Il passaggio tecnologico dal tradizionale montaggio a foro passante alle interconnessioni ad alta densità, unito alla crescita esplosiva dell'intelligenza artificiale, sta rimodellando radicalmente la traiettoria tecnologica, la struttura dei prodotti e la distribuzione del valore dell'industria dei PCB.
Requisiti tecnologici Aggiornamento dell'hardware di calcolo AI per i PCB
Domanda di interconnessioni ad alto numero di strati e ad alta densità
Le schede madri dei server tradizionali impiegano in genere 12-16 strati, mentre gli attuali server mainstream per l'addestramento all'intelligenza artificiale (come la serie NVIDIA DGX H100) richiedono un numero di strati di PCB pari a 20-30 strati. In particolare per i substrati delle GPU, sono necessarie densità di interconnessione superiori a 5.000 punti di saldatura BGA, con una larghezza/spaziatura delle tracce compressa dai convenzionali 4/4 mil a 2/2 mil o addirittura 1,5/1,5 mil. Questa esigenza progettuale spinge direttamente all'adozione del processo mSAP (Modified Semi-Additive Process), poiché i processi sottrattivi tradizionali non sono più in grado di soddisfare i requisiti di precisione.
Sfide e soluzioni per l'integrità del segnale
Alla velocità di trasmissione PAM4 di 112 Gbps, la perdita di inserzione deve essere controllata entro -0,6 dB/pollice. Attraverso un'analisi di simulazione, abbiamo scoperto che il fattore di dissipazione (Df) deve essere ridotto da 0,02 per l'FR-4 convenzionale a meno di 0,005. L'attuale soluzione leader del settore prevede l'utilizzo di un sistema composito di resina idrocarburica e riempitivo ceramico (come Rogers RO4835™), che mantiene un valore Dk stabile di 3,5±0,05 e presenta buone proprietà dielettriche anche a 77 GHz.
Innovazioni nella tecnologia di gestione termica
Prendendo come esempio NVIDIA H100, il consumo di potenza di picco del singolo chip raggiunge i 700 W, rendendo le soluzioni di progettazione termica tradizionali del tutto inadeguate. La nostra tecnologia sviluppata di blocco di rame incorporato + array di vie termiche può ridurre la resistenza termica a 0,8°C/W. In termini di selezione del materiale del substrato, l'alta Tg (≥170°C) e l'alta conduttività termica (≥0,8 W/m-K) sono diventati requisiti fondamentali, e alcune applicazioni di fascia alta adottano già strutture ibride di substrati metallici e materiali organici.
Innovazioni tecnologiche e progressi nella localizzazione dei materiali chiave
La serie S7439 di Shengyi Technology è stata certificata dai principali OEM e ha raggiunto un valore Df di 0,0058 a 10 GHz, avvicinandosi agli standard internazionali più elevati. Lo sviluppo da parte di Sinoma Science & Technology di un tessuto di vetro elettronico a basso Dk (Dk=4,2) rompe il monopolio tecnologico di Nittobo, con una produzione di massa prevista entro il 2025.
Materiali chimici speciali
Per quanto riguarda gli inchiostri per resistenze di saldatura, la serie SR-7200G di Taiyo Ink supporta l'imaging diretto al laser con risoluzioni fino a 20 μm. Per quanto riguarda gli additivi di placcatura, la serie Circuposit 8800 di MacDermid Enthone consente una placcatura uniforme con rapporti di aspetto 1:1, risolvendo il problema della placcatura uniforme del rame nei fori passanti dei PCB ad alto numero di strati.
Colli di bottiglia tecnici e innovazioni nei processi di produzione
Tecnologia di foratura laser
Per la lavorazione di microvia al di sotto di 0,1 mm, i laser CO2 si stanno avvicinando ai limiti fisici. Abbiamo introdotto sistemi di lavorazione laser UV combinati con la tecnologia di modellazione del fascio per migliorare la precisione di lavorazione fino a 35 μm. Le macchine di foratura laser UV di Han's Laser, che utilizzano una lunghezza d'onda di 355 nm, raggiungono un diametro minimo del foro di 50 μm con una precisione di posizionamento di ±15 μm.
Innovazioni nei processi di laminazione
Per i pannelli ad altissimo spessore, che superano i 30 strati, abbiamo sviluppato un processo di laminazione che prevede il riscaldamento e l'applicazione di pressione segmentati. Grazie al controllo preciso del flusso di resina, il tasso di riempimento tra gli strati è aumentato fino a oltre 95%, mentre la precisione dell'allineamento tra gli strati è mantenuta entro ±25 μm.
Aggiornamenti nella tecnologia di ispezione
Una soluzione completa che combina Ispezione ottica automatizzata (AOI) e di test elettrici. Il software PathWave ADS di Keysight supporta la simulazione del campo elettromagnetico 3D, consentendo l'identificazione precoce dei problemi di integrità del segnale. Per il test in-circuit, l'architettura TestStation di Teradyne supporta il test del tasso di errore di bit per le interfacce a 112 Gbps.
Ristrutturazione della catena industriale e trasformazione del modello di business
Rimodellamento delle relazioni della catena di fornitura
La catena di fornitura di PCB per server AI è suddivisa in tre livelli: I set di schede per GPU sono guidati dai produttori di chip (ad esempio, la catena di fornitura designata da NVIDIA); le schede madri per CPU seguono la tradizionale catena di fornitura dei server e i produttori di moduli si procurano autonomamente i moduli accessori. Questa differenziazione richiede che i produttori di PCB possiedano capacità di coinvolgimento dei clienti differenziate.
Maggiore concentrazione dovuta a maggiori barriere tecniche
L'investimento di capitale per i PCB a 18 o più strati è 3-5 volte superiore a quello dei prodotti tradizionali, con cicli di R&S che si estendono a 12-18 mesi. Ciò ha portato alla concentrazione delle quote di mercato tra le aziende leader, con i primi tre produttori che rappresenteranno oltre 60% del mercato nazionale dei PCB per server AI nel 2024.
Variazioni nella distribuzione del valore
Nella distinta base dei costi dei server AI, la percentuale di PCB è aumentata da 2-3% nei server tradizionali a 6-8%. In particolare per i substrati delle GPU, a causa della loro elevata complessità tecnica, i margini lordi possono raggiungere 35-40%, significativamente più alti rispetto ai 15-20% dei prodotti tradizionali.
Tendenze future di sviluppo tecnologico
Integrazione di imballaggi avanzati e PCB
L'architettura Chiplet richiede che i PCB assumano alcune funzioni di interposer, spingendo la tecnologia Substrate-Like PCB (SLP) verso una larghezza/spazio delle tracce di 10/10 μm. La tecnologia eSLP sviluppata da Shennan Circuits ha raggiunto la capacità di processo di 8/8 μm ed è in fase di validazione dei campioni con i principali produttori di chip.
Tecnologia di co-packaging per fotonica al silicio
Per i moduli ottici superiori a 1,6T, il Co-Packaged Optics (CPO) è diventato una scelta inevitabile. Ciò richiede che i circuiti stampati integrino guide d'onda fotoniche e noi stiamo sviluppando una tecnologia a substrato ibrido basata su guide d'onda in biossido di silicio, che dovrebbe raggiungere applicazioni ingegneristiche entro il 2026.
Requisiti di sostenibilità
La direttiva CE-RED dell'UE impone nuovi requisiti ambientali per i PCB, tra cui materiali privi di alogeni e processi senza piombo. Il nostro sistema di resina epossidica a base biologica riduce l'impronta di carbonio di 40% e ha ottenuto la certificazione UL.
Raccomandazioni per i team tecnici
Trasformazione della struttura dei talenti
È necessario passare dai tradizionali ingegneri di processo a talenti compositi "materiale-processo-sistema". Nel nostro team, la percentuale di ingegneri con background in scienze dei materiali è aumentata da 10% di dieci anni fa a 35% di oggi.
Focus degli investimenti in R&S
Si raccomanda di destinare 60% di risorse di R&S all'HDI ad alto numero di strati, 30% al packaging avanzato e 10% alle tecnologie di sviluppo sostenibile. Particolare enfasi dovrebbe essere posta sulla collaborazione precoce con i produttori di chip e sulla partecipazione alla progettazione front-end.
Strategia di layout del brevetto
Concentrarsi sui brevetti in tre direzioni: materiali ad alta velocità, strutture di dissipazione termica e interconnessioni ad alta densità. Tra i nostri brevetti principali richiesti negli ultimi anni, quelli che riguardano speciali strutture di dissipazione termica rappresentano 40%, che diventeranno una futura barriera tecnologica.
L'intelligenza artificiale sta elevando i PCB da componenti ausiliari a parti fondamentali dei sistemi informatici. Questo cambiamento di status ci impone di ridefinire i processi di sviluppo dei prodotti con una mentalità a livello di sistema, passando da puri fornitori di servizi di produzione a fornitori di soluzioni tecniche. La futura competizione del settore sarà una gara completa tra sistemi di materiali, capacità di processo e abilità di progettazione del sistema.