HDI PCB 보드 - AI Server PCB

AI 서버 PCB는 인공 지능 컴퓨팅 워크로드에 필요한 프로세서, 메모리, 가속기 및 전력 관리 시스템을 연결하고 지원하는 기본 전자 플랫폼 역할을 합니다. AI 서버 내에서 PCB 설계는 GPU/TPU 클러스터 및 대규모 데이터 처리 요구 사항을 충족하기 위해 고속 신호 전송, 고전력 밀도 및 열 관리를 해결합니다.

AI 서버에는 주로 세 가지 핵심 PCB 제품군이 적용됩니다: GPU 기판은 일반적으로 20층을 초과하는 고층 보드를 사용하며, 소형 AI 가속기 모듈은 고밀도 상호 연결을 위해 주로 4~5층 HDI에 의존합니다. 반면 전통적인 CPU 메인보드는 기초적인 지원 구조를 형성합니다. AI 서버가 반복적 업그레이드를 거치면서 GPU 메인보드는 점차 HDI 구조로 전환되고 있습니다. 이 추세로 인해 고급 HDI는 향후 5년간 AI 서버 PCB 시장에서 가장 빠르게 성장하는 부문으로 자리매김할 것이며, 특히 4층 이상 제품에 대한 수요가 시급합니다.

서버 내부에서 PCB는 주로 가속기 보드, 메인보드, 전원 공급 백플레인, 하드 드라이브 백플레인, 네트워크 인터페이스 카드, 라이저 카드 등의 부품에 배치됩니다. 핵심 특성으로는 높은 레이어 수, 높은 종횡비, 높은 밀도, 높은 전송 속도가 나타납니다. 서버 플랫폼이 지속적으로 반복되고 업그레이드됨에 따라 PCB 레이어 수는 계속 증가하여 재료, 설계 및 제조 공정에 대한 요구 사항이 더욱 높아지고 있습니다.

AI 서버 PCB의 공급 관계는 크게 세 가지로 구분됩니다:

① GPU 보드 어셈블리는 GPU 제조사가 전적으로 설계하므로, PCB 공급 체계도 GPU 제조사가 주도합니다.

② CPU 보드 어셈블리는 기존 서버 제조사의 공급망 관계를 따릅니다. CPU 캐리어 보드는 CPU 설계사가 결정하며, 전체 시스템용 CPU 템플릿 및 확장 카드 보드는 최종 고객사가 지정합니다. 대부분의 다른 칩 장착 PCB의 경우, 고객이 기능 부품 제조업체에 설계 요구사항을 제시하면 해당 업체가 독립적으로 PCB 조달을 결정합니다.

③ 액세서리: 액세서리는 일반적으로 고객이 기존 모듈 제조업체로부터 직접 구매합니다. 일부 시나리오에서는 고객이 액세서리 모듈 공급업체에 특정 설계 요구사항을 제안할 수 있으나, 이는 모듈 공급업체의 PCB 조달 결정 자율성에 영향을 미치지 않습니다.

AI 서버 전원 공급 장치 업그레이드 과정에서 PCB는 재료, 공정 및 기타 측면에서 개선을 거칩니다. 전자 부품의 캐리어 역할을 하는 서버 전원 공급 장치 내 PCB는 전원 스위치, 전원 필터, 전압 조정기, 방열판 등의 모듈에 활용됩니다. 일반 서버에 비해 AI 서버 전원 공급 장치의 PCB는 재료, 제조 기술 및 기술 측면에서 업그레이드된 특징을 보입니다.

1) 높은 전류 수용을 위한 구리 두께 증가: PCB 상호 연결은 기판상의 순수 구리 트레이스에 의존합니다. 두꺼운 구리 포일은 더 높은 전류 수용 능력을 가능하게 합니다. 구리 포일은 PCB 상류 원자재의 약 9%를 차지하는 반면, 구리 도금 라미네이트 재료는 30% 이상을 구성합니다. 구리 포일은 또한 구리 도금 라미네이트의 주요 원자재로, 그 비용의 약 40%를 차지합니다. 동박 두께 증가는 동시에 적층 전처리제(prepreg) 삽입, 드릴링, 전기도금 등의 공정 요구 수준을 높여 PCB 제품 가치를 크게 향상시킵니다.

2) 전력 밀도 향상을 위한 파워 모듈 내장: PCB 내장형 파워 모듈 기술은 막대한 성능 잠재력을 지닙니다. 기존 패키징 방식 대비 PCB 내장형 파워 모듈은 반도체당 전류 전달 용량을 약 40% 증가시키거나, 동일 전류 출력 시 반도체 사용량을 1/3로 줄일 수 있습니다. 동일 전력 출력 조건에서 파워 모듈의 재료비는 20% 감소할 것으로 예상됩니다. 인버터의 전체 스위칭 손실은 기존 인버터 제품 대비 1/3 수준으로 감소합니다. 결과적으로 스위칭 주파수 증가로 인한 스위칭 손실 증가는 기존 인버터 대비 2/3 감소합니다.

3) 열 관리에는 우수한 열전도성 소재를 적용: PCB 기판 소재의 높은 열전도성은 방열 성능을 향상시킵니다. 일반적으로 수지는 열전도성이 낮은 반면, 구리 포일 트레이스와 비아는 우수한 열전도체 역할을 합니다. 따라서 주요 열 관리 전략으로는 구리 잔류율 증가, 열 비아 수 증대 및 내부 구리 두께 강화, 구리 블록 또는 세라믹 플레이트 내장 등이 있습니다. 동시에 합리적인 배선 설계로 PCB 상의 핫스팟 집중을 방지합니다.

AI 서버 PCB가 직면한 주요 장애물:

고속 신호 무결성 문제: AI 서버는 고속 상호 연결 기능(PCIe 5.0/6.0, CXL, HBM 인터페이스 등)이 필요합니다. PCB 상에서 고속 차동 신호 전송 시 크로스톡, 반사, 지연, 손실 등의 문제가 쉽게 발생합니다. 게다가 PCB 레이어 수가 증가하고 라우팅 밀도가 높아질수록 신호 무결성을 유지하고 낮은 지연 시간을 보장하는 것이 점점 더 어려워집니다.

과도한 재료 및 제조 비용: AI 서버 PCB는 일반적으로 낮은 유전율(Dk)과 낮은 손실 계수(Df)를 가진 고속 재료 또는 하이브리드 재료와 같은 고성능 기판을 필요로 합니다. 또한 초고층(20층 이상) 설계를 요구하며 정밀 HDI 및 블라인드/매립 비아 공정을 적용합니다. 이는 제조 비용을 크게 증가시킬 뿐만 아니라 수율 보장도 어렵게 만들어 대규모 배포 시 비용 효율성을 제한합니다.

산업 발전 기회:

고속 상호 연결 수요에 따른 기회: 고속 컴퓨팅 및 대역폭이 큰 데이터 전송을 달성하기 위해 AI 서버는 PCB에 대한 요구 사항을 높입니다. 여기에는 다층 설계, 우수한 고속 신호 무결성, 초저 유전율(Dk) 및 저손실 계수(Df)를 특징으로 하는 고주파 고속 기판과 같은 저손실 재료의 사용이 포함됩니다. 이는 HDI, 기판형 패키지(SLP), 수정된 반적층 공정(mSAP), 임의층 상호연결 PCB 등 고급 PCB의 성장 기회를 제시합니다.

신호 무결성과 비용 문제에도 불구하고, 고속 상호 연결 수요와 전원 공급 기술 업그레이드로 AI 서버 PCB 개발이 가속화되고 있습니다. 이는 첨단 제품의 시장 침투를 촉진하며, 향후 성능과 비용 균형을 통해 시장 점유율 확대 가능성이 전망됩니다.