NVMe-Speicher-PCB-Anwendungen und Fertigungsanforderungen für KI-Server

KI-Training, Inferenz und die Verarbeitung großer Datenmengen erfordern häufige Lese- und Schreibvorgänge für Modelle, Datensätze und Zwischenergebnisse. Dies stellt hohe Anforderungen an den Datendurchsatz und die Zugriffseffizienz von Serverspeichersystemen. NVMe-SSDs (Non-Volatile Memory Express) mit PCIe-Schnittstelle sind in Server- und Rechenzentrumsspeichersystemen weit verbreitet. In einigen KI-Servern werden lokale NVMe-SSDs für Systemspeicher, Daten-Caching und temporäre Daten-Lese-/Schreibvorgänge verwendet und bieten so schnelle lokale Speicherunterstützung für Rechenlasten.

KI-Server lassen sich je nach Systemarchitektur und Speicherbedarf mit NVMe-SSDs unterschiedlicher Spezifikationen und Formfaktoren konfigurieren. Mit steigenden PCIe-Datenraten erfordert die Einhaltung der Signalintegritätsanforderungen eine präzisere Kontrolle der Leiterplattenmaterialeigenschaften, der Fertigungsgenauigkeit der Schaltungen, der Impedanz und der Durchkontaktierungsstrukturen. Da sich Server und NVMe-Speichergeräte hinsichtlich Schnittstellen, Leiterplattenaufbau und Speicherkonfigurationen unterscheiden , müssen Leiterplattenmaterialien, Lagenaufbauten und Schaltungsdesigns entsprechend den spezifischen Produktspezifikationen und Designanforderungen festgelegt werden. Relevante Leiterplattenanwendungen umfassen Leiterplatten in NVMe-SSDs sowie Server-Backplanes und Adapterplatinen für die NVMe-Speicheranbindung. Deren Fertigungsanforderungen hängen von der Funktion der jeweiligen Platine und der Struktur ihrer Hochgeschwindigkeitsverbindungen ab. 

HoYoGo ist ein professioneller Hersteller von NVMe-Speicherplatinen für KI-Server und spezialisiert auf die Fertigung hochzuverlässiger, hochpräziser, mehrlagiger und schneller Leiterplatten. NVMe-Speicher für KI-Server stellen hohe Anforderungen an die Signalübertragungsgeschwindigkeit, die Präzision der Schaltungsfertigung und die Langzeitstabilität. Dieser Artikel erläutert wichtige Aspekte der Leiterplattenfertigung, darunter Fertigungsgenauigkeit, verlustarme Materialien, mehrlagige Verbindungen, Durchkontaktierungsverarbeitung und Zuverlässigkeit. 

Leiterplattenfertigungspräzision für Hochgeschwindigkeits-PCIe-Übertragung

NVMe-SSDs kommunizieren über PCIe-Schnittstellen mit Serversystemen. Mit steigenden PCIe-Datenraten gewinnen die Präzision der Schaltungsfertigung und die Impedanzkonsistenz zunehmend an Bedeutung für die Signalübertragungsleistung. Bei Leiterbahnen mit kontrollierter Impedanz können Faktoren wie Leiterbahnbreite, Abstand der differentiellen Leiterpaare, Kupferdicke, Dicke des Dielektrikums und Materialeigenschaften die tatsächliche Impedanz beeinflussen.

Die Leiterplattenfertigung erfordert die sorgfältige Kontrolle von Leiterbahnabmessungen, Kupferdicke, Dielektrikumdicke, Ätzgleichmäßigkeit und anderen Schlüsselparametern gemäß den kundenspezifischen Leiterplattenaufbauten, Impedanzvorgaben und technischen Anforderungen. Impedanzkontrollierte Leiterbahnen müssen ebenfalls anhand der vorgegebenen Impedanzvorgaben und Testbedingungen überprüft werden, um sicherzustellen, dass die tatsächliche Impedanz den technischen Anforderungen des Produkts entspricht.

Verlustarme Materialien und Hochgeschwindigkeitsleiterbahnen

Hochgeschwindigkeitssignale, die durch eine Leiterplatte übertragen werden, unterliegen sowohl dielektrischen als auch Leiterverlusten. Mit steigenden PCIe-Datenraten können Faktoren wie die Dielektrizitätskonstante (Dk), der Verlustfaktor (Df), die Oberflächenrauheit der Kupferfolie und die Leiterbahngeometrie die Übertragungseigenschaften und Verluste von Hochgeschwindigkeitsleitungen beeinflussen.

Je nach PCIe-Datenrate, Leiterbahnlänge, Verlustbudget und Produktleistungsanforderungen können für einige Hochgeschwindigkeits-NVMe-Speicherplatinen verlustarme Materialien zum Einsatz kommen. Unterschiedliche Materialien unterscheiden sich hinsichtlich Harzsystemen, Dimensionsstabilität und Verarbeitungseigenschaften. Die Fertigungsbedingungen für Laminierung, Bohren und Schaltungsherstellung müssen daher materialabhängig festgelegt werden. Auch die Konsistenz der dielektrischen Dicke und der Materialeigenschaften erfordert eine sorgfältige Kontrolle.

Mehrlagige Leiterplatten und Speicherverbindungen

NVMe-Speichergeräte in KI-Servern werden typischerweise über PCIe-Verbindungen mit der Serverplattform verbunden und kommunizieren über Systemkomponenten wie CPUs oder PCIe-Switches. Für Leiterplatten, die mehrere Hochgeschwindigkeitssignale und Stromanschlüsse führen, bieten mehrlagige Strukturen den erforderlichen Platz für die Leiterbahnführung und die Verbindungen zwischen den Lagen, die für Hochgeschwindigkeitssignale, Stromverteilung und Masseverbindungen benötigt werden.

Bei Leiterplatten mit hoher Leiterbahndichte und komplexen Zwischenlagenverbindungen erfordern Prozesse wie die Lagenregistrierung, das Laminieren, Bohren und die Lochmetallisierung eine präzise Steuerung. Je nach Designanforderungen können auch NVMe-Speicher-Leiterplatten mit hoher Dichte HDI-Strukturen mit Mikro-Vias und anderen Zwischenlagenverbindungen verwenden. Bei diesen Leiterplatten ist besonderes Augenmerk auf die Lagenregistrierung, die Lochpositionsgenauigkeit, die Qualität des Laserbohrens und die Lochmetallisierung zu legen.

Hochgeschwindigkeits-Vias und Signalübertragung

Für Hochgeschwindigkeitssignale werden typischerweise Durchkontaktierungen (Vias) zur Verbindung zwischen den Schichten verwendet. Bei einigen Hochgeschwindigkeits-PCIe-Leiterbahnen können Durchkontaktierungs-Stubs, die nicht Teil der vorgesehenen Signalverbindung sind, Reflexionen verursachen und die Signalübertragungsleistung beeinträchtigen.

Ob eine Rückbohrung erforderlich ist, hängt vom jeweiligen Leiterplattenaufbau, dem Design der Hochgeschwindigkeitsleiterbahnen und den Produktanforderungen ab. Bei Leiterplatten mit Rückbohrung müssen wichtige Parameter wie Rückbohrtiefe, Positioniergenauigkeit und verbleibende Stummellänge gemäß den Kundenzeichnungen, dem Leiterplattenaufbau und den Ziellagenpositionen kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass die Durchkontaktierungsstrukturen den vorgegebenen Designanforderungen entsprechen.

Zuverlässigkeit der Leiterplatte im Langzeitbetrieb

KI-Server sind typischerweise über längere Zeiträume in Betrieb, und Controller, NAND-Flash-Speicher und zugehörige Leistungskomponenten in NVMe-Speichern erzeugen bei kontinuierlichen Lese- und Schreibvorgängen Wärme. Die Wärmeableitung des Speichers hängt primär vom thermischen Design des Systems und des Produkts ab, aber auch die thermomechanischen Eigenschaften der Leiterplattenmaterialien, die Verbindung zwischen den Lagen und die Qualität der Durchkontaktierungen können die Langzeitstabilität beeinflussen.

Bei Leiterplatten, die über längere Zeiträume erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind oder Temperaturzyklen unterliegen, sollten die Materialien entsprechend den Betriebsbedingungen und Zuverlässigkeitsanforderungen ausgewählt werden. Die Qualität der Laminierung, der Zwischenlagenverbindung und der Kupferbeschichtung der Lochwände muss sorgfältig kontrolliert werden, um das Risiko von Defekten wie Delamination und Rissbildung zu minimieren.

Konstanz in der Serienfertigung

Sobald Leiterplatten für NVMe-Speicher in KI-Servern in die Serienproduktion gehen, ist die Sicherstellung der Konsistenz über verschiedene Produktionschargen hinweg unerlässlich. Abweichungen bei Materialeigenschaften, Dielektrikumdicke, Leiterbahnabmessungen, Kupferdicke und Durchkontaktierungsstrukturen können die Impedanz, die Abmessungen und die elektrische Leistungsfähigkeit der fertigen Leiterplatten beeinflussen.

Während der gesamten Serienproduktion, von der Rohstoffverwaltung und der Herstellung von Innen- und Außenschichtschaltungen bis hin zu Laminierung, Bohren, stromloser Kupferabscheidung, Galvanisierung und abschließender elektrischer Prüfung, muss jeder Fertigungsschritt gemäß den Produktspezifikationen und den technischen Anforderungen des Kunden kontrolliert werden, um eine gleichbleibende Fertigungsqualität und elektrische Leistung über alle Produktionschargen hinweg zu gewährleisten.

Sich wandelnde Anforderungen an die Leiterplattenfertigung für NVMe-Speicher in KI-Servern

Da KI-Server höhere lokale Datenzugriffsleistungen und Speicherdurchsätze benötigen, unterstützen die von NVMe-SSDs verwendeten PCIe-Schnittstellen weiterhin höhere Datenraten, während Speicherdichte und -kapazität stetig zunehmen. Mit der Weiterentwicklung von PCIe-Schnittstellen und Speichergeräten steigen die Anforderungen an die Herstellung von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten hinsichtlich materialbedingter Signalverluste, Präzision der Schaltungsfertigung, Impedanzkontrolle, Mehrlagenverbindungen und Durchkontaktierungsverarbeitung.

KI-Server unterscheiden sich hinsichtlich Prozessoren, PCIe-Architekturen, NVMe-SSD-Formfaktoren und Speicherkonfigurationen. Leiterplattenmaterialien, Schichtaufbauten und Fertigungsprozesse müssen daher entsprechend den spezifischen Produktspezifikationen und den technischen Anforderungen des Kunden festgelegt werden.

HoYoGo ist ein professioneller Hersteller von NVMe-Speicherplatinen für KI-Server und spezialisiert auf die Fertigung hochzuverlässiger, hochpräziser, mehrlagiger und Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten. Um den Anforderungen von NVMe-Speichern für KI-Server hinsichtlich Hochgeschwindigkeitssignalübertragung, Fertigungsgenauigkeit und Langzeitstabilität gerecht zu werden, bieten wir kundenspezifische Leiterplattenfertigung auf Basis der jeweiligen Produktspezifikationen und technischen Anforderungen. Produktion und Qualitätskontrolle erfolgen gemäß den geltenden IPC-Standards und den technischen Spezifikationen des Kunden. So gewährleisten wir eine stabile Leiterplattenfertigung für KI-Server und Hochgeschwindigkeitsspeicherprodukte.