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AI伺服器驅動PCB材料與技術革新
迎合高頻高速需求
[作者 陳念舜]   2024年10月28日 星期一 瀏覽人次: [2485]

目前台灣PCB產業除了積極轉型智慧製造節能以減碳之外,還須善用2024年上半年仍受惠於AI需求帶動出口好轉的契機,驅動AI伺服器供應鏈加工技術與材料革新開源,成為確保PCB產值能穩定成長的關鍵。


回顧自2023年生成式AI浪潮席捲世界以來,若從台廠最擅長的硬體供應鏈角度來看最重要的設備,無疑是專為處理複雜的AI運算、訓練及推論任務而設計的AI伺服器,不僅驅動了世界各地的雲端服務業者(CSP)紛紛藉此擴大業務,帶來強勁的市場需求,並尋求與台灣等供應鏈夥伴緊密合作。



圖一 : AI伺服器不僅驅動了世界各地的雲端服務業者紛紛藉此擴大業務,帶來強勁的市場需求,並尋求與台灣等供應鏈夥伴緊密合作。
圖一 : AI伺服器不僅驅動了世界各地的雲端服務業者紛紛藉此擴大業務,帶來強勁的市場需求,並尋求與台灣等供應鏈夥伴緊密合作。

台灣身為全球主要的伺服器代工重鎮,在AI伺服器出貨中占近9成比重,美系伺服器品牌商全部仰賴台廠代工,陸系品牌則有近7成伺服器由台灣生產,尤值得深入觀察台灣PCB產品在伺服器應用的產值表現。


依工研院IEK估計2024年全球伺服器出貨量將達到1,410萬台,年成長5.2%;其中AI伺服器成長84.7%,預估出貨量為219萬台、整體市占率約15.5%,將成為市場規模主要驅動力,將以複合年均成長率(CAGR)22%的速度迅速擴張;同時提高產品單價和價值,已對整體伺服器產值造成明顯影響。


台廠雖然在AI伺服器的表面黏著(SMT)、組裝(PCBA)技術和量產實力上具有競爭優勢,但因為近年來AI技術快速發展,不僅帶動伺服器和相關硬體市場成長,也對PCB市場造成新挑戰和機遇,於高階供應鏈的自主程度上仍有改善空間。


據統計2023年台灣伺服器PCB主要以多層板占比56%為主,其次是載板(33%)、HDI(11%),金像電為台灣最大的伺服器PCB供應商,還有健鼎、瀚宇博德、博智等業者共同參與此市場;載板則是欣興、南電和景碩,並列全球10大載板製造商,均可供應核心的ABF載板。


尤其是針對AI伺服器的高密度構裝基板,必須具備高速運算、傳輸並確保準確與穩定性,未來將朝向「線路/孔徑微縮」、「基板面積放大」發展。從而分別透過超多層電路載板HDI、高頻高速PCB材料Ultra Low Loss、矽光子等多樣技術齊頭並進,以提高數據在不同系統元件之間的傳輸速度和效率,從而降低損耗。



圖二 : 台廠雖然在AI伺服器的表面黏著(SMT)、組裝(PCBA)技術和量產實力上具有競爭優勢,但在高階供應鏈的自主程度上仍有改善空間。(攝影:陳念舜)
圖二 : 台廠雖然在AI伺服器的表面黏著(SMT)、組裝(PCBA)技術和量產實力上具有競爭優勢,但在高階供應鏈的自主程度上仍有改善空間。(攝影:陳念舜)

應對先進封裝技術 高頻高速載板滿足三力需求

工研院IEK研究員張淵菘進一步指出,倘若拆解目前AI伺服器PCB的成本清單,可見扮演核心零組件角色的GPU模組,約占整體PCB成本80%;並伴隨著AI算力需求不斷成長,推進異質整合封裝技術、ABF載板需求穩步成長。因目前新一代伺服器GPU的ABF載板面積與層數規格的設計皆有所提升,也使之需求量平均增加了33%~39%。


藉此滿足所需「運算力」,關鍵PCB要素為ABF載板、玻璃基板;「傳輸力」,代表數據在不同系統元件之間傳輸的速度和效率,關鍵PCB要素是須利用多層、高頻高速PCB材料或矽光子模組;「散熱力」,則是克服AI運算往往會產生高熱量,須能有效散出,才能避免性能下降,甚至損壞硬體。


其中為了處理龐大的數據流量,AI伺服器對資料傳遞速率和頻寬有極高需求,在高速傳輸過程中,還須確保訊號的準確性與穩定性。主導了高頻高速PCB的技術發展趨勢,用來處理高階數據和運算等任務;同時推動了PCB產業封裝用的ABF載板設計朝向大面積、多層數、細線路等方向演化,以容納更多電晶體與I/O數量、佈線密度等相關先進封裝技術。


同時考量銅箔基板、新疊構設計和高階算力需求等因素,彼此連接CPU、GPU;並分別以高階HDI製作GPU加速卡、HLC(High Layer Count高階多層板)製作GPU主板,用來促進高頻高速PCB市場成長。


HDI具備的輕薄小巧特性,不僅有助於提升佈線密度、降低產品體積和重量,還能有效利用組裝空間;同時透過更高層數及更細的線寬線距設計,以實現更快的訊號傳輸與更小的訊號損失,通常應用於汽車雷達、衛星天線等系統。


且隨著算力需求日益增加,AI伺服器未來將有機會擴大HDI設計的比例。PCB層數更多,如OAM便採用5-8-5、5-10-5疊構設計的五階多層HDI,以改善訊號品質與可靠性,並應對I/O數量的增加,須進一步提高布線密度。


HLC則主要用於伺服器的主機板、地面站的天線系統、發射器、接收器等,且為了滿足高效低損耗的訊號傳輸需求,HLC在加工方面還會採用「Back Drill背鑽」的鑽孔技術,透過鑽孔移除Via Stub(未發揮連接或傳輸功能的通孔段),以有效減少造成的寄生電感與電容對系統的不利影響,避免在高速傳輸中可能引起反射、散射、延遲等干擾,從而提高整體訊號完整性。


但由於背鑽不能將通孔完全去除,必須保留可用的導通段,所以鑽孔設備需要具備優秀的深度控制(±75μm)與鑽孔精度(D+150μm)。近來由台灣網通設備廠新漢、工研院電光所與材化所、PCB大廠高技、材料廠台燿組成A+國家隊,提出一種新疊構設計來提升訊號完整性。包含採用極低損PCB材料(Extreme Low Loss;ELL)、創新的低雜訊同軸貫通孔(Low-Noise Coaxial Via;LCV)與超低損連接埠(Super Low Loss Connective-Bus)等技術。有別於傳統由端子組成的高速連接器,往往難以提供高穩定、低耗損的效能,而是顯著提升了阻抗控制功能、降低插入損失及近場、遠場串擾(Near-End/Far-End Crosstalk)效應。


目前所稱新一代AI硬體先進封裝解決方案,則包含矽光子(Silicon Photonics)領域,配合CPO(共同封裝光學元件),將光學和電子晶片整合於同一封裝模組內,藉此縮短元件之間的距離,減少光子傳輸的訊號損耗,預估矽光子市場從2022年~2030年126億美元增至786億美元的,CAGR為25.7%。可以預見一旦配合矽光子CPO模組時,載板面積將會再擴大,以適應矽光子的封裝需求;並迎合元件逐步整合及光模組微型化等趨勢,底部PCB將朝向縮小面積或簡化設計等趨勢發展。


另有新一代玻璃基板(Glass Core)封裝方案,則強調具有優異的低介電常數與熱膨脹係數、更平滑的介面,細線路製作更穩定等特性,可用來解決現有載板材料在處理上億顆規模的電晶體封裝時,所面臨能耗、膨脹和翹曲等問題。未來更有望成為FC-BGA載板核心材料的替代品,將應用於伺服器CPU、加速器晶片等,特別適用於尺寸在110mmx110mm以上的大型載板需求。


圖三 : 配合矽光子CPO模組發展,可以預見載板面積將會再擴大,並迎合元件逐步整合及光模組微型化等趨勢,底部PCB將往縮小面積或簡化設計等趨勢發展。(攝影:陳念舜)
圖三 : 配合矽光子CPO模組發展,可以預見載板面積將會再擴大,並迎合元件逐步整合及光模組微型化等趨勢,底部PCB將往縮小面積或簡化設計等趨勢發展。(攝影:陳念舜)

PCB材料後勢看好 強化創新結構設計與研發競爭力

此外,目前AI伺服器PCB常用的高頻高速銅箔基板(CCL),係由銅箔與經樹脂含浸後之基材(如絕緣紙、玻璃纖維布等)疊合而成,為製造PCB的關鍵基礎材料。又可分為:玻璃纖維板(FR-4)、陶瓷基板(Ceramic Substrate)與氟系材料聚四氟乙烯(PTFE),或稱鐵氟龍(Teflon),再依Df(耗散係數越小,表示該材料對訊號傳輸的損失越少),細分為:very low loss、ultra low low loss、super low loss等不同材料等級。


台灣供應銅箔基板的上游廠商眾多,且硬式、軟性基板皆有布局,直接外銷比重約占6成。依財政部統計按基材種類區分,台灣銅箔基板出口以玻璃纖維環氧樹脂為襯料者占逾半數(55%);其次為生產軟板的聚醯亞氨,約占3成;相對低階的酚樹脂,則占1成。2024年隨著AI等創新應用發展,景氣逐步改善、銅價波動等趨勢,有望終止連2年下滑,推升1~7月以新台幣計算產值成長16.0%,以美元計1-8月出口值年增2成。


其中very low loss(M6)材料Df範圍約0.004~0.005,是目前應用最廣泛的高頻高速CCL材料,例如在400G/800G網通設備、AI伺服器等產品。並考慮在GPU內部互相高速傳輸要求下,主板選用的銅箔基板規格也從泛用型的Low loss,提升至高階高頻高速的ultra low low loss等級(M7),材料價格約增28%。


其中高速PCB可在高速傳輸時表現出更好的訊號完整性和抗干擾能力,其應用範圍涵括MHz~GHz,並為了能有效抑制電磁干擾(EMI),傾向選用較厚板及等長性線路設計;常見選用的材料,為FR4、PI等,廣泛應用於電腦、伺服器主機板及工業控制儀器等領域。


在高頻工作環境下,應用頻率範圍通常在1GHz以上,則一般採取細線路設計、板厚也相對較薄,可展現出優異的傳輸性能;選擇材料以PTFE較為常見,除了具有耐熱與腐蝕、低吸水率等特性外,更擁有極低的介電常數(Dk)、Df,對訊號傳輸速度越快、損失越小,有助於減少訊號損失、提高訊號傳輸效率及接收靈敏度。


因此,儘管PTFE在熱傳導性、剛性和機械加工面上存在一頂的挑戰和相對高的成本,仍被廣泛應用在5G通訊、汽車雷達,航太工程與衛星通訊等領域。多家台灣PCB材料廠如台光電、台燿、聯茂、台虹等,皆已在其高階產品線推出PTFE,現以美日外商設備為主要供應商,包括Rogers、AGC、Taconic等。


近來也有PCB製造廠商為解決PTFE的加工性與成本問題,提出了採用混壓(Hybrid)疊構設計,將PTFE與其他高頻材料混合壓合製作,即在非訊號層改用一般等級材料,選擇在主訊號層才用上高等級材料,不僅能滿足高頻訊號傳輸需求,也可以節省成本並提高板材剛性與加工性。


但缺點卻是會提高加工困難度,必須克服異質材料同時製作的技術挑戰,如材料交界面的結合性、熱膨脹係數不同引起的應力和變形、製程參數控制等,導致全球有能力量產的製造商數量有限。


為了鎖定未來5G高頻高速商機,工研院也從電路板材料著手,致力於創新材料開發,以協助台灣電路板產業掌握前瞻科技;近年來更與中石化聯手投入毫米波銅箔基板(CCL)材料開發,開發低損耗環烯烴樹脂合成技術,兼併低介電、高導熱等特性於一體,開發出電氣特性優於市場的材料。



圖四 : 工研院與中石化聯手投入毫米波銅箔基板(CCL)材料開發,加強高階電路板原料在地供應能力。(source:工研院)
圖四 : 工研院與中石化聯手投入毫米波銅箔基板(CCL)材料開發,加強高階電路板原料在地供應能力。(source:工研院)

藉此不僅克服傳統材料瓶頸,提升基板材料電性穩定性,使訊號在高頻傳輸下具有更高的穩定度及可靠度,滿足毫米波時代所需的高速資訊處理及大量數據傳輸,為台灣PCB產業提供一個具實際效益的配套方案。且成功協助中石化從傳統石化產業跨足高階電路板材料領域,強化台灣高階電路板原料的自主性,而成為高階電子材料市場重要奧援之一,加強高階電路板原料在地供應能力。


工研院協理暨材料與化工所所長李宗銘表示,台灣電路板產業長年領先全球,但許多高階製程原料仍得仰賴進口,若能掌握未來關鍵樹脂原物料及專利,將有助於產業發展及穩固國際競爭力。


中石化此次與工研院合作開發的樹脂材料,除可幫助業者大幅縮短產品開發時間,其優異的基板穩定性,希望有助於下世代電子產品的高階電路板開發。目前中石化正與產業客戶進行配方樹脂調整與相關驗證作業,期望有機會導入台灣電路板產業鏈中,提升高階電路板原料自主性及在地供應需求。


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