THT/through-hole soldering：驾驭AI芯片互连与载板PCB的封装与高速互连挑战

在人工智能（AI）和高性能计算（HPC）的浪潮中，CoWoS、EMIB等2.5D/3D封装技术与HBM3e高带宽内存已成为焦点，它们共同定义了芯片级互连的极致密度与速度。然而，当我们将视线从微米级的硅片转向宏观的系统级互连时，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。它不仅没有在技术演进中被淘汰，反而在AI服务器、加速卡和交换机等高功率、高可靠性应用中，成为确保系统稳定运行的基石。本文将以AI封装与互连工程师的视角，深入剖析THT/through-hole soldering在现代AI硬件设计中面临的挑战与解决方案，探讨其如何与先进的SMT assembly工艺协同，最终实现稳健、高效的系统级互连。

对于许多追求极致小型化的设计而言，表面贴装技术（SMT）似乎是唯一的选择。但在功耗动辄上千瓦的AI GPU模组中，电源连接器、大容量电容、加固件等元件所需的机械强度和电流承载能力，是SMT焊点难以比拟的。这正是THT/through-hole soldering技术价值的体现。Highleap PCB Factory (HILPCB) 等领先的制造商深知，一个成功的AI硬件产品，不仅需要尖端的IC载板制造能力，更需要将这些先进模组可靠地集成到最终系统中，而这离不开对THT工艺的深刻理解与精湛控制。了解HILPCB如何帮助优化您的AI互连/载板设计，是迈向成功的关键一步。

为何在先进AI系统中THT/through-hole soldering依然不可或缺？

尽管SMT assembly（表面贴装组装）凭借其高密度和自动化效率主导了现代电子制造，但在AI硬件这一特定领域，THT/through-hole soldering的战略价值愈发凸显。其不可替代性主要源于以下几个核心优势，这些优势直接解决了AI系统面临的极端物理和电气挑战。

首先是无与伦比的机械强度。AI加速卡和服务器主板通常尺寸巨大、重量惊人，并需承受运输、安装和长期运行中的振动与机械应力。诸如PCIe插槽、高压电源输入端子、大型散热器固定支架等元件，如果采用SMT连接，其焊点将成为整个系统的薄弱环节。THT元件的引脚穿过PCB并在另一侧焊接，形成的焊点将整个板厚作为支撑结构，提供了远超SMT的抗拉、抗剪切和抗扭矩能力。这种坚固的连接确保了在最严苛的物理环境下，系统的长期可靠性。

其次是卓越的电流承载与散热能力。一个AI GPU模组的峰值电流可达数百甚至上千安培。THT连接器和电源端子通常拥有更粗壮的引脚和更大的焊接面积，能够安全地传导极高的电流，同时保持较低的电阻和温升。引脚本身及其形成的巨大焊点也构成了有效的散热通道，可以将元件产生的热量直接传导至PCB内部的重铜层(heavy copper pcb)或接地层，辅助系统进行热管理。对于一些大功率的无源器件，如大容量电解电容，THT封装也是实现高效散热和稳定电气连接的首选。

最后，THT为特定元件提供了设计灵活性。某些特殊形状或功能的元件，如变压器、光纤收发器模块和定制化的接口，本身就只提供THT封装形式。在复杂的AI系统板卡上，混合使用THT和SMT技术是常态。一个全面的Turnkey PCBA（一站式PCBA）服务必须同时精通这两种工艺，才能满足复杂产品的制造需求。因此，THT/through-hole soldering并非过时的技术，而是在AI时代与尖端科技并存，共同构建可靠、强大硬件系统的关键支柱。

THT对AI载板电源分配网络（PDN）设计的深远影响

电源分配网络（PDN）是AI系统的生命线，其性能直接决定了AI芯片能否在瞬息万变的负载下获得稳定、纯净的电力供应。THT/through-hole soldering技术在构建高性能PDN中扮演着至关重要的角色，其影响贯穿从电源输入到芯片供电的整个链路。

AI芯片的特点是巨大的平均功耗和极高的瞬态电流（di/dt）。为了应对这种挑战，PDN设计需要在不同频率范围内部署分级去耦电容。其中，位于电源输入端和大电流路径上的大容量电解电容或聚合物电容，几乎全部采用THT封装。这些“电容库”是整个PDN的能量储备池。THT焊接为这些大型元件提供了必需的机械固定力，防止它们在振动中脱落。更重要的是，THT引脚能够直接连接到PCB内层的多个电源和接地平面，通过并联的过孔阵列，极大地降低了连接的等效串联电感（ESL）和等效串联电阻（ESR）。这种低阻抗连接是实现高效能量传递、抑制电压骤降的关键。

此外，THT连接器是外部电源进入AI板卡的门户。无论是ATX电源接口还是服务器背板上的高功率盲插连接器，都需通过THT焊接来承载数百安培的电流。设计这些连接区域时，工程师必须精心优化过孔的布局、尺寸和数量，确保电流均匀分布，避免局部过热点。HILPCB在处理此类高密度互连PCB (hdi pcb)时，会运用热电联合仿真来预测THT焊点的温升和电流密度，从而指导PCB叠层和铜皮设计，确保PDN的长期可靠性。

最后，THT过孔本身也是PDN垂直互连的重要组成部分。在多达数十层的AI主板上，将表层的电源路径连接到深埋的电源层，THT过孔是最可靠的方式。通过精确控制钻孔和电镀工艺，可以制造出低电阻、高可靠性的电源通道，为整个系统的稳定运行提供坚实基础。

管理THT组件的热挑战：从PCB设计到系统散热

虽然THT元件在处理大电流时具有优势，但它们同样会成为显著的热源，或影响系统整体的散热风道，因此必须在设计初期就进行精细的热管理。AI系统的热设计是一个多物理场耦合的复杂问题，THT组件是其中不可忽视的一环。

首先，大电流THT连接器和功率电感等元件本身就是主要发热体。其产生的热量必须被有效导出，以防温度超标导致材料老化、电阻增加，甚至引发安全问题。一个有效的设计策略是利用PCB本身作为散热器。通过在THT元件周围设计大面积的铜皮，并用大量的热过孔（Thermal Vias）将这些铜皮连接到内层的接地或电源平面，可以创建一个高效的3D散热网络。这些内层平面如同散热鳍片，将热量均匀地散布到整个PCB，再通过机箱风扇或液冷系统带走。

其次，THT元件的物理尺寸和突出高度会影响散热风道。在风冷服务器中，空气流经CPU、GPU散热器和内存模组，带走热量。高大的THT电容或连接器如果布局不当，会形成“风影区”，导致下游元件散热不良。因此，PCB布局工程师必须与热设计工程师紧密合作，利用计算流体动力学（CFD）仿真工具，优化THT元件的摆放位置和方向，确保气流顺畅，避免形成散热死角。

在某些极端情况下，还需要对THT元件进行额外的保护和散热增强。例如，在车载AI计算单元或工业边缘设备中，环境振动和湿气可能对THT焊点造成威胁。此时，采用Potting/encapsulation（灌封）工艺，用导热的环氧树脂或硅胶将THT元件区域完全覆盖，不仅能提供卓越的机械和环境防护，还能改善散热，将热量均匀传递到外壳或散热板上。这种综合性的热管理策略，是确保THT组件在严苛AI应用中长期稳定运行的保障。

高速信号完整性：THT过孔的寄生效应与优化策略

当THT技术用于连接高速信号路径时，例如连接背板和子卡的连接器，其对信号完整性（SI）的挑战便凸显出来。一个THT过孔在高速信号眼中不再是简单的导体，而是一个复杂的R-L-C网络，其寄生电容和寄生电感会引入阻抗不连续、信号反射、串扰和模式转换等问题，严重时会导致数据传输错误。

THT过孔最主要的SI问题来自于“残桩”（Stub）。当信号从PCB某一层通过过孔传输到另一层时，过孔未被使用的那部分就形成了一个悬空的传输线分支，即残桩。在高速信号下，这个残桩会产生1/4波长谐振，在特定频率点造成严重的信号能量损失，表现为S参数插损曲线上的深坑。对于PCIe 5.0/6.0或更高速率的信号，这种效应是致命的。

解决残桩问题的最有效方法是背钻（Back-drilling）。即在PCB制造完成后，从残桩所在的一侧，用一个稍大直径的钻头将过孔多余的铜壁钻掉，只保留信号传输必需的部分。这需要极其精密的深度控制。作为经验丰富的PCB/载板制造商，HILPCB提供精确的背钻工艺，能够将残桩长度控制在最小范围内，显著改善高速通道的性能。

除了背钻，优化过孔设计本身也至关重要。这包括：

1. 优化反焊盘（Anti-pad）：增大过孔周围在接地/电源层上的隔离盘尺寸，可以减小过孔的寄生电容，从而提高其特征阻抗，使其更接近传输线的阻抗（通常为50欧姆或100欧姆差分）。
2. 增加接地过孔：在信号过孔周围 strategically 放置一个或多个接地过孔，并将其连接到参考地平面。这能为信号回流提供一个低电感的路径，减少地弹（Ground Bounce）和串扰。
3. 避免直角走线：信号线进出过孔焊盘时应采用平滑的弧形或45度角，避免直角转折，以减少阻抗突变。

通过先进的3D电磁场仿真工具，工程师可以精确建模THT过孔的电气特性，并在设计阶段就进行优化，确保即使在AI系统中最苛刻的高速互连场景下，THT/through-hole soldering也能满足严格的信号完整性要求。

Selective wave soldering：混合技术AI电路板的精密焊接方案

现代AI电路板是典型的混合技术（Mixed Technology）板，上面既有密集的BGA、QFN等SMT元件，也有必不可少的THT连接器和电容。在完成SMT assembly回流焊之后，如何高效、可靠地焊接剩余的THT元件，成为制造过程中的一大挑战。传统的波峰焊会将整个PCB底部浸入熔融的焊料中，这会对已经贴装好的SMT元件（特别是位于板底的）造成热冲击，甚至导致其脱落或损坏。

Selective wave soldering（选择性波峰焊）技术应运而生，成为解决这一难题的理想方案。它使用一个或多个可精确定位的微型焊料喷嘴，只对指定的THT焊点区域进行焊接，而电路板的其他部分则完全不受影响。这个过程高度自动化，通过CNC控制，可以为每个焊点定制精确的焊接参数，如预热时间、焊接温度、焊料喷射高度和接触时间。

在AI硬件制造中，采用Selective wave soldering的优势是多方面的：

1. 保护敏感元件：避免了对板上昂贵的AI芯片、内存模组和其他SMT元件的二次加热，最大程度地保证了整板的良率和可靠性。
2. 提升焊接质量：与手工焊接相比，机器控制的参数一致性极高，可以形成饱满、均匀、无缺陷的焊点，避免了人为因素导致的虚焊、连锡等问题。
3. 设计灵活性：由于焊接区域可控，设计师可以在THT元件附近更密集地布局SMT元件，而无需担心焊接干涉问题，从而提升了PCB的整体集成度。
4. 工艺可重复性：一旦为某个产品设定好焊接程序，就可以在后续生产中无限次地精确重复，确保了不同批次产品质量的稳定性。

HILPCB的先进组装线配备了高精度的选择性波峰焊设备，结合严格的工艺过程控制（SPC），确保每一个THT焊点都符合IPC-A-610 Class 3的最高标准，满足AI和服务器等高可靠性应用的要求。

从设计到交付：Turnkey PCBA服务如何简化THT集成流程

对于开发AI硬件的公司而言，管理复杂的供应链是一项巨大的挑战。他们需要分别寻找PCB制造商、元器件供应商、SMT组装厂和THT组装厂，并协调各方的工作流程，任何一个环节的延误或质量问题都可能导致整个项目失败。Turnkey PCBA（一站式印刷电路板组装）服务模式，正是为了解决这一痛点而生。

一个全面的Turnkey PCBA服务 (turnkey assembly)提供商，如HILPCB，将整个制造流程整合在一起，客户只需提供设计文件（Gerber、BOM）和测试要求，就能收到功能完备的PCBA成品。这种模式在集成THT/through-hole soldering工艺时，优势尤为明显：

1. 前端设计优化（DFM/DFA）：在制造开始前，一站式服务商的工程师会全面审查设计，不仅检查PCB的可制造性（DFM），还会检查组装的可行性（DFA）。他们会特别关注THT元件的布局，如焊盘设计、过孔间距、与SMT元件的安全距离等，并提出优化建议，从源头上避免后续的生产问题。
2. 无缝的工艺衔接：PCB制造、SMT assembly和THT焊接在同一家工厂或受同一质量体系管理的合作伙伴内完成。这意味着从PCB板材选择、表面处理到焊接工艺参数的设定，都经过了整体优化，以实现最佳的焊接效果。例如，PCB的表面处理（如ENIG或HASL）会根据后续的THT焊接要求来选择。
3. 统一的质量控制：整个生产链采用统一的质量标准和检测流程。无论是PCB裸板的电性能测试，还是SMT焊点的AOI/X-Ray检测，亦或是THT焊点的目视检查，都遵循一致的规范。最终，还会通过Flying probe test（飞针测试）或ICT（在线测试）对整板进行全面的电气验证，确保每个节点都连接正确。
4. 简化的供应链管理：客户只需与一个供应商对接，极大地简化了沟通、采购和物流的复杂性，节省了大量的时间和管理成本，使研发团队能更专注于核心的算法和系统架构设计。

通过选择可靠的Turnkey PCBA合作伙伴，企业可以确保其复杂的AI电路板，无论是先进的SMT部分还是关键的THT部分，都能得到专业、高效和高质量的制造，从而加速产品上市进程。

确保长期可靠性：THT焊点的测试与防护

一个THT焊点的质量直接关系到整个AI系统的长期稳定运行。一个看似微小的焊接缺陷，在高电流或高振动环境下可能会迅速恶化，导致间歇性故障甚至灾难性失效。因此，对THT焊点进行严格的测试与有效的防护是制造过程中不可或缺的环节。

测试与检验是保证质量的第一道防线。

• 目视检查与AOI：依据IPC-A-610标准，对THT焊点的外观进行检查，确保焊料填充饱满（通常要求达到75%以上）、润湿良好、无针孔、裂纹或冷焊现象。自动光学检测（AOI）设备可以辅助进行大规模、高效率的检查。
• X-Ray检测：对于一些引脚密集或被元件本体遮挡的THT焊点，2D或3D X-Ray检测是唯一有效的无损检测手段。它可以清晰地显示焊料在孔内的填充情况，发现内部的气泡、空洞等潜在缺陷。
• 电气测试：Flying probe test（飞针测试）是一种高效灵活的测试方法，尤其适用于原型和小批量生产。测试探针会根据CAD数据自动移动到每个测试点，检查开路、短路和元件参数。对于大批量生产，则通常采用ICT（在线测试）或功能测试（FCT）来验证PCBA的电气性能是否符合设计要求。

在通过所有测试后，根据产品的最终应用环境，可能还需要对THT焊点进行额外的防护。

• 三防漆涂覆（Conformal Coating）：在PCBA表面喷涂一层薄薄的聚合物涂层，可以有效防止潮气、盐雾、灰尘等环境因素对焊点和电路的侵蚀，这对于部署在数据中心之外的边缘AI设备尤为重要。
• 灌封（Potting/encapsulation）：对于需要承受极端冲击、振动或化学腐蚀的应用，如自动驾驶汽车的计算平台，Potting/encapsulation提供了最高级别的物理防护。导热灌封胶还能同时起到散热的作用，进一步提升系统的可靠性。

通过这样一套从检测到防护的完整流程，可以确保每一个THT/through-hole soldering焊点都坚如磐石，为AI系统的稳定运行提供长久的保障。

面向未来的THT技术：应对下一代AI硬件的演进

随着AI芯片的功耗和数据速率持续攀升，对系统级互连的要求也水涨船高。THT技术并未停滞不前，它正通过材料、工艺和形态的创新，积极适应下一代AI硬件的需求。

一个重要的发展方向是压接技术（Press-fit Technology）。压接连接器采用特殊设计的“鱼眼”形引脚，在被压入PCB的电镀通孔时，引脚发生弹性形变，与孔壁产生巨大的正压力，形成气密性的冷焊连接。这种无焊料的连接方式避免了焊接过程中的高温，对热敏感元件非常友好，并且具有极高的可靠性和可维修性。在需要频繁插拔或升级模组的模块化AI服务器中，压接技术正变得越来越流行。

在材料方面，为了应对更高的电流和温度，新型的高导电性、高可靠性焊料合金不断被开发出来。同时，与THT元件配合的PCB材料也在升级，使用更高Tg（玻璃化转变温度）、更低CTE（热膨胀系数）的基材，以减小在极端温度循环下焊点所受的应力。

此外，THT元件的形态也在演进。出现了更多集成了电源和信号传输功能的混合型连接器，以及专为高速差分信号优化的THT连接器，其内部结构经过精心设计，以实现更好的阻抗控制。

未来的AI系统将是光电融合的系统。将光纤连接器、光引擎等光互连器件可靠地集成到PCB上，THT技术依然是首选方案之一，因为它能提供光器件所需的高精度对位和长期稳定的机械固定。

总而言之，THT/through-hole soldering及其衍生技术正在与AI硬件的发展同步进化，通过不断创新来满足未来系统对功率、速度和可靠性的极致追求。

结论：THT焊接——构建稳健AI系统的关键工艺

在我们惊叹于AI芯片内部数十亿晶体管的复杂性的同时，绝不能忽视支撑这些算力巨兽可靠运行的物理基础。THT/through-hole soldering技术，凭借其在机械强度、功率传输和热管理方面的固有优势，在当今及未来的AI硬件生态系统中，依然是不可或缺的关键一环。它与先进的SMT assembly工艺相辅相成，共同构成了复杂AI电路板的制造骨架。

从优化PDN设计、应对信号完整性挑战，到通过Selective wave soldering实现精密制造，再到借助Turnkey PCBA服务简化整个流程，掌握THT/through-hole soldering的每一个细节，都是通往成功AI产品之路的必要步骤。像HILPCB这样提供从PCB制造到通孔组装 (through-hole assembly)一站式解决方案的合作伙伴，其价值正在于深刻理解并精通这些看似传统却至关重要的工艺，确保客户的创新设计能够转化为可靠、高性能的实体产品。最终，正是这些坚固可靠的焊点，承载起了人工智能时代的宏伟算力大厦。

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