在人工智能（AI）和高性能计算（HPC）的浪潮中，行业焦点普遍集中在先进封装技术如CoWoS、Chiplet以及高密度互连（HDI）载板上。然而，当我们深入探究那些承载着数千瓦功率、处理海量数据的AI加速卡和服务器主板时，一个看似传统却至关重要的技术——THT/through-hole soldering（通孔焊接），依然扮演着无可替代的角色。作为一名专注于热界面设计与公差控制的工程师，我深知，系统的稳定性和可靠性不仅取决于最前沿的芯片互连，更依赖于那些默默承受着巨大电气和机械应力的基础组件。本文将深入剖析THT/through-hole soldering在现代AI硬件中的核心价值、技术挑战及其与先进制造工艺的融合。

为何在AI时代，THT/through-hole soldering依然不可或缺？

尽管表面贴装技术（SMT assembly）凭借其高密度和自动化优势成为主流，但在AI硬件的严苛应用场景下，THT技术提供了SMT无法比拟的三大核心优势：卓越的机械强度、强大的电流承载能力和高效的热传导路径。

1. 无与伦比的机械坚固性：AI服务器和加速卡通常配备大型、沉重的组件，如大功率连接器（如PCIe卡边缘连接器、电源输入端子）、大型电感、变压器和散热器固定支架。THT组件的引脚穿过PCB并被焊料完全包裹在孔内，形成一个极其坚固的机械锚点。这种连接方式能够承受强烈的振动、冲击和频繁插拔带来的机械应力，确保了系统在运输、安装和长期运行中的物理完整性，这是SMT焊点脆弱的剪切力结构所无法企及的。

2. 超高电流与功率处理能力：现代AI GPU的瞬时功耗可达千瓦级别，对电源分配网络（PDN）提出了极高的要求。THT引脚提供了比SMT焊盘大得多的横截面积和接触面积，能够以极低的电阻承载数百安培的电流。这对于主电源输入、电压调节模块（VRM）的输出级以及其他大电流通路的稳定性至关重要，有效降低了功率损耗和压降，保证了AI芯片在极限负载下的稳定供电。

3. 高效的散热通道：作为热界面设计工程师，我特别关注组件的散热路径。THT的金属引脚和电镀通孔（PTH）本身就是优良的热导体。对于VRM中的MOSFET、大型电感等高热量组件，THT结构不仅通过引脚将热量传导至PCB内部的电源和接地层，还能通过更大的焊点面积将热量高效地散发到空气或散热器中。这种“立体式”散热路径显著优于SMT组件仅依赖焊盘的“平面式”散热。

因此，现代AI硬件的设计并非THT与SMT的取舍，而是两者的协同。高密度的逻辑和控制部分采用SMT assembly，而高功率、高应力和高热量的部分则依赖于THT/through-hole soldering，共同构建起一个稳定、可靠的复杂电子系统。

THT在AI载板电源分配网络（PDN）中的关键作用

AI芯片对电源质量极为敏感，其特点是稳态功耗高、瞬态电流变化剧烈。一个强大的PDN是确保AI SoC稳定运行的基础，而THT技术正是构建这一基础的关键。

首先，AI加速卡的主电源输入通常通过坚固的THT连接器实现，例如12VHPWR或定制的多针电源端子。这些连接器需要承受巨大的插拔力和持续的大电流，只有THT的机械锚定能力才能保证长期可靠性。任何连接点的松动或电阻增加都可能导致灾难性的故障。

其次，在板载VRM设计中，大电流路径上的电感和输出电容通常采用THT封装。这些组件不仅体积和重量较大，而且在工作时会产生显著的电磁力和热量。THT焊接确保了它们与PCB之间牢固的电气和机械连接，防止了在高频开关和热循环下因振动或CTE（热膨胀系数）失配导致的焊点疲劳和失效。

最后，THT通孔本身在PDN设计中扮演着“垂直高速公路”的角色。在层数高达20层以上的AI主板或载板中，需要将顶层的电源组件与深埋的内部电源层和接地层以最低的电感和电阻连接起来。大量的THT过孔（Vias）阵列，特别是与THT组件引脚集成的过孔，构成了低阻抗的垂直互连，有效抑制了电压瞬变，保证了电源轨的平稳。Highleap PCB Factory (HILPCB) 在制造重铜PCB方面拥有丰富经验，能够为这些大电流THT组件提供高达6盎司甚至更厚的铜层，进一步优化PDN性能。

管理THT引入的高速信号完整性挑战

虽然THT在电源和机械方面优势明显，但在高速数字电路中，它也可能成为信号完整性（SI）的噩梦。当高速信号（如PCIe 5.0/6.0）路径必须经过THT连接器或组件时，其物理结构会引入阻抗不连续性，可能导致严重的信号反射和衰减。

主要的挑战来自于“过孔残桩”（Via Stub）。THT组件的引脚通常会贯穿整个PCB，但信号可能仅在其中几层之间传输。引脚在信号层之下未被使用的部分就形成了一个残桩，它像一个天线一样，会在特定频率上产生谐振，严重破坏信号质量。

为了应对这一挑战，必须采取先进的设计和制造技术：

• 背钻（Back Drilling）：这是最有效的解决方案。在完成THT焊接后，从PCB的另一面将过孔中多余的金属化桶（即残桩）精确地钻掉。这需要高精度的钻孔设备和严格的深度控制。HILPCB提供的高速PCB制造服务中，背钻是一项成熟的关键工艺，能够有效消除残桩对高速信号的影响。
• 优化的焊盘和反焊盘设计：通过精确计算THT引脚周围的焊盘（Pad）和隔离盘（Anti-pad）尺寸，可以控制该区域的特性阻抗，使其尽可能接近传输线的阻抗（通常为50欧姆或100欧姆），从而最大限度地减少阻抗突变。
• 信号路径规划：在布局阶段，应尽可能避免让高速差分对经过THT组件区域。如果不可避免，应确保路径最短，并进行精确的3D电磁场仿真，以预测和补偿其带来的影响。

THT组件的热管理与机械可靠性设计

从热设计的角度看，THT组件既是热源，也是散热路径，同时还是机械应力集中的焦点。一个可靠的THT焊点必须在电气、热和机械三个维度上都表现出色。

焊点的质量是核心。IPC-A-610标准对THT焊点的外观和填充度有明确规定。理想的焊点应形成一个光滑、凹形的焊角，并且焊料应填充（Wetting）通孔的75%以上（对于Class 3高可靠性产品）。不足的填充会削弱机械强度和导热能力，而过多的焊料则可能导致短路或应力集中。为了确保这一点，先进的SPI/AOI/X-Ray inspection（锡膏/自动光学/X射线检测）技术至关重要。特别是X射线检测，它能够穿透PCB，清晰地观察到通孔内部的焊料填充情况，这是评估THT焊点内部质量的唯一可靠手段。

在热循环方面，大型THT组件与其所焊接的PCB之间存在显著的CTE失配。在设备开关机或负载变化导致温度波动时，这种失配会使焊点承受反复的剪切应力，最终导致疲劳开裂。设计对策包括：

• 选择合适的焊料合金：例如，添加了微量元素的SAC（锡银铜）合金具有更好的抗疲劳性能。
• 优化引脚设计：一些组件会设计带有应力释放弯曲的引脚，以吸收部分热应力。
• PCB材料选择：选择具有较低Z轴CTE的高Tg PCB材料，可以减少通孔在温度变化时的形变，保护焊点的完整性。

作为一家经验丰富的PCB制造商，HILPCB深刻理解材料科学与结构可靠性之间的关系，能够为客户推荐最适合其应用场景的材料和设计方案，确保THT组件在整个产品生命周期内的可靠性。

THT制造工艺流程与质量控制的关键节点

一个高质量的THT焊点是设计、材料和工艺完美结合的产物。其制造流程通常在SMT assembly流程之后进行，以避免小型SMT元件在通过波峰焊时受到热冲击。

1. 元件准备与插件：THT元件的引脚需要根据PCB孔径进行预成型。插件可以由自动插件机（AI）完成，但对于异形或大型元件，通常需要人工操作。操作员的熟练程度和对元件极性的正确判断至关重要。
2. 焊接工艺选择：
   • 波峰焊（Wave Soldering）：适用于THT元件密集且分布在PCB一侧的情况。PCB通过一个熔融的焊料波峰，一次性完成所有焊点的焊接。工艺参数（预热温度、焊接温度、链速）的精确控制是关键。
   • 选择性波峰焊（Selective Soldering）：当THT元件与SMT元件距离很近时，使用一个微型喷嘴对每个THT焊点进行独立的、程序化的焊接。它精度高，热影响区小，是现代高密度混合电路板的首选。
   • 手工焊接：对于返修或极少数元件，由经过认证的技术员进行手工焊接。
3. 质量检验：焊接完成后，全面的检验是必不可少的。除了目视检查，SPI/AOI/X-Ray inspection设备提供了客观、可重复的检测能力。AOI可以快速检查焊点外观是否符合IPC标准，而X射线则能发现内部缺陷，如气泡、填充不足或冷焊。在新品导入阶段，First Article Inspection (FAI)（首件检验）流程尤为重要。通过对首件产品的所有THT焊点进行彻底的测量和分析，可以验证和固化整个制造工艺参数，确保后续批量生产的一致性。

如何在NPI阶段优化THT设计与验证？

新产品导入（NPI）的成功与否，直接关系到产品上市时间和最终质量。在NPI EVT/DVT/PVT（工程/设计/生产验证测试）的各个阶段，对THT的设计和工艺进行系统性优化是确保项目成功的关键。

• EVT阶段：重点是设计可行性验证（DFM - Design for Manufacturability）。此时，PCB设计团队应与像HILPCB这样的制造伙伴紧密合作。我们会提供关于THT孔径与引脚直径比、焊盘设计、元件间距等方面的专业建议，确保设计在物理上是可制造且可靠的。例如，过大的孔径会导致焊料不足，过小则影响插件效率和焊料渗透。
• DVT阶段：核心是工艺验证和可靠性测试。在这一阶段，我们会进行小批量试产，并执行严格的First Article Inspection (FAI)。通过对试产板进行热冲击、振动测试和切片分析，我们验证THT焊点在模拟的实际工作环境下的长期可靠性。根据测试结果，对焊接参数（如温度曲线）进行微调，以达到最佳的焊接质量。
• PVT阶段：目标是验证量产能力和工艺稳定性。此时，生产线配置、工装夹具、操作指导书（SOP）都已最终确定。我们会持续监控生产数据，利用统计过程控制（SPC）方法确保THT焊接质量的波动在可接受范围内，为顺利过渡到大规模量产（MP）做好准备。

整个NPI EVT/DVT/PVT流程是一个不断迭代和优化的过程，旨在在设计早期发现并解决所有与THT/through-hole soldering相关的问题，从而降低后期生产的风险和成本。

借助Traceability/MES系统实现THT全流程追溯

对于价值高昂的AI硬件而言，任何一个微小的缺陷都可能导致巨大的经济损失。因此，全流程的可追溯性变得至关重要。一个强大的制造执行系统（Traceability/MES）能够记录和关联THT生产过程中的每一个环节，为质量控制和故障分析提供坚实的数据基础。

Traceability/MES系统在THT流程中的应用包括：

• 物料追溯：系统记录每个THT元件的批号、供应商信息，并与最终组装的单板序列号绑定。如果发现某个批次的元件存在问题，可以快速定位所有受影响的产品。
• 工艺参数追溯：对于选择性焊接或波峰焊，MES系统会实时记录每块板焊接时所使用的温度曲线、焊料批号、助焊剂类型等关键参数。
• 人员与设备追溯：对于需要人工插件或焊接的工位，系统会记录操作员ID、所用工具以及操作时间。这有助于在出现人为错误时进行针对性培训。
• 质量数据整合：所有SPI/AOI/X-Ray inspection的检测结果和图像都会被上传到MES系统，并与对应的单板序列号关联。这形成了一个完整的质量档案，可随时调阅以分析缺陷趋势或响应客户查询。

通过实施全面的Traceability/MES系统，HILPCB不仅提升了生产过程的透明度和可控性，也为客户提供了最高水平的质量保证，这在可靠性要求极高的AI和数据中心领域是不可或缺的。

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结论：精通THT是驾驭AI硬件复杂性的基石

总而言之，THT/through-hole soldering远非一项过时的技术。在AI硬件向着更高功率密度、更高集成度和更高可靠性发展的今天，它作为连接物理世界与数字世界的坚固桥梁，其重要性不降反升。从提供稳固的机械支撑和强大的电流通路，到作为关键的散热路径，THT技术解决了许多SMT无法应对的根本性挑战。

然而，要充分发挥其优势，同时规避其在高速信号等方面的潜在风险，需要深厚的设计知识、精密的制造工艺和严格的质量控制体系。这包括从NPI阶段的DFM优化，到生产过程中的SPI/AOI/X-Ray inspection，再到贯穿始终的Traceability/MES系统。选择像HILPCB这样同时精通先进PCB制造和复杂混合技术组装的合作伙伴，是确保您的AI产品在激烈的市场竞争中取得成功的关键。我们致力于将每一项基础工艺做到极致，为您的创新构想提供最坚实可靠的物理载体。

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