Compute Express Link (CXL) 3.0: определение, область применения и для кого предназначен этот гид

Compute Express Link (CXL) 3.0 представляет собой огромный скачок в скорости передачи данных, удваивая пропускную способность CXL 2.0 до 64 ГТ/с с использованием сигнализации PAM4. Для инженеров по аппаратному обеспечению и руководителей отдела закупок валидация печатных плат интерфейса CXL 3.0 является критически важным процессом проверки того, что голая плата и сборка могут физически поддерживать эти высокочастотные сигналы без повреждения данных. Она выходит за рамки стандартного тестирования непрерывности и включает строгую проверку целостности сигнала, соответствие материалов и точность изготовления.

Этот гид предназначен для лиц, принимающих решения по закупке печатных плат для серверов центров обработки данных, расширителей памяти и ускорителей. Он фокусируется на проблемах физического уровня, налагаемых PCIe 6.0 (основой CXL 3.0). Вы узнаете, как определять спецификации, предотвращающие потерю сигнала, рано выявлять производственные риски и квалифицировать поставщиков, способных работать с материалами со сверхнизкими потерями.

В APTPCB (APTPCB PCB Factory) мы видим, что многие проекты терпят неудачу не из-за логических ошибок, а потому, что физическая плата не может справиться с жесткими допусками модуляции PAM4. Это руководство предоставляет действенные критерии, необходимые для валидации ваших проектов CXL 3.0 перед массовым производством.

Compute Express Link (CXL) 3.0 (и когда стандартный подход лучше)

Стандартная проверка печатных плат (непрерывность по IPC Class 2/3 и визуальный осмотр) недостаточна для скоростей CXL 3.0. Запасы сигнала в PAM4 значительно меньше, чем в NRZ (используется в PCIe 5.0 и ниже), что делает плату очень чувствительной к шуму, перекрестным помехам и несоответствиям материалов.

Используйте строгую проверку печатных плат интерфейса CXL 3.0, когда:

• Проектирование расширителей памяти: Ваша плата подключает ЦП к объединенным ресурсам памяти с использованием протоколов CXL.
• Высокоскоростные объединительные платы: Вы маршрутизируете сигналы по длинным трассам (>10 дюймов), где вносимые потери становятся критическими.
• Использование сигнализации PAM4: Конструкция работает на скорости 64 ГТ/с; стандартная проверка FR4 не обнаружит частотно-зависимые сбои.
• Количество слоев превышает 12+: Большое количество слоев увеличивает риски регистрации, что может нарушить контроль импеданса.

Придерживайтесь стандартной проверки, когда:

• Устаревшие интерфейсы: Плата поддерживает только скорости CXL 1.1 или PCIe 4.0 (16 ГТ/с).
• Низкоскоростные периферийные устройства: Печатная плата управляет питанием или побочными сигналами (SMBus, I2C), но не передает основные линии данных CXL.
• Только прототипирование логики: Вы тестируете функциональность на пониженных скоростях и пока не нуждаетесь в полной сертификации целостности сигнала.

Compute Express Link (CXL) 3.0 (материалы, стек, допуски)

Для обеспечения целостности сигнала на частоте 32 ГГц (частота Найквиста для 64 ГТ/с) спецификации должны быть явными. Нечеткие запросы, такие как "контроль импеданса", приведут к потерям выхода годных изделий.

• Базовый материал (Ламинат): Должны использоваться материалы со сверхнизкими потерями.
  • Цель: Df < 0,002 при 10 ГГц.
  • Примеры: Panasonic Megtron 7/8, Isola Tachyon 100G или эквивалент.
• Шероховатость медной фольги: Медь HVLP (Hyper Very Low Profile) или VLP2 обязательна для снижения потерь от скин-эффекта.
  • Цель: Rz < 2,0 мкм.
• Контроль импеданса: Требуются более жесткие допуски для дифференциальных пар (85Ω или 100Ω).
  • Цель: ±5% или ±7% (стандартный допуск ±10% часто слишком велик для CXL 3.0).
• Обратное сверление (Backdrilling): Необходимо для удаления остатков переходных отверстий, вызывающих отражение сигнала.
  • Цель: Оставшаяся длина остатка < 6–8 мил (0,15–0,20 мм).
• Стиль плетения стекловолокна: Расширенное стекловолокно (например, 1067, 1078, 1086) для предотвращения эффекта плетения волокон (перекоса).
  • Требование: Механически расширенное стекловолокно или зигзагообразная трассировка (поворот на 10 градусов).
• Технология переходных отверстий: Слепые и скрытые переходные отверстия, или VIPPO (Via-in-Pad Plated Over) для выводов BGA высокой плотности.
  • Соотношение сторон: До 12:1 для сквозных отверстий; 0,8:1 для микропереходных отверстий.
• Покрытие поверхности: ENIG (Химическое никелирование с иммерсионным золочением) или Иммерсионное серебрение.
  • Ограничение: Избегать HASL из-за неровной поверхности; избегать толстого золота (ENEPIG), если есть опасения по поводу хрупких соединений, хотя оно часто используется для проволочного соединения.
• Точность совмещения: Несоосность слоев должна быть минимизирована для поддержания связи.
  • Цель: ±3 мил или лучше.
• Чистота: Уровни ионного загрязнения должны строго контролироваться для предотвращения электрохимической миграции.
  • Стандарт: < 1,56 мкг/см² эквивалента NaCl.
• Паяльная маска: Предпочтительна паяльная маска с низкими потерями, или удалите маску над высокоскоростными трассами на внешних слоях.

Compute Express Link (CXL) 3.0 (первопричины и предотвращение)

Высокоскоростные конструкции CXL 3.0 не прощают ошибок. Небольшие производственные отклонения, приемлемые для стандартных плат, могут привести к сбоям в обучении канала связи в интерфейсах CXL.

1. Риск: Чрезмерные вносимые потери

   • Первопричина: Неправильная партия материала или высокая шероховатость меди.
   • Обнаружение: Тестирование VNA на тестовых купонах.
   • Предотвращение: Укажите медь HVLP и точную серию ламината в производственном чертеже.

2. Риск: Перекос сигнала (эффект переплетения волокон)

   • Первопричина: Трассы дифференциальных пар, совпадающие с зазорами/узлами стекловолокна, что вызывает вариации скорости.
   • Обнаружение: Тестирование TDR, показывающее вариации импеданса; рассогласование фаз.
   • Предотвращение: Используйте стили распределенного стекла или поверните дизайн/панель на 10 градусов.

3. Риск: Отражения от шлейфов переходных отверстий

   • Первопричина: Неполное обратное сверление, оставляющее длинный шлейф (>10 мил).
   • Обнаружение: Анализ микрошлифа (поперечного сечения) или TDR.
   • Предотвращение: Установите строгие допуски на глубину обратного сверления и четко определите слои "обязательные к вырезанию".

4. Риск: Разрыв импеданса на BGA

• Основная причина: Плохая разводка выводов или отсутствие заземления под полем BGA.
• Обнаружение: Моделирование (до разводки) и TDR (после изготовления).
• Предотвращение: Использование микропереходов HDI для минимизации длины выводов; обеспечение непрерывности опорных плоскостей.

5. Риск: Рост CAF (проводящего анодного волокна)

   • Основная причина: Высокое напряжение смещения + влажность + полые стеклянные волокна.
   • Обнаружение: Тестирование при температуре-влажности-смещении (THB).
   • Предотвращение: Использование CAF-устойчивых материалов и поддержание минимального расстояния между стенками отверстий.

6. Риск: Образование кратеров на контактных площадках

   • Основная причина: Хрупкий ламинатный материал под механическим напряжением во время сборки.
   • Обнаружение: Испытание на растяжение/сдвиг.
   • Предотвращение: Использование систем смол с более высокой вязкостью разрушения; по возможности избегать размещения переходных отверстий непосредственно по краям контактных площадок.

7. Риск: PIM (пассивная интермодуляция)

   • Основная причина: Плохое качество травления меди или окисление.
   • Обнаружение: PIM-тестирование (редко для цифровых, но актуально для гибридных плат).
   • Предотвращение: Высококачественная химия травления и контроль качества поверхности.

8. Риск: Термическое расслоение

   • Основная причина: Несоответствие КТР (коэффициента теплового расширения) во время оплавления.
   • Обнаружение: Тест на всплытие припоя / Моделирование оплавления.
   • Предотвращение: Использование материалов с высоким Tg (>170°C) и Td (>340°C).

Compute Express Link (CXL) 3.0 (тесты и критерии прохождения)

Валидация гарантирует соответствие изготовленной платы симуляции. Для CXL 3.0 простой электрической непрерывности недостаточно.

• Тестирование импеданса (TDR):
  • Цель: Проверить соответствие импеданса трасс проекту (85Ω/100Ω).
  • Метод: Рефлектометрия во временной области на купонах и трассах в цепи.
  • Критерии прохождения: В пределах ±5% (или указанного допуска) от целевого значения.
• Тестирование вносимых потерь:
  • Цель: Убедиться, что мощность сигнала остается достаточной на частоте 32 ГГц.
  • Метод: Векторный анализатор цепей (VNA) с использованием методов SET2DIL или SPP.
  • Критерии прохождения: Потери < X дБ/дюйм (как определено в спецификации материала).
• Проверка глубины обратного сверления (Backdrill):
  • Цель: Подтвердить удаление заглушек (stubs).
  • Метод: Микрошлиф (разрушающий) или рентген (неразрушающий).
  • Критерии прохождения: Длина заглушки < 8 мил; отсутствие повреждений внутренних слоев.
• Стресс-тест межсоединений (IST):
  • Цель: Проверить надежность переходных отверстий при термоциклировании.
  • Метод: Быстрое термоциклирование купонов.
  • Критерии прохождения: Изменение сопротивления < 10% после 500 циклов.
• Тест на паяемость:
  • Цель: Убедиться, что контактные площадки правильно принимают припой.
  • Метод: IPC-J-STD-003.
  • Критерии прохождения: >95% покрытия смачивания.
• Тест на ионное загрязнение:
  • Цель: Предотвратить коррозию и утечки.
  • Метод: Тест ROSE или ионная хроматография.
  • Критерии прохождения: < 1,56 мкг/см² эквивалента NaCl.
• Измерение размеров:
• Цель: Проверка физического соответствия и выравнивания слоев.
• Метод: КИМ или оптическое измерение.
• Критерии прохождения: Размеры в пределах допусков чертежа; коробление/скручивание < 0,75%.
• Прочность отслаивания меди:
• Цель: Обеспечение адгезии проводников.
• Метод: IPC-TM-650 2.4.8.
• Критерии прохождения: Соответствует требованиям IPC Класса 3 для конкретного ламината.

Compute Express Link (CXL) 3.0 (RFQ, аудит, отслеживаемость)

Используйте этот контрольный список для проверки поставщиков. Если поставщик не может предоставить эти данные, он, вероятно, не готов к серийному производству CXL 3.0.

Группа 1: Входные данные RFQ (Что вы отправляете)

• Полные файлы Gerber (RS-274X или X2) или ODB++.
• Чертеж стека с указанием материала по названию (например, "Megtron 7", а не просто "Low Loss").
• Таблица импеданса со слоем, шириной проводника и опорными плоскостями.
• Таблица сверления, четко определяющая пары обратного сверления (Начальный слой -> Конечный слой).
• Списокработы для сравнения электрических тестов.
• Производственный чертеж с указанием требований Класса 3.
• Требования к панелизации (если сборка автоматизирована).
• Запросы на специальные тестовые купоны (SET2DIL, SPP).

Группа 2: Доказательство возможностей (Что они предоставляют)

• Доказательство сертификации UL для конкретного высокоскоростного материала.
• Образцы отчетов TDR от аналогичных высокоскоростных сборок.
• Список оборудования: Есть ли у них VNA, способный работать на частотах 40+ ГГц?
• Исследование возможности обратного сверления (данные CpK для контроля глубины).
• Возможность лазерного сверления для микропереходов (если используется HDI).
• Данные о точности совмещения для многослойных плат (20+ слоев).

Группа 3: Система качества и отслеживаемость

• ISO 9001 и предпочтительно AS9100 (для высокой надежности).
• Сертификат соответствия материала (CoC) от производителя ламината.
• Отчеты о поперечных сечениях для каждой производственной партии.
• Автоматическая оптическая инспекция (AOI) используется на всех внутренних слоях.
• 100% сертификация электрических испытаний (ET).
• Система отслеживаемости (QR/штрих-код на печатной плате), связывающаяся с данными процесса.

Группа 4: Контроль изменений и доставка

• Соглашение PCN (Уведомление об изменении процесса): Замена материалов без одобрения не допускается.
• Отчет DFM предоставляется до начала производства.
• Процессный поток EQ (Инженерный вопрос).
• Спецификации упаковки (вакуумная упаковка, осушитель, карта-индикатор влажности).
• Подтверждение сроков поставки для специализированных ламинатов (часто 4-6 недель).

Compute Express Link (CXL) 3.0 (компромиссы и правила принятия решений)

Баланс производительности и стоимости является основной задачей при валидации печатной платы интерфейса CXL 3.0.

1. Выбор материала: Производительность против стоимости
   • Если вы отдаете приоритет максимальной дальности сигнала (>20 дюймов): Выберите Megtron 7/8 или Tachyon 100G. Они дороги, но необходимы для длинных каналов.

• Если вы отдаете приоритет стоимости для более коротких соединений (<5 дюймов): Выберите Megtron 6 или IT-968. Они предлагают достойную производительность по более низкой цене, но имеют более высокие потери.
• Правило принятия решения: Никогда не используйте стандартный FR4 для линий передачи данных CXL.

2. Поверхностное покрытие: Потери против надежности

   • Если вы отдаете приоритет наименьшим вносимым потерям: Выберите Immersion Silver. Он не имеет скин-эффекта никеля, но чувствителен к обращению/потускнению.
   • Если вы отдаете приоритет сроку хранения и надежности сборки: Выберите ENIG. Он надежен, но имеет немного более высокие потери из-за никеля.
   • Правило принятия решения: Используйте ENIG для общих серверных плат; используйте серебро только в том случае, если маржа крайне мала.

3. Стек: Плотность против целостности сигнала

   • Если вы отдаете приоритет плотности трассировки: Используйте HDI (микропереходы). Это естественным образом уменьшает шлейфы, но значительно увеличивает стоимость.
   • Если вы отдаете приоритет стоимости: Используйте сквозные отверстия с обратным сверлением. Это дешевле, но требует строгой проверки контроля глубины.
   • Правило принятия решения: Используйте HDI для разводки BGA с шагом < 0,8 мм; используйте обратное сверление для стандартных разъемов.

4. Тестирование: Комплексное против выборочного

   • Если вы отдаете приоритет отсутствию дефектов: Требуйте 100% TDR и VNA тестирование на купонах с каждой панели.
   • Если вы отдаете приоритет скорости/стоимости: Тестируйте купоны с 2 панелей на партию и полагайтесь на управление процессами.
   • Правило принятия решения: Для NPI (внедрения нового продукта) тестируйте 100%. Для массового производства переходите к выборочному контролю на основе CpK.

Compute Express Link (CXL) 3.0 (стоимость, сроки, файлы DFM, материалы, тестирование)

В: Как стоимость валидации печатных плат интерфейса CXL 3.0 соотносится со стоимостью стандартных плат PCIe 4.0? Валидация для CXL 3.0 на 30–50% дороже из-за стоимости материалов со сверхнизкими потерями (которые могут стоить в 3 раза дороже стандартного FR4) и необходимости расширенного тестирования, такого как VNA и проверка обратного сверления (backdrill).

В: Каков типичный срок выполнения для прототипов валидации печатных плат интерфейса CXL 3.0? Стандартный срок выполнения составляет 15–20 рабочих дней. Это обусловлено закупкой специализированных ламинатов и сложными циклами ламинирования, необходимыми для многослойных плат.

В: Какие конкретные файлы DFM необходимы для валидации печатных плат интерфейса CXL 3.0? Помимо стандартных файлов Gerber, вы должны предоставить файл IPC-2581 или ODB++ (интеллектуальные данные), подробный стек с константами материала (Dk/Df) и файл сверления, явно отмечающий слои обратного сверления.

В: Могу ли я использовать стандартные материалы FR4 для валидации печатных плат интерфейса CXL 3.0? Нет. Стандартный FR4 имеет тангенс угла диэлектрических потерь (Df) около 0,02, что разрушит целостность сигнала PAM4 со скоростью 64 ГТ/с. Вы должны использовать материалы с Df < 0,004.

В: Каковы критерии приемки для тестирования импеданса при валидации печатных плат интерфейса CXL 3.0? Большинство конструкций CXL требуют дифференциального импеданса 85 Ом или 100 Ом с допуском ±5%. Допуск ±10% обычно слишком велик для поддержания требуемых запасов по возвратным потерям. В: Как проверить глубину обратного сверления при валидации печатных плат с интерфейсом CXL 3.0? Неразрушающая валидация затруднительна; поставщики обычно используют микрошлифы на тестовых купонах, расположенных на краях панели, чтобы убедиться, что глубина сверления находится в пределах указанных зон «должно быть прорезано» и «не должно быть прорезано».

В: Почему стиль плетения стекловолокна важен при валидации печатных плат с интерфейсом CXL 3.0? На частоте 32 ГГц зазор между пучками стекловолокна может вызвать перекос сигнала, если одна линия дифференциальной пары проходит над стеклом, а другая над смолой. Расширенное стекло (1067/1078) устраняет эти зазоры.

В: Проводит ли APTPCB VNA-тестирование для валидации печатных плат с интерфейсом CXL 3.0? Да, для высокочастотных приложений мы можем проводить тестирование вносимых потерь с использованием VNA на тестовых купонах, чтобы убедиться, что производственный процесс не ухудшил свойства материала.

Compute Express Link (CXL) 3.0 (связанные страницы и инструменты)

• Производство высокоскоростных печатных плат: Изучите наши возможности по производству плат с контролируемым импедансом и низкими потерями сигнала.
• Решения для печатных плат серверов и центров обработки данных: Узнайте, как мы поддерживаем специфические требования к надежности и масштабируемости инфраструктуры центров обработки данных.
• Материалы для печатных плат Panasonic Megtron: Подробная информация о ламинатах серии Megtron, необходимых для производительности CXL 3.0.
• Калькулятор импеданса: Инструмент, который поможет вам оценить ширину и расстояние между дорожками для вашей целевой импеданса.
• Тестирование и обеспечение качества: Обзор наших протоколов тестирования, включая TDR, AOI и тестирование надежности.

Compute Express Link (CXL) 3.0 (анализ DFM + ценообразование)

Готовы валидировать свой дизайн? Отправьте свои данные в APTPCB для всестороннего анализа DFM и точного ценообразования.

Пожалуйста, включите следующее для точного коммерческого предложения:

1. Файлы Gerber / ODB++: Полный набор данных.
2. Чертеж стека слоев: Укажите материал (например, Megtron 7) и количество слоев.
3. Таблица сверления: Четко укажите требования к обратному сверлению.
4. Объем: Количество прототипов против оценки массового производства.
5. Требования к тестированию: Укажите, нужны ли VNA или специализированные TDR-купоны.

Compute Express Link (CXL) 3.0

Валидация печатных плат с интерфейсом CXL 3.0 — это мост между теоретическим высокоскоростным дизайном и функциональным, надежным аппаратным продуктом. Строго определяя материалы, обеспечивая жесткие производственные допуски и выполняя надежный план валидации, вы гарантируете, что ваше оборудование сможет поддерживать скорости 64 ГТ/с без повреждения данных. Сосредоточьтесь на физике платы — потерях, перекосе и отражениях — и сотрудничайте с поставщиком, который понимает точность, необходимую для центров обработки данных следующего поколения.

Related links

• Производство высокоскоростных печатных плат
• Решения для печатных плат серверов и центров обработки данных
• Материалы для печатных плат Panasonic Megtron
• Калькулятор импеданса
• Тестирование и обеспечение качества