THT/through-hole soldering：驾驭AI服务器背板PCB的高速互连挑战

随着生成式AI、大语言模型（LLM）和高性能计算（HPC）的爆发式增长，数据中心正经历一场前所未有的架构变革。AI服务器作为这场变革的核心，其内部数据吞吐量和功率密度达到了惊人的水平。作为连接GPU、CPU、内存和I/O模块的“神经中枢”，服务器背板PCB的设计与制造面临着严峻挑战。在SMT（表面贴装技术）主导的今天，一种看似传统的技术——THT/through-hole soldering（通孔焊接），却在AI服务器背板中扮演着不可或缺的关键角色。它不仅关乎机械结构的坚固性，更直接影响到高速信号完整性、电源分配效率和整机散热性能。

本文将以AI服务器与背板高速互连架构专家的视角，深入剖析THT/through-hole soldering在现代AI服务器设计中的核心价值、技术挑战与先进制造工艺。我们将探讨如何通过优化THT工艺来满足PCIe Gen5/Gen6、CXL等高速总线的要求，并阐述Selective wave soldering（选择性波峰焊）、First Article Inspection (FAI)（首件检验）和Traceability/MES（可追溯性/制造执行系统）等关键流程如何共同保障顶级的AI server motherboard PCB quality。Highleap PCB Factory (HILPCB)凭借其在复杂PCB制造和组装领域的深厚积累，致力于为客户提供满足严苛性能要求的一站式解决方案。

为何THT/through-hole soldering在AI服务器中依然不可或缺？

尽管SMT技术凭借其高密度和自动化优势成为主流，但在功耗动辄上千瓦、数据速率高达64 GT/s的AI服务器中，THT/through-hole soldering的地位无可替代。其核心价值主要体现在以下三个方面：

无与伦比的机械强度：AI服务器背板需要承载大型、沉重的连接器，如高速背板连接器、电源输入端子和风扇接口。这些连接器在插拔和长期运行中会承受巨大的机械应力。THT元件的引脚穿过PCB并被焊料牢固地固定在整个孔壁上，形成的焊点强度远超仅附着在焊盘表面的SMT元件。这种坚固的连接是确保data-center AI server motherboard PCB长期可靠运行的基础。
卓越的大电流承载能力：AI加速卡（如NVIDIA H100/B200）的峰值电流极高，对电源分配网络（PDN）提出了苛刻要求。THT连接器和电源端子拥有粗壮的引脚和更大的焊接面积，能够提供低电阻、低电感的电流通路，轻松承载数百安培的电流，有效降低压降和功率损耗，保障GPU集群的稳定供电。
优化的散热路径：THT元件的引脚不仅是电气通道，也是高效的导热路径。对于VRM（电压调节模块）中的功率电感、MOSFET等发热元件，其THT引脚可以将热量迅速传导至PCB内部的重铜层(heavy copper pcb)和散热平面，辅助系统进行热管理，避免局部过热导致的性能下降或硬件损坏。

高速信号完整性：THT连接器的SI挑战与优化

在PCIe Gen5/Gen6和CXL 3.0时代，信号速率的翻倍使得THT连接点成为信号完整性（SI）设计中的关键瓶颈。未经优化的THT过孔和引脚残桩（stub）会引入严重的阻抗不连续性、信号反射和码间干扰（ISI），导致链路误码率（BER）急剧上升。

为了驾驭这些挑战，必须采取精密的优化策略：

背钻（Back-drilling）：这是最有效的优化手段之一。通过从PCB背面将过孔中多余的、未连接信号的铜柱（即残桩）钻除，可以消除由残桩引起的谐振，显著改善S参数（插入损耗和回波损耗），确保高速信号的平稳传输。
优化反焊盘（Anti-pad）设计：在过孔周围的参考平面（GND/VCC）上设计尺寸恰当的隔离区域（Anti-pad），可以精确控制过孔的特征阻抗，使其与差分对的100欧姆或90欧姆阻抗相匹配，减少阻抗突变。
泪滴（Teardrop）设计：在焊盘与走线连接处增加平滑的铜皮过渡（泪滴），可以增强连接的机械强度，并改善高频信号的阻抗匹配，这对于提升整体AI server motherboard PCB quality至关重要。

HILPCB在高速PCB (high-speed pcb)制造中，利用先进的EDA工具进行精确的3D电磁场仿真，为客户优化THT连接器的过孔结构，确保其在高达112 Gbps/PAM4的速率下依然保持卓越的信号完整性。

THT高速信号完整性优化要点

残桩长度控制： 对于PCIe Gen5及以上速率，残桩长度应严格控制在10mil以下，背钻是实现这一目标的标准工艺。
阻抗连续性： 确保从BGA出球、PCB走线、过孔、连接器引脚到子卡的整个链路阻抗平滑过渡，避免任何超过±7%的突变。
差分对耦合： 在过孔区域，通过优化GND过孔布局（Stitching Vias），保持差分对的紧密耦合，抑制共模噪声。
材料选择： 选用超低损耗（Ultra-Low Loss）的PCB材料（如Megtron 6/7, Tachyon 100G），以降低介质损耗对高速信号的衰减。

Selective wave soldering：现代AI服务器PCB的精准焊接方案

对于同时包含大量SMT元件和少量THT元件的复杂data-center AI server motherboard PCB，传统的波峰焊工艺会使已经贴装好的SMT元件再次经历高温冲击，存在热损伤风险。为了解决这一难题，Selective wave soldering（选择性波峰焊）应运而生。

Selective wave soldering是一种高度自动化的THT/through-hole soldering工艺，它使用一个微型、可精确控制的焊料喷嘴，仅对指定的THT焊点进行焊接。其核心优势包括：

精准热量控制：热量被精确地施加在目标区域，避免了对邻近敏感SMT元件（如BGA、光模块）的热冲击，极大地提升了产品的可靠性。
高度灵活性：通过编程，可以为不同类型的THT元件设定独特的焊接参数（预热时间、焊接温度、接触时间），实现最佳焊接效果。
卓越的焊接质量：自动化的过程确保了焊点的一致性和可重复性，焊料填充饱满，有效避免了手动焊接可能引入的人为缺陷，是保障AI server motherboard PCB quality的关键技术。

HILPCB的通孔组装 (through-hole assembly)产线配备了先进的选择性波峰焊设备，能够为客户提供高精度、高可靠性的混合技术PCBA组装服务。

电源完整性（PI）与热管理：THT的双重优势

AI服务器的电源完整性（PI）和热管理是相互耦合的系统性挑战。THT元件在其中扮演了双重角色。

在PI方面，背板作为中央电源分配枢纽，需要将数千瓦的功率高效、稳定地输送给各个计算模块。THT电源连接器、大电流端子和压接（Press-fit）连接器提供了极低的直流电阻，最大限度地减少了I²R损耗。同时，其坚固的结构能够承受大电流产生的电磁力，确保连接的长期稳定性。

在热管理方面，THT元件的引脚成为重要的散热通道。例如，在背板PCB (backplane pcb)上，VRM模块的功率电感和MOSFET通过THT引脚将热量传导至PCB内嵌的厚铜层，再通过大面积的GND/VCC平面将热量均匀散开，或传递到机箱散热片。这种设计有效地降低了元件的工作温度，提升了功率模块的效率和寿命。

电流承载能力

> 200A

THT连接器支持

PDN压降

< 2%

优化后的电源路径

热阻抗

降低 15%

通过THT引脚散热

机械可靠性

提升 3X

相比SMT连接

First Article Inspection (FAI)：确保THT焊接质量的第一道防线

对于高价值、高可靠性要求的AI服务器主板，任何微小的制造偏差都可能导致灾难性的后果。First Article Inspection (FAI) 是在批量生产前，对首件或首批产品进行全面、严格的验证过程，是质量控制流程中至关重要的一环。

针对THT/through-hole soldering，FAI流程会重点检查以下内容：

元件正确性：核对所用THT元件的料号、规格是否与BOM清单完全一致。
安装方向：检查有极性的元件（如电解电容、二极管）安装方向是否正确。
焊接质量：使用高倍显微镜、X-Ray等设备，依据IPC-A-610 Class 3标准，检查焊点的外观、光泽度、润湿性、引脚突出长度以及最重要的——通孔填充率（Hole Fill）。对于AI服务器这类高可靠性产品，通孔填充率通常要求达到75%以上。
工艺参数验证：确认Selective wave soldering的温度曲线、传送带速度、喷嘴类型等工艺参数是否与工程文件（ECN）规定一致。

通过严格的First Article Inspection (FAI)，HILPCB能够在量产初期就发现并纠正潜在的工艺问题，确保每一片交付的data-center AI server motherboard PCB都符合最严苛的质量标准。

Traceability/MES系统如何保障THT组装全流程可追溯？

在复杂的PCBA制造过程中，可追溯性是实现卓越质量控制和快速问题定位的基石。Traceability/MES（可追溯性/制造执行系统）通过为每块PCB分配一个唯一的序列号，实现了从原材料到成品的全流程数据记录与监控。

在THT/through-hole soldering环节，Traceability/MES系统发挥着关键作用：

物料追溯：系统记录了每个THT元件的批次号、供应商信息，以及所使用的焊料、助焊剂的批次。一旦发现物料相关问题，可以迅速定位所有受影响的产品。
工艺参数追溯：系统会自动记录每块板进行Selective wave soldering时的关键工艺参数，如预热温度、焊接温度、焊接时间等。当出现焊接缺陷时，工程师可以回溯这些数据，快速分析原因。
人员与设备追溯：记录操作员ID、所用设备编号。这有助于将问题与特定的人员或设备关联起来，进行针对性培训或维护。
质量数据关联：将FAI、AOI、X-Ray和功能测试的结果与PCB序列号绑定。这形成了一个完整的质量档案，为持续的工艺改进和客户质量报告提供了坚实的数据支持。

HILPCB的智能制造工厂全面部署了先进的Traceability/MES系统，为客户提供从PCB裸板到PCBA成品的全方位可追溯性保障，确保了产品生命周期内的高度透明度和可靠性。

HILPCB一站式组装服务：从设计到交付的全程质量保障

服务阶段	核心活动	质量保障措施
DFM/DFA 分析	设计可制造性/可组装性审查	优化THT焊盘与过孔设计，确保焊接可靠性
PCB 制造	高层数、重铜、高速板制造	阻抗控制、背钻工艺、AOI/AVI检测
PCBA 组装	SMT贴片 & THT焊接	First Article Inspection (FAI), Selective wave soldering
质量控制	全流程检测与测试	3D SPI, 3D AOI, X-Ray, ICT, FCT
系统集成	系统组装与追溯	Traceability/MES 系统全程监控

THT焊接缺陷分析与IPC标准

尽管工艺成熟，THT/through-hole soldering仍可能出现一些典型缺陷，影响产品性能和可靠性。制造商必须依据IPC-A-610《电子组件的可接受性》标准进行严格的检验和过程控制。对于AI服务器这类要求严苛的应用，通常遵循最高等级的Class 3标准。

常见缺陷及其影响：

冷焊/虚焊：焊点表面灰暗、粗糙，是由于焊接温度不足或时间过短造成。这种焊点机械强度差，电气连接不可靠，可能导致间歇性故障。
焊料桥接（短路）：相邻引脚之间有多余的焊料连接，会直接导致电路短路。
润湿不良：焊料未能与引脚或孔壁形成良好的金属间化合物层，导致连接强度和导电性下降。
通孔填充不足：这是THT焊接最关键的指标之一。IPC Class 3标准通常要求垂直通孔的焊料填充率不低于75%。填充不足会削弱机械强度和电流承载能力。

为了系统性地预防这些缺陷，HILPCB实施了全面的过程控制，包括对PCB可焊性的来料检验、助焊剂的精确喷涂、预热和焊接温度曲线的严格监控，以及多层次的自动化与人工检测，确保每一个THT焊点都达到Class 3标准。

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结论：精湛的THT工艺是高性能AI服务器的基石

总而言之，THT/through-hole soldering远非一项过时的技术。在追求极致性能和可靠性的AI服务器领域，它凭借其在机械强度、大电流处理和热管理方面的独特优势，依然是不可或缺的关键工艺。然而，要将其成功应用于承载PCIe Gen6等尖端高速信号的data-center AI server motherboard PCB，必须结合先进的设计优化（如背钻）、精密的制造工艺（如Selective wave soldering）以及严苛的质量保证体系（如First Article Inspection (FAI) 和Traceability/MES系统）。

选择一个既懂高速PCB设计原理，又具备精湛制造与组装能力的合作伙伴至关重要。HILPCB致力于提供从PCB设计优化、高品质裸板制造到高可靠性PCBA组装的一站式服务，帮助客户应对AI时代带来的严峻挑战，确保其产品在激烈的市场竞争中脱颖而出。我们对卓越AI server motherboard PCB quality的承诺，贯穿于生产的每一个环节。