Der technologische Wandel von der traditionellen Durchsteckmontage hin zu hochdichten Verbindungen in Verbindung mit dem explosionsartigen Wachstum der künstlichen Intelligenz verändert die technologische Entwicklung, die Produktstruktur und die Wertverteilung in der Leiterplattenindustrie grundlegend.
Technologische Anforderungen Upgrade von AI-Computing-Hardware für PCBs
Nachfrage nach Verbindungen mit hoher Lagenzahl und hoher Packungsdichte
Herkömmliche Server-Motherboards bestehen in der Regel aus 12-16 Lagen, während aktuelle Mainstream-KI-Trainingsserver (wie die NVIDIA DGX H100-Serie) Leiterplatten mit 20-30 Lagen benötigen. Insbesondere für GPU-Substrate sind Verbindungsdichten von mehr als 5.000 BGA-Lötpunkten erforderlich, wobei die Leiterbahnbreite/-abstände von den herkömmlichen 4/4 Mil auf 2/2 Mil oder sogar 1,5/1,5 Mil komprimiert werden. Diese Designanforderung treibt die Einführung des mSAP (Modified Semi-Additive Process) direkt voran, da herkömmliche subtraktive Prozesse die Präzisionsanforderungen nicht mehr erfüllen können.
Herausforderungen und Lösungen für die Signalintegrität
Bei PAM4-Übertragungsraten von 112 Gbit/s muss die Einfügedämpfung innerhalb von -0,6 dB/Zoll kontrolliert werden. Durch Simulationsanalysen haben wir herausgefunden, dass der Verlustfaktor (Df) von 0,02 für herkömmliches FR-4 auf unter 0,005 reduziert werden muss. Die derzeit führende Industrielösung besteht in der Verwendung eines Kohlenwasserstoffharz/Keramik-Füllstoff-Verbundsystems (z. B. Rogers RO4835™), das einen stabilen Dk-Wert von 3,5±0,05 beibehält und selbst bei 77 GHz gute dielektrische Eigenschaften aufweist.
Innovationen in der Wärmemanagement-Technologie
Am Beispiel des NVIDIA H100 wird deutlich, dass der Spitzenstromverbrauch eines einzelnen Chips 700 W erreicht, so dass herkömmliche thermische Designlösungen völlig unzureichend sind. Die von uns entwickelte Technologie mit eingebettetem Kupferblock und thermischem Via-Array kann den Wärmewiderstand auf 0,8°C/W reduzieren. In Bezug auf die Auswahl des Substratmaterials sind eine hohe Tg (≥170°C) und eine hohe Wärmeleitfähigkeit (≥0,8 W/m-K) zu grundlegenden Anforderungen geworden, wobei einige High-End-Anwendungen bereits Hybridstrukturen aus Metallsubstraten und organischen Materialien einsetzen.
Technologische Durchbrüche und Fortschritte bei der Lokalisierung von Schlüsselmaterialien
Die Serie S7439 von Shengyi Technology wurde von großen Erstausrüstern zertifiziert und erreicht einen Df-Wert von 0,0058 bei 10 GHz und nähert sich damit international führenden Standards. Sinoma Science & Technology hat ein elektronisches Glasgewebe mit niedrigem Dk-Wert (Dk=4,2) entwickelt, das das technologische Monopol von Nittobo durchbricht und bis 2025 in Massenproduktion gehen soll.
Spezielle chemische Materialien
Bei den Lötstopplacken unterstützt die Serie SR-7200G von Taiyo Ink die Laserdirektbelichtung mit Auflösungen von bis zu 20 μm. Bei den Beschichtungsadditiven ermöglicht die Circuposit 8800-Serie von MacDermid Enthone eine gleichmäßige Beschichtung mit einem Seitenverhältnis von 1:1 und löst damit das Problem der gleichmäßigen Verkupferung in Durchgangslöchern für Leiterplatten mit hoher Lagenzahl.
Technische Engpässe und Durchbrüche in Fertigungsprozessen
Laser-Bohrtechnik
Bei der Bearbeitung von Mikrovias unter 0,1 mm stößt der CO2-Laser an seine physikalischen Grenzen. Wir haben UV-Laserbearbeitungssysteme in Kombination mit Strahlformungstechnologie eingeführt, um die Bearbeitungsgenauigkeit auf 35 μm zu erhöhen. Die UV-Laserbohrmaschinen von Han's Laser, die eine Wellenlänge von 355 nm verwenden, erreichen einen minimalen Lochdurchmesser von 50 μm bei einer Positionsgenauigkeit von ±15 μm.
Innovationen bei Laminierverfahren
Für ultrahochlagige Platten mit mehr als 30 Lagen haben wir ein Laminierverfahren entwickelt, das eine segmentierte Erwärmung und Druckanwendung umfasst. Durch die präzise Steuerung des Harzflusses wird die Füllrate zwischen den Lagen auf über 95% erhöht, während die Ausrichtungsgenauigkeit zwischen den Lagen bei ±25 μm bleibt.
Upgrades in der Inspektionstechnologie
Eine umfassende Lösung, die Automatisierte optische Inspektion (AOI) und die elektrische Prüfung übernommen. Die PathWave ADS-Software von Keysight unterstützt die 3D-Simulation elektromagnetischer Felder und ermöglicht die frühzeitige Erkennung von Signalintegritätsproblemen. Für In-Circuit-Tests unterstützt die TestStation-Architektur von Teradyne Bitfehlerraten-Tests für 112-Gbit/s-Schnittstellen.
Umstrukturierung der industriellen Kette und Umgestaltung des Geschäftsmodells
Neugestaltung der Beziehungen in der Lieferkette
Die PCB-Lieferkette für KI-Server ist in drei Stufen unterteilt: GPU-Platinen werden von den Chip-Herstellern geführt (z. B. die von NVIDIA festgelegte Lieferkette); CPU-Motherboards folgen der traditionellen Server-Lieferkette; und Modulhersteller beschaffen unabhängig Zubehörmodule. Diese Differenzierung erfordert, dass die Leiterplattenhersteller über differenzierte Fähigkeiten zur Kundenansprache verfügen.
Verstärkte Konzentration aufgrund höherer technischer Barrieren
Die Investitionskosten für Leiterplatten mit 18 oder mehr Lagen sind 3 bis 5 Mal so hoch wie bei herkömmlichen Produkten, wobei sich die F&E-Zyklen auf 12 bis 18 Monate erstrecken. Dies hat zu einer Marktanteilskonzentration unter den führenden Unternehmen geführt, wobei die drei größten Hersteller im Jahr 2024 über 60% des inländischen Marktes für KI-Server-Leiterplatten ausmachen werden.
Änderungen in der Wertverteilung
Bei den Stücklistenkosten von KI-Servern ist der Anteil der Leiterplatten von 2-3% bei herkömmlichen Servern auf 6-8% gestiegen. Insbesondere bei GPU-Substraten können die Bruttomargen aufgrund ihrer hohen technischen Komplexität 35-40% erreichen, was deutlich über den 15-20% für herkömmliche Produkte liegt.
Künftige technologische Entwicklungstrends
Integration von Advanced Packaging und PCBs
Die Chiplet-Architektur erfordert, dass Leiterplatten einige Interposer-Funktionen übernehmen, was die SLP-Technologie (Substrate-Like PCB) in Richtung Leiterbahnbreiten/-abstände von 10/10 μm treibt. Die von Shennan Circuits entwickelte eSLP-Technologie hat eine Prozessfähigkeit von 8/8 μm erreicht und wird derzeit von großen Chipherstellern in Mustern validiert.
Silizium-Photonik Co-Packaging Technologie
Für optische Module mit mehr als 1,6T ist Co-Packaged Optics (CPO) eine unumgängliche Wahl. Dies erfordert Leiterplatten, in die photonische Wellenleiter integriert werden können. Wir entwickeln eine hybride Substrattechnologie auf der Grundlage von Siliziumdioxid-Wellenleitern, die voraussichtlich bis 2026 technische Anwendungen finden wird.
Anforderungen an die Nachhaltigkeit
Die CE-RED-Richtlinie der EU stellt neue Umweltanforderungen an Leiterplatten, einschließlich halogenfreier Materialien und bleifreier Prozesse. Unser entwickeltes biobasiertes Epoxidharzsystem reduziert den CO2-Fußabdruck um 40% und hat die UL-Zertifizierung erhalten.
Empfehlungen für technische Teams
Veränderung der Talentstruktur
Eine Verlagerung von traditionellen Verfahrensingenieuren hin zu "Material-Prozess-System"-Verbundtalenten ist notwendig. In unserem Team ist der Anteil der Ingenieure mit materialwissenschaftlichem Hintergrund von 10% vor einem Jahrzehnt auf 35% heute gestiegen.
Schwerpunkt der F&E-Investitionen
Es wird empfohlen, 60% der F&E-Ressourcen für HDI mit hoher Lagenzahl, 30% für fortgeschrittenes Packaging und 10% für nachhaltige Entwicklungstechnologien bereitzustellen. Besonderer Wert sollte auf eine frühzeitige Zusammenarbeit mit den Chipherstellern und die Beteiligung am Front-End-Design gelegt werden.
Patent-Layout-Strategie
Wir konzentrieren uns auf Patentanmeldungen in drei Richtungen: Hochgeschwindigkeitsmaterialien, Strukturen zur Wärmeableitung und Verbindungen mit hoher Packungsdichte. Von den in den letzten Jahren angemeldeten Kernpatenten entfallen 40% auf spezielle Wärmeableitungsstrukturen, die in Zukunft eine technologische Barriere darstellen werden.
Künstliche Intelligenz macht Leiterplatten von Hilfskomponenten zu Kernbestandteilen von Computersystemen. Dieser Statuswechsel erfordert von uns eine Neudefinition der Produktentwicklungsprozesse mit einer Denkweise auf Systemebene und den Übergang von reinen Fertigungsdienstleistern zu Anbietern technischer Lösungen. Der künftige Wettbewerb in der Industrie wird ein umfassender Wettbewerb der Materialsysteme, der Prozessfähigkeiten und der Fähigkeiten im Systemdesign sein.