Nowy rekord: 124-warstwowa PCB

OKI Circuit Technology zaprezentowało 124-warstwową PCB, opracowaną dla urządzenia do inspekcji płytek krzemowych stosowanych w testach pamięci o dużej przepustowości nowej generacji, stanowiących część systemów półprzewodnikowych AI. Stanowi to około 15-procentowy wzrost liczby warstw w porównaniu z konwencjonalnymi projektami 108-warstwowymi. OKI planuje wprowadzić masową technologię produkcji do października 2025 roku w swoim zakładzie Joetsu, który od lat posiada udokumentowane osiągnięcia oraz zaawansowane możliwości produkcyjne wielowarstwowych, wysoce precyzyjnych, wielkoformatowych płytek PCB, dedykowanych do sprzętu do inspekcji półprzewodników.

Przetwarzanie AI wymaga przesyłania ogromnych ilości danych między procesorem graficznym (graphics processing unit, GPU) a pamięcią. Wraz ze wzrostem wydajności półprzewodników zainstalowana pamięć musi również mieć możliwość szybkiego przesyłania danych. Dedykowane do tych celów pamięci high-bandwidth memory HBM oparte są na strukturze pamięci DRAM, co wymaga technologii umożliwiającej wytwarzanie jeszcze cieńszych i bardziej precyzyjnych płytek krzemowych. Podobnie, płytki PCB używane w sprzęcie inspekcyjnym, muszą spełniać jeszcze wyższe poziomy wydajności i jakości.

Ponieważ najnowsze półprzewodniki przetwarzają ogromną liczbę sygnałów, a liczba układów scalonych montowanych na płytkach wzrasta ze względu na miniaturyzację procesu, konieczne jest zwiększenie gęstości i liczby warstw na płytkach PCB używanych w sprzęcie inspekcyjnym. Niemniej jednak, z powodu ograniczeń konstrukcyjnych, grubość płytki PCB została ograniczona do 7,6 mm, a 108 warstw stanowiło maksymalny limit w przypadku konwencjonalnej technologii. Tym razem, poprzez opracowanie ultracienkich materiałów i narzędzi oraz innowacyjnych technologii ich obróbki, a także opracowanie i wprowadzenie autorskiego automatycznego systemu transportu dla ultracienkich materiałów do swojej linii produkcyjnej, OKI pomyślnie opracowało 124-warstwową technologię PCB o grubości płytki 7,6 mm.

Tradycyjne projekty PCB osiągały granice mechaniczne i termiczne na długo przed osiągnięciem 100 warstw z powodu trudności przepływu żywicy, zapadania się czy wyzwań związanych z komunikacją między warstwami. Do tej pory przekroczenie 108 warstw oznaczało jednocześnie akceptację większej grubości płytek lub obniżonej niezawodności. Rozwiązanie opracowane przez OKI umożliwia osiągnięcie unikalnej gęstości sygnału i połączeń pionowych, co jest szczególnie cenne w przypadku testowania pamięci HBM nowych generacji, stosowanych w akceleratorach AI. Każda dodana warstwa pozwala projektantom przesyłać więcej sygnałów w bliskiej odległości, integrować dodatkowe płaszczyzny uziemienia i lepiej zarządzać szybkimi parami różnicowymi, wymaganymi dla protokołów takich jak PCIe Gen6 i CXL 3.0.

Zwiększanie liczby warstw PCB od dawna było ograniczone przez precyzję wyrównania, niezawodność i integralność termiczną. Zdaniem ekspertów, przełom osiągnięty przez OKI wynika nie tyle z pojedynczego odkrycia, co z całego szeregu udoskonaleń. Kluczem do sukcesu jest zastosowanie ultracienkich materiałów dielektrycznych, o grubości zaledwie 25 µm na warstwę, o niskich stratach dostosowanych do częstotliwości przekraczających 112 GHz. Materiały te (prawdopodobnie zastosowano Megtron 7) umożliwiają ścisłą kontrolę impedancji (±5%), polepszając jednocześnie przewodnictwo cieplne, mające kluczowe znaczenie dla układów AI o dużej mocy.

124-warstwowa konfiguracja może otworzyć nowe możliwości w testach półprzewodników AI, gdzie inspekcja ułożonych w stos płytek krzemowych poszczególnych komponentów HBM wymaga precyzji, szybkości i integralności sygnału. Każda dodatkowa warstwa zwiększa możliwości trasowania i potencjał ekranowania. W serwerach AI płytki OKI o wysokiej ilości warstw obsługują zintegrowane płaszczyzny uziemienia i układy mikroprzelotek, które minimalizują przesłuchy i utratę sygnału, jednocześnie poprawiając rozpraszanie ciepła. Takie możliwości sprawiają, że technologia ta jest również atrakcyjna dla zastosowań w lotnictwie i obronności.

Ogromna złożoność opisywanego PCB naturalnie wiąże się z ogromnymi kosztami. Każdy metr kwadratowy 124-warstwowej płytki PCB firmy OKI wymaga użycia materiałów o wartości przekraczającej 4800 USD, czas produkcji wynosi ponad 16 tygodni, a wskaźniki wydajności oscylują wokół 65% (dla porównania: wskaźnik ten w przypadku 108 warstw wynosi 85%). Podobnie jak w przypadku większości najnowocześniejszych technologii, obecne zastosowania ograniczają się więc do niszowych, wysoko wydajnych aplikacji, jednak jak każda nowość, także i ta będzie się w przyszłości rozpowszechniać. Z drugiej strony, postęp w produkcji addytywnej i narzędziach EDA opartych na sztucznej inteligencji mogą ostatecznie umożliwić podobną wydajność przy mniejszej liczbie warstw lub niższych kosztach. Chociaż 124-warstwowa płytka drukowana OKI nie pobiła światowego rekordu 129 warstw, ustanowionego przez Denso w 2012 roku, to wyróżnia się jednak praktyczną użytecznością. Dzięki zachowaniu ograniczonej grubości płytki i zapewnieniu możliwości produkcji, osiągnięcie OKI może pomóc w zniwelowaniu luki między teoretycznymi ograniczeniami a skalowalną produkcją.

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 11 września 2025. Zapisz się tutaj!