英伟达评估PTFE用于Rubin Ultra交换板：混合方案降低制造难度

AI服务器的军备竞赛，如今已经打到了PCB材料这一层。

英伟达正在评估把PTFE（聚四氟乙烯）用在下一代AI服务器的高速PCB上，可能的落点是Rubin Ultra的NVSwitch交换板，据报道。PTFE这名字听着生僻，换个说法就熟悉了：特氟龙，不粘锅涂层用的就是它。英伟达看中的当然不是不粘，而是它在传输高频高速信号时损耗低。

Rubin Ultra的材料路线最近又有了新变化。SemiAnalysis在8月20日发布《PTFE Pushing Copper Further》，文中称英伟达仍打算在NVSwitch板上用PTFE，但方案已不是此前市场上炒得很热的"全面取代玻纤布"，而是PTFE Core + M9 Prepreg的混合架构。

从全面替代退到混合，说明难点不只在材料性能。信号损耗要降下来，高多层PCB还得做得出来、量得起来，这才是这条路真正要过的坎。

为什么要用特氟龙？

GPU集群规模一路扩张，卡与卡之间要搬运的数据量随之暴涨，NVLink这类高速互连的速率也水涨船高。算力再强，只要数据在GPU、交换芯片和其他硬件之间传得不稳，整机效率照样提不起来。速率一旦来到单通道200Gbps，PCB走线上的信号损耗就再也不能视而不见了。

频率到底有多高？200Gbps通道一般用PAM4调制，奈奎斯特频率在50GHz上下。信号频率越高，PCB上的损耗就越大，板材的选择也就越关键。

PCB上的损耗大致分两块。其一是导体损耗：频率一高，电流就往铜线表层挤，也就是趋肤效应，50GHz时趋肤深度只剩零点几微米，铜箔表面的粗糙程度因此直接左右损耗大小，低粗糙度铜箔（HVLP）这几年被看重，原因就在这里。其二是介质损耗：包裹铜线的绝缘介质会吞掉一部分电磁能量，频率越高吞得越多。AI服务器的PCB走线越铺越复杂，层数越堆越多，信号需要经过的路径也越拉越长，板材的电气性能自然成了设计阶段躲不开的一个变量。

高速覆铜板这些年的演进方向很明确，就是往低介电常数、低介电损耗上靠：最早是传统环氧树脂，之后有PPO/PPE、Hydrocarbon，再到M8、M9这类高端材料，图的无非是让高速信号跑得更顺畅。PTFE之所以被盯上，在于它在低损耗方面的优势更为突出。

SemiAnalysis给的数据是，PTFE在10GHz下的介电常数Dk约2.1，介电损耗因子Df约0.0003，比一般的PPO/PPE和Hydrocarbon树脂都低。Dk反映材料对电场的响应程度，Df反映电磁能量在介质里损耗了多少。对高速PCB来说，Df越低，信号传出去之后剩下的能量就越多。需要补一句，这是10GHz下的数据，而实际工作频段高得多。PTFE的一个特点是Df随频率变化很小，到了几十GHz仍然保持在很低的水平，所以高频段的优势只会比10GHz下更明显。

玻纤布是PTFE另一个吸引人的地方。常规PCB基材由树脂加玻纤布构成，玻纤与树脂的介电常数并不相同，加上玻纤编织本身不均匀，信号走线是压在玻纤束上还是落在树脂区，局部Dk就会有差别，这便是玻纤效应。差分对的两根线若途经区域不一致，传播速度就会产生差异，进而带来时序偏差（skew），速率越高越棘手。PTFE核心层的玻纤含量很低，甚至完全不含玻纤，这类问题天然就轻得多。市场此前传出"全面替代玻纤布"的说法，动机并不只是低Df。

英伟达打算把PTFE用在NVSwitch板上，道理也在这里。Rubin Ultra要再扩大GPU互连规模，交换芯片得吞吐海量数据，交换板和中板要跑的速率也更高。Wccftech提到，部分高端PCB的层数已突破70层，即使用上顶级的M9，也未必扛得住未来的信号要求。现有材料体系不见得够用，那就只能去找介电损耗更低的材料。

难在制造

PTFE的电气性能倒不是最大的问题，麻烦在制造。

此前市面上流传Rubin Ultra可能拿PTFE把玻纤布全面替掉，这种说法漏掉了一个很实际的问题：材料电气性能再出色，也得闯过钻孔、压合、电镀这几道工序，最终做成一块靠得住的多层板。

PTFE化学性质非常稳定，表面能低，很难和别的材料粘在一起。这让它成了很好的低损耗介质，也让PCB厂头疼。

先看钻孔。PTFE质地偏软，又属于热塑性材料，钻头一摩擦、一发热，材料就容易软化，孔壁残留和毛边随之出现。如果材料里还掺了玻纤或其他填料，软硬不均，钻孔难度更大，孔壁质量和尺寸精度都会打折扣。高多层板还得做背钻，把通孔里多余的那截铜柱（stub）钻掉，省得它在高频下引起信号反射。背钻对深度和位置的精密度要求极高，钻孔质量一旦不稳，背钻也会被牵连。

孔钻完，金属化环节更棘手。传统PCB钻孔之后要除胶渣、化学沉铜、电镀，才能把各层可靠连通。可PTFE表面过于稳定，普通PCB常用的高锰酸盐除胶渣工艺基本奈何不了它，铜也很难直接附着上去。厂商只能借助特殊化学处理或等离子体处理来活化表面，把表面能提上去，铜层才附得牢一些。

接着是多层压合。PTFE熔点约在327°C，比环氧体系惯用的压合温度高出不少，加工条件相差悬殊，不同材料混在同一块板里，压合工艺就得重新摸索。PTFE与其他材料之间的粘接本身也不好办，一般要靠专门的粘结片来过渡。再者，PTFE偏软，受力会慢慢变形（冷流），压合时的压力和厚度控制难度也跟着上升。

热膨胀同样是个麻烦。纯PTFE的Z轴热膨胀系数很高，远高于铜的约17ppm/°C，掺入填料后能降下来一些，但差距仍在。高温压合以及反复热循环的过程中，层间尺寸变化会波及通孔可靠性，严重时还会让铜层疲劳开裂。板子越厚、层数越多，这一现象就越明显。

这些问题在普通高频PCB上就不好解决，放到几十层、要长期稳定运行的AI服务器交换板上，只会更难。

所以SemiAnalysis披露的混合方案看起来更合理。和之前传的全无玻纤方案不同，PTFE Core + M9 Prepreg只在部分核心层用PTFE，其他层还是M9级别的半固化片。PTFE负责压低关键高速信号路径上的介质损耗，M9提供机械支撑，加工工艺也相对成熟，整板的制造难度就降下来了。

高多层PCB并非每一层都扛一样的高速传输压力。关键层用PTFE压住损耗，其余层交给成熟度更高的M9，PTFE的电气优势用上了，整板全用PTFE的制造难题也绕开了。不过混合叠构也有代价：两种材料的热膨胀和收缩对不上，叠构设计一旦不对称，板子就容易翘曲，设计阶段得专门管住这一点。

这么看，Rubin Ultra材料路线这回的调整，与其说PTFE方案退了步，不如说思路变务实了：不再追求整板只用一种材料，而是照各层的功能和信号要求来配。

把铜互连再往前推一把

PTFE的分量不止于换一种PCB材料。SemiAnalysis给报告起名《PTFE Pushing Copper Further》，背后更大的产业逻辑已经点明：光互连在往前赶，行业却仍想让铜互连的使用范围尽量延长。

AI集群内部的互连正在起变化。GPU越堆越多、集群规模越来越大，传统铜连接在传输距离、信号损耗和带宽上越来越吃紧，光互连因此受到重视，CPO也被视为未来高速互连的重要方向。

但铜和光并不是谁替掉谁的关系。

英伟达公布的Vera Rubin Ultra NVL576系统，把8个机架整合成一个576 GPU的NVLink Domain，每个机架配72颗Rubin Ultra GPU，铜连接和直接光学连接在里面都有。未来的AI Scale-up网络看来不会只依赖一种传输技术，而是按距离、带宽和功耗需求，让铜和光各干各的活。

短距离连接上，铜在成本、功耗和制造成熟度上依旧占优。只要信号损耗还能往下压，铜的速率就还有往上走的空间。PTFE的价值正在这里：它不取代光互连，而是把PCB的介质性能做上去，让高速电信号在铜线路里走得更远、更稳。

PTFE、M9/M10、Low-Dk玻纤、Q布、低粗糙度铜箔，材料体系各不一样，奔的却是同一个目标：把高速信号传输中的损耗降下来。前面说的介质损耗和导体损耗，正好对应这两类材料：PTFE、M9/M10、Low-Dk玻纤和Q布压的是介质损耗，低粗糙度铜箔压的是导体损耗。

这也说明，高端PCB未来的材料之争，多半不会由某一种材料说了算，而是按板卡类型和各层信号要求搭配着上。高速交换板和中板可能多出一个PTFE的选项，其他计算板和通用高速PCB，成熟的低损耗材料照样有位置。

当然，PTFE能不能真进Rubin Ultra的量产设计，最终验证还没到。光电气性能好不够，钻孔、压合、金属化、热循环可靠性和整体良率，样样都得过关。

从GPU、HBM到交换芯片，再到眼下的PCB基材，AI基础设施的升级一路往更底层挖。英伟达盯上特氟龙，表面看是找一种新的低损耗材料，实际是在为下一代高速互连多争取一些空间。芯片之间传数据越来越关键，连承载数据的电路板也卷进了技术竞争。