИ.
- Структура: Симметричная структура стека для предотвращения коробления; часто требуются гибридные структуры стека (смешивание низкопотерьного материала со стандартным FR4 для баланса затрат, если подтверждено).
Технология HDI:
- Требование: Межсоединения высокой плотности (HDI) для вывода сигналов из BGA с мелким шагом.
- Цель: 3+N+3, 4+N+4 или Any-Layer ELIC (Every Layer Interconnect).
- Соотношение сторон микропереходов: От 0,8:1 до 1:1 для надежности.
Контроль импеданса:
- Требование: Строгое согласование для предотвращения отражения сигнала.
- Цель: Допуск ±5% для несимметричных (50Ω) и дифференциальных пар (85Ω или 100Ω).
- Проверка: 100% тестирование TDR (рефлектометрия во временной области) на тестовых купонах и трассах на плате.
Вес меди и покрытие:
- Требование: Высокая токовая нагрузка для процессоров ИИ (часто >500А суммарно).
- Цель: Внутренние слои 2oz или 3oz для питания; могут потребоваться опции тяжелой меди.
- Поверхностное покрытие: ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) или ENEPIG для проволочного соединения; OSP рискованно для нескольких циклов оплавления на больших платах.
Обратное сверление:
Требование: Удаление заглушек переходных отверстий для уменьшения отражения сигнала на высоких частотах.
Цель: Длина заглушки < 6-8 мил (0,15 мм - 0,2 мм).
Обозначение: Должно быть четко обозначено в файлах Gerber.
Контроль коробления:
- Требование: Большие чипы ИИ требуют идеально плоских поверхностей для пайки.
- Цель: < 0,5% или < 0,4% по диагонали (строже стандарта IPC 0,75%).
- Метод: Материалы сердечника с низким КТР и сбалансированное распределение меди.
Точность совмещения:
- Требование: Выравнивание между слоями критически важно для целостности сигнала.
- Цель: Совмещение слоев < 3 мил (75 мкм).
- Сверление-медь: Минимум 4-5 мил для предотвращения пробоев.
Термическая надежность:
- Требование: Выживание после нескольких циклов высокотемпературной пайки оплавлением.
- Цель: Tg (температура стеклования) > 180°C; Td (температура разложения) > 340°C.
- Тест: 6-кратный тест на всплытие припоя при 288°C без расслоения.
Стандарты документации:
- Требование: Четкое изложение намерений.
- Цель: IPC-6012 Класс 3 (для высокой надежности) или Класс 2 (для стандартного сервера).
- Файлы: ODB++ предпочтительнее Gerber RS-274X для интеллектуальной передачи данных.

Риски производства печатных плат для разработки ИИ (первопричины и предотвращение)

Определение спецификаций — это только первый шаг; понимание того, где производственный процесс обычно дает сбои для печатной платы для разработки ИИ, позволяет внедрить превентивные меры контроля.

Риск: Рост проводящих анодных нитей (CAF)
- Почему это происходит: Высокие градиенты напряжения между близко расположенными переходными отверстиями в сочетании с поглощением влаги стеклотканью ламината.
- Обнаружение: Испытание сопротивления изоляции высоким напряжением (SIR).
- Предотвращение: Использование материалов "анти-CAF" или "CAF-стойких" (распределенное стекловолокно); обеспечение гладкости стенок сверления для предотвращения капиллярного эффекта.
Риск: Несоответствие импеданса
- Почему это происходит: Изменения толщины диэлектрика (прессование препрега) или травления ширины дорожки (пере/недотравливание).
- Обнаружение: TDR-тестирование не соответствует окну ±5%.
- Предотвращение: Выполнение моделирования стека с производителем до завершения трассировки; использование прямого лазерного изображения (LDI) для точного определения дорожек.
Риск: Пустоты в металлизации Via-in-Pad
- Почему это происходит: Захваченный воздух или химикаты во время процесса металлизации или заполнения смолой в микропереходах HDI.
- Обнаружение: Рентгеновский контроль и анализ поперечного сечения.
- Предотвращение: Использование технологии вакуумного заполнения; указание минимальной толщины медного покрытия (требования IPC класса 3).
Риск: Чрезмерная деформация платы
Почему это происходит: Асимметричное распределение меди или смешивание материалов с резко отличающимися КТР (коэффициент теплового расширения).
Обнаружение: 3D-муаровая интерферометрия или простое измерение теневым калибром.
Предотвращение: Сбалансированное покрытие медью на всех слоях; использование фиктивного медного "воровства" (dummy copper thieving); выбор материалов с высоким Tg.
Риск: Потеря сигнала (вносимые потери)
- Почему это происходит: Шероховатость медной поверхности слишком высока (скин-эффект) или паяльная маска влияет на сигнал.
- Обнаружение: Тестирование VNA (векторный анализатор цепей) на тестовых купонах.
- Предотвращение: Указывать медную фольгу VLP (Very Low Profile) или HVLP (Hyper Very Low Profile); удалять паяльную маску с высокоскоростных трасс.
Риск: Ошибки глубины обратного сверления (backdrill)
- Почему это происходит: Проблемы с допуском механического контроля глубины (разброс сверлильного станка).
- Обнаружение: Рентген или поперечное сечение; TDR, показывающий отражающие заглушки.
- Предотвращение: Проектирование с запасом прочности (не сверлить слишком близко к целевому слою); использование сверлильных станков с электрическим контролем глубины.
Риск: Несовмещение слоев
- Почему это происходит: Масштабирование материала (сжатие/расширение) во время циклов ламинирования.
- Обнаружение: Рентгеновская проверка сверления; анализ пробоя.
- Предотвращение: Использование систем рентгеновской компенсации масштабирования; ограничение размера панели, если совмещение чрезвычайно жесткое.
Риск: Недостаток смолы
Почему это происходит: Тяжелые медные слои требуют больше смолы для заполнения зазоров; стандартных потоков препрега недостаточно.
Обнаружение: Визуальный осмотр (белые пятна); расслоение под нагрузкой.
Предотвращение: Использование препрегов с высоким содержанием смолы; оптимизация профилей давления ламинирования.

Валидация и приемка печатных плат для разработки ИИ (тесты и критерии прохождения)

Для обеспечения снижения вышеуказанных рисков необходимо выполнить надежный план валидации перед приемкой партии печатных плат для разработки ИИ.

Стресс-тест межсоединений (IST)
- Цель: Проверка надежности переходных отверстий и микропереходных отверстий при термическом воздействии.
- Метод: Многократное циклирование образцов между комнатной температурой и 150°C+.
- Критерии приемки: Изменение сопротивления < 10% после 500 циклов.
Проверка целостности сигнала (S-параметры)
- Цель: Подтверждение соответствия платы бюджету потерь для высокоскоростных соединений (например, 112G SerDes).
- Метод: Измерение вносимых потерь и возвратных потерь с помощью VNA на образцах импеданса.
- Критерии приемки: Соответствует моделированию с допуском 1-2 дБ.
Тест на ионное загрязнение
- Цель: Обеспечение чистоты платы для предотвращения коррозии и утечек.
- Метод: Измерение проводимости экстракта растворителя (тест ROSE).
- Критерии приемки: < 1,56 мкг/см² эквивалента NaCl (или более строгий лимит OEM).
Тест на паяемость
- Цель: Убедиться, что контактные площадки будут принимать припой во время сборки.
Тест на паяемость
- Цель: Оценка качества паяного соединения.
- Метод: Погружение и осмотр / Тест на баланс смачивания.
- Критерии приемки: > 95% покрытия; непрерывное покрытие; отсутствие десмачивания.
Испытание на термошок
- Цель: Имитация экстремальных изменений окружающей среды (актуально для автомобильных печатных плат с ИИ).
- Метод: Быстрый переход от -40°C до +125°C.
- Критерии приемки: Отсутствие трещин, расслоений или электрических обрывов цепи.
Микросекционный анализ (поперечное сечение)
- Цель: Проверка качества внутренней сборки.
- Метод: Разрушающая резка и полировка образца платы/купона.
- Критерии приемки: Проверка толщины покрытия (например, >25 мкм в отверстии), толщины диэлектрика и выравнивания слоев.
Тест на прочность отслаивания
- Цель: Убедиться, что медные дорожки не отслаиваются от ламината.
- Метод: Механический тест на отрыв.
- Критерии приемки: > 0,8 Н/мм (или согласно спецификации в техническом паспорте материала).
Hi-Pot (высоковольтный) тест
- Цель: Проверка изоляции между силовыми плоскостями.
- Метод: Применение высокого напряжения (например, 1000 В постоянного тока) между изолированными сетями.
- Критерии приемки: Ток утечки < заданного предела; отсутствие пробоя.

Контрольный список квалификации поставщика печатных плат для разработки ИИ (RFQ, аудит, прослеживаемость)

При выборе партнера, такого как APTPCB, используйте этот контрольный список, чтобы убедиться, что производитель способен справиться со сложностью печатной платы для разработки ИИ.

Группа 1: Входные данные RFQ (Что вы должны предоставить)

Файлы Gerber RS-274X или ODB++.
Производственный чертеж с четкими примечаниями по классу IPC (2 или 3).
Определение стека слоев, включая конкретные названия материалов (например, "Megtron 7", а не просто "Low Loss").
Таблица импеданса со ссылкой на конкретные слои и ширину дорожек.
Таблица сверления, разделяющая металлизированные, неметаллизированные и обратные сверления.
Требования к панелизации (если для сборки требуется конкретный массив).
Сетевой список (IPC-356) для проверки электрических испытаний.
Особые требования: толщина золотых контактов, торцевое покрытие, заполненные переходные отверстия.

Group 2: Подтверждение возможностей (Что должен продемонстрировать поставщик)

Подтвержденный опыт работы с HDI (3+N+3 или выше).
Опыт обработки высокоскоростных материалов (Megtron/Rogers) без расслоения.
Список оборудования: LDI (лазерное прямое формирование изображения) для тонких линий (<3 мил).
Список оборудования: Вакуумные ламинационные прессы для большого количества слоев.
Список оборудования: Лазерные сверлильные станки, способные точно контролировать глубину для микропереходных отверстий.
Внутренняя возможность VNA-тестирования для обеспечения целостности сигнала.

Group 3: Система качества и прослеживаемость

Сертификация ISO 9001 и UL (обязательно).
Сертификация IATF 16949 (обязательно для печатных плат с ИИ для автомобилей).
Прослеживаемость материалов: Могут ли они отследить конкретную плату до партии ламината?
Автоматическая оптическая инспекция (AOI) используется на всех внутренних слоях.
Наличие рентгеновского контроля для регистрации и контактных площадок BGA.
Калибровочные записи для оборудования для тестирования импеданса.

Группа 4: Контроль изменений и поставка

Политика PCN (Уведомление об изменении процесса): Уведомляют ли они перед изменением материалов?
Рабочий процесс EQ (Инженерный вопрос): Как они обрабатывают расхождения в данных?
Упаковка: Вакуумная упаковка с осушителем и картой-индикатором влажности (HIC).
Формат отчета о первой проверке изделия (FAI).
Планирование мощностей: Могут ли они масштабироваться от прототипа до серийного производства без повторной квалификации новой линии?

Как выбрать печатную плату для разработки ИИ (компромиссы и правила принятия решений)

Принятие окончательного решения по печатной плате для разработки ИИ часто включает балансирование конкурирующих ограничений. Вот общие компромиссы и способы их преодоления.

Стоимость материала против целостности сигнала:
- Правило: Если частота вашего сигнала > 25ГГц, выбирайте Megtron 7 или Tachyon, несмотря на стоимость. Если < 10ГГц, Megtron 6 или FR4 со средними потерями может быть достаточно. Не идите на компромиссы с материалом для линий 112G.
Количество слоев против размера платы:
- Правило: Если форм-фактор устройства строго ограничен (например, модуль ИИ для периферийных устройств), увеличьте количество слоев и используйте HDI. Если позволяет пространство (например, серверная стойка), уменьшите количество слоев и распределите компоненты, чтобы снизить тепловую плотность и стоимость.
Сквозные отверстия против HDI:
- Правило: При использовании BGA с шагом < 0,8 мм HDI является обязательным. Если компоненты крупнее, стандартные сквозные отверстия дешевле и надежнее.
Поверхностное покрытие (ENIG против OSP):
Правило: Если плата требует высокой надежности и длительного срока хранения, выбирайте ENIG. Если стоимость является абсолютным определяющим фактором, а сборка происходит немедленно, OSP — это вариант, но рискованный для сложных плат ИИ с многократными оплавлениями.
Автомобильный класс против коммерческого:
- Правило: Если приложение — это автомобильная печатная плата ИИ, приоритизируйте надежность (термический шок, устойчивость к CAF) над плотностью. Используйте более крупные переходные отверстия и более широкие дорожки, где это возможно.
Обратное сверление против глухих переходных отверстий:
- Правило: Если вам нужно удалить заглушки на толстых объединительных платах, обратное сверление экономически эффективно. Для более тонких плат глухие переходные отверстия обеспечивают лучшую производительность сигнала, но более высокую стоимость изготовления.

Часто задаваемые вопросы по разработке печатных плат ИИ (стоимость, сроки, файлы DFM, материалы, тестирование)

В: Каковы основные факторы, влияющие на стоимость печатной платы для разработки ИИ?

Ответ: Основными факторами являются материал ламината (материалы с низкими потерями стоят в 3-5 раз дороже FR4) и этапы процесса HDI (лазерное сверление и последовательные циклы ламинирования).
Ключевые факторы: Количество слоев, количество циклов ламинирования, толщина золота и требования к тестированию импеданса.

В: Каков типичный срок изготовления печатных плат для разработки ИИ?

Ответ: Стандартный срок изготовления составляет 15-20 рабочих дней из-за сложных циклов ламинирования.
Ускорение: Возможны варианты быстрого изготовления (7-10 дней), но они зависят от наличия материалов на складе.

В: Какие файлы DFM для печатных плат разработки ИИ наиболее важны для предотвращения задержек?

Ответ: Файл сверления (идентифицирующий обратные сверления) и список цепей IPC-356 являются критически важными.
Распространенная проблема: Отсутствие определения того, какие переходные отверстия заполнены/закрыты, а какие открыты, приводит к задержкам в проектировании.

В: Могу ли я использовать стандартный FR4 для автомобильной печатной платы с ИИ?

Ответ: В целом, нет. Автомобильный ИИ требует материалов с высоким Tg (>170°C) и устойчивостью к CAF, чтобы выдерживать суровые термические циклы и влажность.
Риск: Стандартный FR4 расслоится или выйдет из строя электрически в условиях автомобильных нагрузок.

В: Чем тестирование печатных плат для разработки ИИ отличается от тестирования стандартных плат?

Ответ: Стандартные платы проходят базовый E-тест (обрыв/короткое замыкание). Платы ИИ требуют тестирования TDR (импеданс), VNA (потери сигнала) и часто IST (надежность).
Влияние: Ожидайте более высоких затрат на NRE (неповторяющиеся инженерные расходы) для этих передовых испытательных приспособлений.

В: Каковы критерии приемлемости для коробления печатных плат для разработки ИИ?

Ответ: Для плат с большими BGA-сокетами коробление часто должно быть < 0,5%.
Смягчение: Поставщики могут использовать поддоны во время оплавления или регулировать баланс меди во время CAM-проектирования.

В: Нужны ли мне специальные материалы для конструкций печатных плат 1.6T Ethernet?

Ответ: Да, 1.6T Ethernet требует материалов со сверхнизкими потерями, таких как Megtron 8 или эквивалент, для обработки сигналов PAM4 со скоростью 224 Гбит/с.
Ограничение: Эти материалы имеют длительные сроки поставки; заказывайте их заранее.

В: Как мне проверить стек для печатной платы для разработки ИИ перед заказом?

Ответ: Запросите симуляцию стекапа у производителя.
Процесс: Предоставьте целевой импеданс; производитель скорректирует толщину диэлектрика и ширину трассы в зависимости от возможностей своего пресса.

Чтобы дополнительно помочь вам в процессе проектирования и закупок, используйте эти конкретные ресурсы:

Возможности HDI PCB – Изучите структуры микропереходов и ограничения, необходимые для трассировки ИИ-чипов с малым шагом.
Производство высокоскоростных печатных плат – Подробное изучение технологий изготовления, необходимых для обеспечения целостности сигнала в системах 112G/224G.
Материалы для печатных плат Megtron – Подробные характеристики ламинатов Panasonic, являющихся отраслевым стандартом для оборудования ИИ.
Печатные платы для автомобильной электроники – Специфические требования к надежности и сертификации в оборудовании для автономного вождения.
Проектирование стекапа печатных плат – Как структурировать слои для балансировки целостности сигнала, подачи питания и технологичности.
Рекомендации DFM – Практические правила проектирования для обеспечения возможности изготовления вашей ИИ-платы с высоким выходом годных изделий.

Запросить коммерческое предложение на разработку печатных плат для ИИ (анализ DFM + ценообразование)

Готовы перейти от проектирования к производству? Отправьте свои данные для всестороннего DFM-анализа и точного ценообразования.

Запросить коммерческое предложение на разработку печатных плат для ИИ – Наша инженерная команда рассмотрит ваш стек и файлы для выявления потенциальных рисков до начала производства.

Для точной оценки, пожалуйста, включите следующее:

Файлы Gerber или ODB++.
Производственный чертеж со спецификациями материалов и импеданса.
Предпочтения по стеку слоев.
Ориентировочный объем (прототип против производства).
Любые специальные требования к тестированию (IST, VNA и т. д.).

Заключение: Следующие шаги для печатных плат разработки ИИ

Успешное развертывание печатной платы для разработки ИИ требует не только хорошего схемотехнического проекта; оно требует производственной стратегии, учитывающей физику материалов, допуски процессов и строгую проверку. Определяя четкие спецификации для материалов и стеков, понимая первопричины производственных рисков и используя строгий контрольный список квалификации поставщиков, вы можете обеспечить основу вашего аппаратного обеспечения ИИ. Независимо от того, строите ли вы для центра обработки данных или для дороги, качество голой платы определяет надежность всей системы.