Nvidias Vorstoß bei PTFE löst Wettbewerb um Materialien für KI-Leiterplatten aus

Ein bekanntes Antihaftmaterial steigt ins Rennen um KI-Hardware ein

Nvidias Suche nach schnelleren Verbindungen innerhalb von KI-Systemen lenkt die Aufmerksamkeit auf Polytetrafluorethylen (PTFE), das vor allem unter dem Markennamen Teflon bekannt ist. Der Vorteil liegt in seinen elektrischen Eigenschaften: PTFE kann dazu beitragen, dass Signale über eine Leiterplatte laufen und dabei weniger Energie verlieren als bei herkömmlichen Isoliermaterialien.

Die Herausforderung besteht darin, diesen Vorteil in zuverlässige Leiterplatten mit Dutzenden Lagen umzusetzen. PTFE haftet schlecht an anderen Materialien, ist relativ weich und schwierig zu verarbeiten. Diese Eigenschaften führen dazu, dass die Hersteller zwischen Zurückhaltung und Investitionen abwägen. Chinesische Zulieferer verfolgen die Chancen, während taiwanische Unternehmen konkurrierende Materialien und Fertigungskosten gegeneinander abwägen.

Nvidia zeigte Anfang Oktober auf einem Gipfel des Open Compute Project eine neue NVLink-Switch-Platine, bei der Branchenvertretern zufolge PTFE zum Einsatz kommen könnte. Mögliche Anwendungen sind Switches für Rubin Ultra und künftige orthogonale Midplanes – Verbindungsplatinen, die andere, im rechten Winkel angeordnete Platinen miteinander verbinden. Ein bestätigter Produktionszeitplan und endgültige Materialspezifikationen wurden nicht veröffentlicht.

Der Wettbewerb dreht sich um mehr als nur ein Harz. Kupferfolie, Glasfasergewebe, Pressanlagen und Fabrikkapazitäten sind gleichermaßen knapp, da KI-Server komplexere Leiterplatten erfordern. Kunden bemühen sich um Kapazitätszusagen für den Zeitraum von 2027 bis 2030, während die Lieferung mancher Anlagen bis zu 30 Monate dauern kann.

Warum Nvidia Signale über größere Entfernungen übertragen will

KI-Prozessoren müssen riesige Datenmengen austauschen, um zusammenzuarbeiten. Eine Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) trägt Bauteile und stellt Wege für elektrische Signale und die Stromversorgung bereit. Nähert sich die Übertragungsgeschwindigkeit 200 Gigabit pro Sekunde und Spur, wird es zunehmend schwieriger, die Signale intakt zu halten.

PTFE weist sehr geringe dielektrische Verluste auf. Das bedeutet, dass das Isoliermaterial rund um eine Kupferleitung weniger Signalenergie aufnimmt. Das Material wird bereits in anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt, darunter militärische Radarsysteme, Satelliten und Radarsysteme für fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme. Seine Verwendung auf komplexen Leiterplatten für KI-Server auszuweiten, würde diesen elektrischen Vorteil mit einer deutlich größeren fertigungstechnischen Herausforderung verbinden.

Nvidia will den schnellen Signalaustausch direkt über Leiterplatten ermöglichen und damit möglicherweise einige komplexe Kupferkabelverbindungen ersetzen, heißt es aus Branchenkreisen. Längere Kupferleitungen stellen höhere Anforderungen an das umgebende Material, weil sich die Signalverluste mit der Übertragungsstrecke summieren.

Eine weitere Möglichkeit für schnellere Kommunikation sind Co-Packaged-Optics, bei denen optische Verbindungen nahe an Rechen- oder Switch-Chips herangeführt werden. Solange diese Technologie für die diskutierten Anwendungen noch nicht bereit ist, bietet eine Verbesserung des Leiterplattenmaterials eine kurzfristigere Konstruktionsoption. Entscheidend ist, ob die Hersteller die geforderte elektrische Leistung zu vertretbaren Kosten und in ausreichender Stückzahl liefern können.

Was einer Pfanne hilft, macht Leiterplatten komplizierter

Mit Kupfer beschichtetes Laminat (Copper Clad Laminate, CCL) ist ein grundlegender Werkstoff für Leiterplatten. Es besteht typischerweise aus Kupferfolie, Harz und Glasfaserverstärkung. Die Hersteller verarbeiten und verbinden diese Materialien zu einem mehrlagigen Aufbau, der die elektrischen Verbindungen eines Servers trägt.

Herkömmliche Harzsysteme, darunter Epoxid-, Polyphenylenoxid- und Kohlenwasserstoffharze, können sich beim Erhitzen verbinden und nach dem Aushärten verfestigen. Dadurch sind die anschließenden Schritte wie Bohren, Galvanisieren und Montage vergleichsweise gut zu handhaben. PTFE haftet jedoch schlecht, was die Fertigung erschwert: Die Lagen müssen während der Herstellung und im Betrieb fest miteinander verbunden bleiben.

Außerdem ist PTFE nicht steif genug, um allein in den dicken, komplexen Leiterplatten von KI-Servern eingesetzt zu werden. Die Hersteller erwägen deshalb in der Regel Hybridaufbauten, die PTFE mit steiferen Materialien kombinieren. So soll das verlustärmste Material dort eingesetzt werden, wo es für die Signale am wichtigsten ist, während andere Bereiche die mechanische Festigkeit gewährleisten.

Die Verarbeitung kann erhebliche Änderungen in den Fabriken erfordern. Branchenangaben zufolge liegt die Laminierungstemperatur bei manchen mehrlagigen PTFE-Leiterplatten bei etwa 300 Grad Celsius. Herkömmlichen PCB-Fertigungslinien fehlt möglicherweise die geeignete Ausrüstung. Ein Materialwechsel kann daher neue Maschinen, angepasste Verfahren und Änderungen bei mehreren Zulieferern erforderlich machen.

Taiwans Zurückhaltung trifft auf Chinas Investitionen

Unimicron-Verwaltungsratschef Tung Ting-yu sagte, Nvidia habe sich bereits vor drei Jahren an das Unternehmen gewandt, um über die Entwicklung von PTFE zu sprechen. Seiner Darstellung zufolge war Nvidias anfängliches Interesse teilweise eine Reaktion auf den Mangel an fortschrittlichen Laminaten. Er äußerte Zweifel daran, dass PTFE zu einem gängigen Leiterplattenmaterial wird.

Pu Deyu, Leiter der Auslands- und Telekommunikationsforschung bei GF Securities, beurteilt die Lage anders. Seiner Ansicht nach ergibt sich der Bedarf aus dem Produktdesign: Selbst fortschrittliches M9-Material könnte bei Leiterplatten mit mehr als 70 Lagen Schwierigkeiten haben, eine ausreichende Übertragungsleistung zu bieten. Zudem erwartet er, dass künftige Rechenanwendungen im Weltraum die Nachfrage nach PTFE verstärken.

Den Branchenangaben zufolge stammen die Hersteller, die mit Nvidias PTFE-Arbeiten in Verbindung gebracht werden, überwiegend aus China. Eine Ausnahme ist ein US-amerikanischer Leiterplattenhersteller. Dazu gehören der Laminatlieferant Shengyi Technology und der Leiterplattenhersteller Victory Giant Technology, der erheblich in für Nvidia vorgesehene Anlagen investiert hat.

Zu den börsennotierten taiwanischen Unternehmen, die sich beteiligen, zählen Taiflex, ein Hersteller flexibler kupferkaschierter Laminate, und der Leiterplattenhersteller Flexium. Keines der beiden Unternehmen ist ein führender Anbieter von Leiterplatten für KI-Server. Ihre Beteiligung zeigt, dass die Chancen über die etablierten Hersteller starrer Serverplatinen hinausreichen, auch wenn die industrielle Fertigung in großem Maßstab eine zentrale Herausforderung bleibt.

Taiflex und E Ink bereiten den Weg zur Fertigung vor

Der Verwaltungsrat von Taiflex stimmte am 28. Oktober einer Absichtserklärung mit E Ink zur Entwicklung von PTFE-Materialien zu. Der Plan sieht vor, Taiflex-Materialien mit der Versuchsfertigung und Prüfung an den taiwanischen Standorten von E Ink in Hsinchu und Guanyin zu kombinieren.

Taiflex soll Schlüsselmaterialien bereitstellen und PTFE-Laminat für eine schnelle Signalübertragung entwickeln. E Ink soll seine Materialforschung, Oberflächenbehandlung und Fertigungssteuerung einbringen. Die Oberflächenbehandlung ist besonders relevant, weil die geringe Haftfähigkeit des Materials die Verarbeitung erschwert.

Taiflex-Verwaltungsratschef Chen Yung-heng sagte, das Unternehmen investiere seit Jahren in kupferkaschierte Laminate und fortschrittliche Elektronikmaterialien, darunter PTFE-Technologie und -Produkte. Die geplante Zusammenarbeit verknüpft diese Entwicklungsarbeit mit Standorten, an denen sich Fertigungsprozesse erproben lassen.

Die Partnerschaft muss noch vom Verwaltungsrat von E Ink geprüft werden. Geschäftsbedingungen und Einzelheiten zur Umsetzung sind noch offen; eine spätere Auftragsfertigung hinge vom weiteren Fortschritt ab. Die beiden Standorte sind als Teststandorte vorgesehen, nicht als bestätigte Produktionsstätten für die kommerzielle PTFE-Fertigung.

E Ink und seine Materialsparte hielten zusammen zum beschriebenen Zeitpunkt rund 9 Prozent an Taiflex. E-Ink-Verwaltungsratschef Johnson Lee sagte, die Investitionen in Taiflex hätten etwa vier Jahre zuvor begonnen. Die engere Zusammenarbeit der Unternehmen entwickelte sich in mehreren Schritten:

• 2. April: Chen Yung-heng wurde Verwaltungsratschef von Taiflex.
• 27. Mai: E Ink erhielt bei einer Verwaltungsratswahl vier Sitze im Taiflex-Verwaltungsrat.
• 29. Juli: Johnson Lee wurde stellvertretender Verwaltungsratschef von Taiflex.
• 28. Oktober: Der Taiflex-Verwaltungsrat stimmte der geplanten PTFE-Zusammenarbeit zu.

Mehr Lagen bedeuten mehr Material, nicht nur mehr Aufträge

Die Nachfrage nach Laminat steigt bei KI-Servern auch deshalb, weil ihre Leiterplatten mehr Lagen haben. Herkömmliche Serverplatinen haben möglicherweise etwa 16 bis 20 Lagen, während KI-Serverplatinen inzwischen 30 bis 40 oder mehr erreichen. Der Vergleich von 20 mit 40 Lagen veranschaulicht die Veränderung: In jede Platine müssen doppelt so viele Lagen integriert werden. Der tatsächliche Materialverbrauch hängt allerdings auch von Größe und Aufbau ab.

Die Lieferzeiten für Laminat haben sich von etwa zwei bis vier Wochen auf drei Monate oder ein halbes Jahr verlängert. Manche fortschrittlichen Glasfasergewebe werden nach festen Zuteilungen geliefert. Dadurch ist die verfügbare Menge für einzelne Kunden begrenzt, selbst wenn sie mehr bestellen möchten.

Auch die Glasfaserproduktion verlangsamt sich, weil die Anforderungen steigen. Die Zulieferer verlagern Kapazitäten von herkömmlichem elektronischem Glasgewebe auf Produkte mit besseren elektrischen Eigenschaften. Der Umstieg auf dünnere Gewebe kann die Produktionskapazität nach Branchenschätzungen um 50 bis 70 Prozent verringern.

Morgan Stanley nennt vier kurzfristige Engpässe: die PTFE-Verarbeitung, die knappe Versorgung mit dünnem E-Glas, lange Lieferzeiten für EPM-Laminierpressen und Glassubstrate, die nach Einschätzung der Bank noch zwei bis drei Jahre bis zur Kommerzialisierung benötigen. Diese Engpässe betreffen unterschiedliche Produktionsstufen und erschweren es, das Angebot an fertigen Leiterplatten rasch zu erhöhen.

PTFE ist eine von mehreren Optionen im Wettbewerb um Materialien

Laut Morgan Stanley prüfen taiwanische Laminathersteller Kohlenwasserstoffharze, Mischungen aus Kohlenwasserstoffharz und PTFE sowie Benzocyclobuten, kurz BCB. Ausschlaggebend sind die elektrischen Eigenschaften, die Verarbeitbarkeit, die Kosten und die Fähigkeit, gleichbleibendes Material in großen Mengen zu liefern.

Quarzgewebe, häufig Q-Gewebe genannt, ist eine weitere Option für anspruchsvolle Anwendungen. Es hat günstige elektrische Eigenschaften, kann aber 50- bis 70-mal so viel kosten wie gewöhnliches Glasfasergewebe. Seine Härte und Sprödigkeit erschweren zudem das Bohren.

Ein Bohrer, der in einer herkömmlichen Glasfaserplatine etwa 2.000 bis 3.000 Löcher bohren kann, muss bei einer Platine aus Quarzgewebe möglicherweise schon nach rund 200 Löchern ersetzt werden. Damit schafft er bei herkömmlichem Material etwa 10- bis 15-mal so viele Löcher, bevor ein Austausch nötig ist. Das treibt die Fertigungskosten der Quarzoption erheblich in die Höhe.

Um Probleme bei der Verarbeitung zu beheben, führen Hersteller Techniken wie Pikosekundenlaser und Ultraschallbohren ein. Kunden können außerdem unterschiedliche Materialien kombinieren: Fortgeschrittenes M9- oder M10-Laminat kommt dann in anspruchsvollen Signallagen zum Einsatz, kostengünstigere Materialien an anderer Stelle.

Elite-Material-Verwaltungsratschef Tung Ting-yu sagte, M9 werde bereits in Serie gefertigt, die Produktion von M10 solle im folgenden Jahr steigen und M11 befinde sich in der Entwicklung. Auch bei der Kupferfolie gibt es Veränderungen: Glattere Oberflächen verringern die Verluste bei der Signalübertragung entlang der Kupferleitungen. Die Auswahl des Harzes ist somit nur ein Teil des elektrischen Designs.

Kunden zahlen, um sich künftige Kapazitäten zu sichern

Goldman Sachs zufolge unterstützen Kunden Kapazitätsinvestitionen für den Zeitraum von 2027 bis 2030 durch langfristige Verträge, Zuschüsse für den Ausbau, Vorauszahlungen oder Anreize. Elite Material, Zhen Ding Technology und der Kupferfolienhersteller Co-Tech haben entsprechende Anfragen erhalten. Einige Zulieferer ziehen es vor, flexibel zu bleiben, statt jede vorgeschlagene Vereinbarung anzunehmen.

Die Finanzierung spiegelt die langen Wartezeiten sowohl bei Materialien als auch bei Maschinen wider. Unimicron-Verwaltungsratschef und Strategievorstand Chien Shan-chieh sagte, die Lieferzeiten hätten sich bei rund 80 Prozent der Anlagen verlängert. Manche kritischen Maschinen benötigten bis zu 30 Monate. Für 2027 schätzt er den möglichen Fehlbedarf bei wichtigen Materialien auf 20 bis 40 Prozent.

Nvidia bemüht sich außerdem um zusätzliche Kapazitäten für Chipsubstrate, also fein verdrahtete Strukturen, die Chips mit dem übrigen System verbinden. Berichten zufolge will das Unternehmen die entsprechende Kapazität innerhalb von drei Jahren auf das 2,5-Fache des heutigen Niveaus ausbauen und hat dem japanischen Unternehmen IBIDEN Vorauszahlungen in Milliardenhöhe in US-Dollar für Kapazitäten geleistet.

Substrate und Server-Leiterplatten erfüllen unterschiedliche Aufgaben, doch beide ziehen Investitionen an, die durch den Ausbau der KI-Hardware ausgelöst werden. Kunden stellen früher Geld bereit, weil der Bau von Fabriken, die Installation von Anlagen und die Produktqualifizierung deutlich länger dauern als eine Bestellung.

Auch neue Fabriken brauchen qualifizierte Materialien

Co-Tech will 8 bis 10 Milliarden NT-Dollar in ein Werk in Malaysia investieren. Die geplante Kapazität liegt bei 30.000 Tonnen; der Schwerpunkt soll auf fortschrittlicher HVLP4-Kupferfolie liegen. HVLP5-Produkte wurden ebenfalls als Muster eingereicht. Die ersten beiden Bauphasen von Taiwan Union Technology in Thailand sollen zusammen eine monatliche Kapazität von 1,2 Millionen Laminatplatten bieten. Für eine dritte Phase wurde bereits Land reserviert.

Trotz dieser Ausbaupläne bleibt der Mangel an Rohstoffen ein großes Problem. ITEQ-Verwaltungsratschef Chen Chin-tsai bezeichnete die unzureichende Materialversorgung als größte Herausforderung des Unternehmens. Generaldirektor Tsai Hsin-min sagte, die Preise für Glasfasergewebe stiegen nahezu monatlich. Eine Entspannung bei der Versorgung sei möglicherweise erst in der zweiten Jahreshälfte 2027 oder 2028 zu erwarten.

Auch die Endkunden nehmen größeren Einfluss auf die Materialauswahl. Sobald ein Material qualifiziert ist, können sie Leiterplattenhersteller verpflichten, genau dieses Produkt zu verwenden. Die Zulieferer konkurrieren daher nicht nur mit möglichst geringen Signalverlusten, sondern auch mit gleichbleibender Qualität und reproduzierbaren Fertigungsprozessen.

Nvidias Vorstoß bei PTFE bringt diese Anforderungen zusammen. Ein Material, das schnellere Verbindungen ermöglicht, muss auch das Pressen, Bohren, Galvanisieren und die Montage über viele Lagen hinweg überstehen. Chinesische Investitionen, taiwanische Alternativen und die Partnerschaft von Taiflex sind unterschiedliche Ansätze, um dieselbe praktische Anforderung zu erfüllen: Leiterplatten zuverlässig und in großen Stückzahlen zu liefern.

Wichtige Punkte

• Nvidia prüft PTFE für anspruchsvolle KI-Verbindungen, weil das Material weniger Signalenergie verliert als herkömmliche Isoliermaterialien.
• Die geringe Haftfähigkeit, die Weichheit und die Anforderungen an die Verarbeitung erschweren die Fertigung von PTFE-Leiterplatten mit vielen Lagen.
• Chinesische Zulieferer investieren, während taiwanische Hersteller PTFE-Partnerschaften und alternative Materialien verfolgen.
• Die geplante Zusammenarbeit von Taiflex und E Ink sieht Tests an zwei Standorten in Taiwan vor. Genehmigungen und Geschäftsbedingungen stehen noch aus.
• Die Lieferzeiten für Laminat haben sich auf drei Monate oder ein halbes Jahr verlängert, während Glasfaser, Kupferfolie und Anlagen knapp sind.
• Kunden unterstützen den Kapazitätsausbau für den Zeitraum von 2027 bis 2030. Die Hersteller müssen elektrische Leistung, Kosten und zuverlässige Fertigung in Einklang bringen.