כשמסתכלים על כרטיס גרפי מודרני רואים קודם את הקירור או את התאורה. אבל הכוכב האמיתי הוא לוח המעגלים המודפס (PCB) – החלק שמחזיק, מזין ומחבר את כל הרכיבים הקריטיים. במאמר הזה נפרק מה הופך את ה-PCB של כרטיס גרפי למיוחד ולמה הוא כה מורכב, וכיצד החלטות תכנון לגבי שכבות, עכבה (Impedance), הרכבת BGA ותכנון תרמי משפיעות על הביצועים.
מהו Graphics Card PCB?
לוח ה-PCB בכרטיס הגרפי מחבר בין ה-GPU, שבבי הזיכרון, מעגלי ההספק וכל שאר הרכיבים. זה הרבה מעבר לסיבי זכוכית עם מוליכים מנחושת: זו פלטפורמה רב-שכבתית וצפופה למעבר נתונים מהיר במיוחד ולאספקת כוח מדויקת — אפשר לחשוב עליו כעל רשת כבישים, רשת חשמל וייסודות הבניין בחתיכה אחת.
האזוריים העיקריים על ה-PCB של הכרטיס:
- אזור ה-GPU (חבילת BGA): המעבד הגרפי מולחם דרך רשת כדורי בדיל.
- אזור הזיכרון (VRAM/GDDR): שבבי הזיכרון, לרוב סביב ה-GPU.
- אזור ה-VRM (Voltage Regulator Module): MOSFETs, סלילים וקבלים לאספקת מתח יציבה.
- שפת ה-PCIe (“Golden Fingers”): החיבור ללוח האם.
- יציאות תצוגה: HDMI / DisplayPort / DVI.
- חיישנים ובקרה: מדידת מתחים/טמפרטורות ובקרת מאווררים.
הבדל בין ה-PCB לכרטיס המלא:
ה-PCB הוא הלוח האלקטרוני עצמו; ה“כרטיס הגרפי” כולל בנוסף גוף קירור, מאווררים, מעטפת ולעיתים גם גבית מתכת (Backplate). ה-PCB הוא הבסיס שעליו הכול יושב.
למה כל כך הרבה שכבות? Stack-up מסוג HDI
בניגוד למכשירים פשוטים, לוחות של כרטיסים גרפיים הם רב-שכבתיים ולעיתים בטכנולוגיית HDI (High-Density Interconnect). בכרטיסי High-End ניתן למצוא 8–14 שכבות נחושת ואף יותר, המופרדות בדיאלקטריים.
למה צריך הרבה שכבות?
- ניתוב אותות: PCIe, GDDR ואותות מהירים אחרים דורשים שכבות ייעודיות ומישורי ייחוס (GND) רציפים כדי לצמצם השראות והפרעות.
- אספקת כוח: משטחי נחושת רחבים ושכבות מתח/אדמה נפרדות ל-GPU ולזיכרון מבטיחים יציבות.
- צפיפות: המון רכיבים וקשרים — שכבות פנימיות מוסיפות “נדל״ן” לניתוב.
- EMI: שכבות נוספות מסייעות בסיכוך ובהתמודדות עם קרינה אלקטרומגנטית.
טכניקות HDI נפוצות:
- Microvias (מיקרו-ויה): חורים זעירים בקדיחת לייזר שמחברים שתי שכבות סמוכות או שלוש.
- Blind/Buried Vias (ויות עיוורות/קבורות): חורים שמחברים חלק מהשכבות בלבד וחוסכים מקום.
- Backdrilling (קידוח נגדי): הסרת “זנב” הויה שאינו בשימוש לשיפור שלמות האות בתדרים גבוהים מאוד.
שליטת עכבה (Impedance) וניתוב במהירות גבוהה
כאשר אותות נעים במהירויות גיגה-הרץ (PCIe Gen4/5, GDDR6), גם חוסר התאמה קטן גורם לשגיאות. לכן שליטה בעכבה וניתוב חכם הם חובה.
מהי עכבה?
עכבה (Ω) מתארת את התנגדות מסלול ה-PCB למעבר אותות מהירים. זוגות דיפרנציאליים (כמו נתיבי PCIe או GDDR) מתוכננים לעכבת יעד — בדרך כלל 85Ω או 100Ω. סטייה גדולה מעכבת היעד גורמת להחזרות, לטשטוש חזיתות ולבעיות שלמות אות.
איך שולטים בעכבה?
- רוחב/מרווח המוליך: משפיעים ישירות על העכבה.
- עובי הדיאלקטרי: המרחק למישור הייחוס (GND) קריטי.
- חומרי גלם יציבים: FR-4 בעל Tg גבוה או חומרים בעלי אובדן נמוך משפרים עקביות.
- Stack-up נכון: מישור אדמה רציף תחת כל שכבת אות.
חוקי ניתוב מהיר:
- שמירת זוגות דיפרנציאליים צמודים ומקבילים; השוואת אורכים בתוך האשכול.
- צמצום מספר הויות, פניות חדות והפסקות במישור הייחוס.
הרכבת BGA: האתגר של GPU ו-GDDR
ה-GPU ושבבי הזיכרון משתמשים בחבילות BGA — מאות/אלפי כדורי בדיל שמחברים את השבב ללוח.
למה BGA?
- צפיפות חיבורים עצומה בשטח קטן.
- חיבורים קצרים יותר = רעש חשמלי נמוך וביצועים טובים יותר.
אתגרי הייצור:
- תכנון פדים: לרוב משתמשים ב-NSMD (Non-Solder Mask Defined) עבור BGA כדי לקבל הלחמות אמינות (קיימת גם אפשרות SMD).
- הלחמה ותהליך Reflow: כל הלוח מחומם בתנור. אם הלוח אינו שטוח או פרופיל החום לא מדויק — נוצרות אי-התחברויות או חללים (Voids) בכדורי הבדיל.
- בקרת חללים: עודף חללים (לרוב מעל 25% משטח הכדור) מחליש את ההלחמה. קווי ייצור מתקדמים מכוונים ל-<10%, ולעיתים <5%, ונבדקים ב-X-Ray.
- עיוות (Warpage): לוחות עבים/לא סימטריים עלולים להתעקם בתהליך וליצור “הלחמות קרות”.
אספקת כוח ותכנון תרמי של VRM
כרטיסים מודרניים עשויים לצרוך מאות וואטים. לכן על VRM לספק זרמים גבוהים ביעילות ולהעביר חום החוצה.
עקרונות PCB חשובים ב-VRM:
- פריסת רכיבים: MOSFETs, סלילים ו-MLCC כך שמסלולי הזרם קצרים והפרזיטים נמוכים.
- עובי נחושת: 2oz ואף יותר לשינוע זרם ולפיזור חום.
- ויות תרמיות (Thermal Vias): מערכים צפופים (לעיתים via-in-pad) שמעבירים חום לצד השני של הלוח.
- מגע עם Backplate: שימוש בפד תרמי בין ה-PCB לגבית אלומיניום לשיפור הפיזור.
אם ה-VRM מתחמם — מתקבל Throttling ואף קריסות. תכנון PCB נכון הוא קו ההגנה הראשון, עוד לפני גוף הקירור.
אמינות מכנית ובדיקות
הלוח חייב לשרוד לחץ הברגת הקירור, שינויי טמפרטורה ומשיכת מחבר ה-PCIe. אמינות מושגת באמצעות בחירת חומרים, עובי לוח ומיקום מחוכם של חורי העיגון.
בדיקות לפני משלוח:
- AOI (בדיקה אופטית אוטומטית) לזיהוי הלחמות/רכיבים בעייתיים.
- בדיקה חשמלית (Flying Probe / Bed of Nails) לאימות כל המוליכים.
- בדיקת X-Ray — במיוחד לחיבורי BGA נסתרים.
- בדיקה פונקציונלית — הפעלה מלאה של ה-GPU עם נתונים אמיתיים.
שאלות נפוצות
1) כמה שכבות יש בדרך כלל ל-PCB של כרטיס גרפי?
בכרטיסי High-End מקובל 8–14 שכבות ואף יותר. שכבות נוספות מאפשרות ניתוב טוב יותר, אספקת כוח יציבה ושליטה ב-EMI.
2) מה ההבדל בין GPU PCB לכרטיס מלא?
ה-PCB הוא הלוח והרכיבים. הכרטיס המלא כולל גם קירור, מעטפת, גבית ויציאות וידאו.
3) למה שליטת עכבה חשובה?
כי אותות מהירים כמו PCIe ו-GDDR רגישים מאוד לחוסר התאמה חשמלית. עכבה לא נכונה = חוסר יציבות ותקלות.
4) מה גבולות חללים טיפוסיים ב-BGA?
בדרך כלל הגבלה של עד 25% לשטח כל כדור. קווי ייצור מובילים שואפים ל-<10% ואף <5% לאמינות ארוכת טווח.
סיכום
לוחות ה-PCB של כרטיסי מסך הם יצירות הנדסיות מרשימות: הם צריכים להתמודד עם הספק גבוה, נתונים מהירים מאוד ומאמצים מכניים — וכל זה במארז קומפקטי ואמין. ליינאפ שכבות נכון, שליטת עכבה, הלחמות BGA איכותיות ותכנון תרמי הם עמודי התווך של הביצועים. בפעם הבאה שתתרשם מ-GPU חזק, זכור: ה-PCB שמתחת למכסה הוא זה שמחזיק הכול יחד.
רוצה להעמיק בהנדסת PCB או להזמין אבות-טיפוס HDI והרכבה לתכנון שלך? צוות FastTurnPCB ישמח לסייע במומחיות מקומית.
