Im Zuge der künstlichen Intelligenz (KI) und des Hochleistungsrechnens (HPC) hat sich der Fokus der Industrie weitgehend auf fortschrittliche Gehäusetechnologien wie CoWoS, Chiplet und Substrate mit hoher Verbindungsdichte (HDI) konzentriert. Wenn wir uns jedoch mit den KI-Beschleunigerkarten und Server-Motherboards befassen, die Kilowatt an Leistung und massive Datenlasten verarbeiten, spielt eine scheinbar traditionelle, aber dennoch kritische Technologie – THT/Durchstecklötung – immer noch eine unersetzliche Rolle. Als Ingenieur, der sich auf die Gestaltung thermischer Schnittstellen und die Toleranzkontrolle spezialisiert hat, verstehe ich, dass die Systemstabilität und -zuverlässigkeit nicht nur von modernsten Chip-Verbindungen abhängt, sondern auch von jenen grundlegenden Komponenten, die stillschweigend immensen elektrischen und mechanischen Belastungen standhalten. Dieser Artikel wird den Kernwert, die technischen Herausforderungen und die Integration der THT/Durchstecklötung mit fortschrittlichen Fertigungsprozessen in moderner KI-Hardware eingehend analysieren.

Warum ist die THT/Durchstecklötung im KI-Zeitalter immer noch unverzichtbar?

Obwohl die Oberflächenmontagetechnologie (SMT-Bestückung) aufgrund ihrer hohen Dichte und Automatisierungsvorteile zum Mainstream geworden ist, bietet die THT-Technologie drei Kernstärken, die von SMT in den anspruchsvollen Anwendungen von KI-Hardware unerreicht sind: außergewöhnliche mechanische Festigkeit, robuste Strombelastbarkeit und effiziente Wärmeleitpfade.

1. Unübertroffene mechanische Robustheit: KI-Server und Beschleunigerkarten sind oft mit großen, schweren Komponenten wie Hochleistungssteckverbindern (z. B. PCIe-Kartenrandsteckverbinder, Stromeingangsklemmen), großen Induktivitäten, Transformatoren und Kühlkörper-Montagehalterungen ausgestattet. THT-Komponentenpins durchdringen die Leiterplatte und werden vollständig von Lot in den Löchern umschlossen, wodurch eine extrem stabile mechanische Verankerung entsteht. Diese Verbindungsmethode kann intensiven Vibrationen, Stößen und mechanischer Belastung durch häufiges Ein- und Ausstecken standhalten und gewährleistet die physische Integrität des Systems während des Transports, der Installation und des langfristigen Betriebs – etwas, das die fragile Scherfestigkeitsstruktur von SMT-Lötstellen nicht erreichen kann.

2. Ultrahohe Strom- und Leistungsbelastbarkeit: Moderne KI-GPUs können momentane Leistungsaufnahmen im Kilowattbereich erreichen, was extreme Anforderungen an das Stromverteilungsnetzwerk (PDN) stellt. THT-Pins bieten im Vergleich zu SMT-Pads deutlich größere Querschnitts- und Kontaktflächen, wodurch sie Hunderte von Ampere mit minimalem Widerstand führen können. Dies ist entscheidend für die Stabilität der Hauptstromeingänge, der Ausgangsstufen von Spannungsreglermodulen (VRM) und anderer Hochstrompfade, wodurch Leistungsverluste und Spannungsabfälle effektiv reduziert werden, um eine stabile Stromversorgung der KI-Chips unter extremen Lasten zu gewährleisten.

3. Effiziente Wärmepfade: Als Ingenieur für thermische Schnittstellendesign achte ich besonders auf die Wärmeableitungspfade von Komponenten. THT-Metallstifte und durchkontaktierte Löcher (PTH) sind von Natur aus ausgezeichnete Wärmeleiter. Für Komponenten mit hoher Wärmeentwicklung wie MOSFETs in VRMs und große Induktivitäten leitet die THT-Struktur die Wärme nicht nur über die Stifte zu den internen Strom- und Masseschichten der Leiterplatte, sondern leitet die Wärme auch effizient über größere Lötstellenbereiche an die Luft oder Kühlkörper ab. Dieser „dreidimensionale“ Wärmepfad ist der „planaren“ Wärmeableitung von SMT-Komponenten, die sich ausschließlich auf Lötpads verlassen, weit überlegen.

Somit ist das moderne KI-Hardware-Design keine Wahl zwischen THT und SMT, sondern eine Synergie aus beidem. Logik- und Steuerungsbereiche hoher Dichte verwenden die SMT-Bestückung, während Hochleistungs-, Hochbelastungs- und Hochwärmebereiche auf die THT/Durchstecklötung setzen, die zusammen ein stabiles und zuverlässiges komplexes elektronisches System aufbauen.

Die entscheidende Rolle von THT in den Leistungsverteilungsnetzen (PDN) von KI-Substraten

KI-Chips sind sehr empfindlich gegenüber der Stromqualität, gekennzeichnet durch hohen stationären Stromverbrauch und starke transiente Stromschwankungen. Ein robustes PDN ist die Grundlage für den stabilen Betrieb von KI-SoCs, und die THT-Technologie ist der Schlüssel zum Aufbau dieser Grundlage. Erstens erfolgt die Hauptstromversorgung von KI-Beschleunigerkarten typischerweise über robuste THT-Steckverbinder, wie z.B. 12VHPWR oder kundenspezifische mehrpolige Stromanschlüsse. Diese Steckverbinder müssen erheblichen Einsteck-/Ausziehkraften und kontinuierlich hohen Strömen standhalten, und nur die mechanische Verankerungsfähigkeit von THT kann eine langfristige Zuverlässigkeit gewährleisten. Jede Lockerung oder erhöhte Widerstand an den Verbindungspunkten könnte zu katastrophalen Ausfällen führen. Zweitens verwenden im Onboard-VRM-Design Induktivitäten und Ausgangskondensatoren auf Hochstrompfaden typischerweise THT-Gehäuse. Diese Komponenten sind nicht nur groß und schwer, sondern erzeugen auch erhebliche elektromagnetische Kräfte und Wärme während des Betriebs. Die THT-Lötung gewährleistet eine robuste elektrische und mechanische Verbindung zwischen ihnen und der Leiterplatte, wodurch Lötstellenermüdung und Ausfälle durch Vibrationen oder CTE-Fehlanpassung (Wärmeausdehnungskoeffizient) unter Hochfrequenzschaltung und thermischer Zyklisierung verhindert werden. Schließlich spielen die THT-Durchkontaktierungen selbst die Rolle von „vertikalen Autobahnen“ im PDN-Design. Bei KI-Motherboards oder Trägerplatinen mit bis zu 20 oder mehr Lagen ist es notwendig, Leistungskomponenten auf der obersten Lage mit tief vergrabenen internen Strom- und Masseebenen mit minimaler Induktivität und Widerstand zu verbinden. Anordnungen zahlreicher THT-Vias, insbesondere solche, die in THT-Bauteilpins integriert sind, bilden vertikale Verbindungen mit geringer Impedanz, die Spannungsspitzen effektiv unterdrücken und stabile Stromschienen gewährleisten. Die Highleap PCB Factory (HILPCB) verfügt über umfassende Erfahrung in der Herstellung von Dickkupfer-Leiterplatten und ist in der Lage, Kupferschichten von 6 Unzen oder mehr für diese Hochstrom-THT-Komponenten bereitzustellen, wodurch die PDN-Leistung weiter optimiert wird.

Umgang mit Signalintegritätsproblemen, die durch THT in Hochgeschwindigkeitsschaltungen entstehen

Während THT klare Vorteile bei der Stromversorgung und mechanischen Robustheit bietet, kann es in Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen zu einem Albtraum für die Signalintegrität (SI) werden. Wenn Hochgeschwindigkeitssignale (wie PCIe 5.0/6.0) THT-Steckverbinder oder -Komponenten passieren müssen, führt deren physikalische Struktur zu Impedanzdiskontinuitäten, die potenziell schwere Signalreflexionen und Dämpfung verursachen können. Die größte Herausforderung ergibt sich aus den „Via-Stubs“. THT-Bauteilpins durchdringen typischerweise die gesamte Leiterplatte, aber Signale können nur zwischen bestimmten Lagen verlaufen. Der ungenutzte Teil des Pins unterhalb der Signallagen bildet einen Stub, der wie eine Antenne wirkt, bei bestimmten Frequenzen resoniert und die Signalqualität erheblich verschlechtert.

Um diese Herausforderung zu meistern, müssen fortschrittliche Design- und Fertigungstechniken eingesetzt werden:

• Rückbohren: Die effektivste Lösung. Nach dem THT-Löten wird der überschüssige metallisierte Lauf (d.h. der Stub) präzise von der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte ausgebohrt. Dies erfordert hochpräzise Bohrausrüstung und eine strenge Tiefenkontrolle. Die High-Speed-Leiterplatten-Fertigungsdienstleistungen von HILPCB umfassen das Rückbohren als einen ausgereiften kritischen Prozess, der stubbedingte Signalverschlechterungen effektiv eliminiert.
• Optimiertes Pad- und Anti-Pad-Design: Durch präzises Berechnen der Abmessungen von Pads und Anti-Pads um THT-Pins kann die charakteristische Impedanz des Bereichs so gesteuert werden, dass sie eng mit der Übertragungsleitungsimpedanz (typischerweise 50 oder 100 Ohm) übereinstimmt, wodurch Impedanzdiskontinuitäten minimiert werden.
• Signalpfadplanung: Beim Layout sollten Hochgeschwindigkeits-Differenzialpaare THT-Bauteilbereiche wann immer möglich vermeiden. Falls unvermeidbar, ist der kürzeste Pfad zu gewährleisten und präzise 3D-elektromagnetische Feldsimulationen durchzuführen, um die Auswirkungen vorherzusagen und zu kompensieren.

Wärmemanagement und mechanische Zuverlässigkeitsauslegung für THT-Bauteile

Aus thermischer Sicht dienen THT-Bauteile als Wärmequellen, Wärmeableitungspfade und Konzentrationspunkte mechanischer Spannung. Eine zuverlässige THT-Lötstelle muss elektrisch, thermisch und mechanisch hervorragend sein.

Die Qualität der Lötstelle ist von größter Bedeutung. Der IPC-A-610-Standard legt klare Anforderungen an das Aussehen und den Füllgrad von THT-Lötstellen fest. Eine ideale Lötstelle sollte ein glattes, konkaves Lotprofil mit mindestens 75 % Lochfüllung (für Hochzuverlässigkeitsprodukte der Klasse 3) bilden. Eine unzureichende Füllung schwächt die mechanische Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit, während übermäßiges Lot Kurzschlüsse oder Spannungskonzentrationen verursachen kann. Fortschrittliche SPI/AOI/Röntgeninspektion (Solder Paste Inspection/Automatische Optische Inspektion/Röntgen) Technologien sind hier entscheidend. Insbesondere die Röntgeninspektion kann die Leiterplatte durchdringen, um die interne Lotfüllung klar zu visualisieren, was sie zur einzigen zuverlässigen Methode zur Beurteilung der internen Qualität von THT-Lötstellen macht.

Hinsichtlich der thermischen Zyklen besteht eine signifikante CTE-Fehlanpassung zwischen großen THT-Bauteilen und ihren Host-Leiterplatten. Temperaturschwankungen während Leistungszyklen oder Lastwechseln setzen Lötstellen wiederholter Scherbeanspruchung aus, was schließlich zu Ermüdungsrissen führt. Gegenmaßnahmen im Design umfassen:

• Auswahl geeigneter Lotlegierungen: Zum Beispiel bieten SAC (Zinn-Silber-Kupfer)-Legierungen mit Spurenzusätzen eine bessere Ermüdungsbeständigkeit.
• Stift-Design-Optimierung: Einige Komponenten verfügen über spannungsentlastende Biegungen in ihren Stiften, um thermische Spannungen aufzunehmen.
• Leiterplattenmaterialauswahl: Die Wahl von High-Tg-Leiterplattenmaterialien mit geringerem Z-Achsen-Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) reduziert die Durchkontaktierungsverformung bei Temperaturänderungen und schützt die Integrität der Lötstellen.

Als erfahrener Leiterplattenhersteller versteht HILPCB die Beziehung zwischen Materialwissenschaft und struktureller Zuverlässigkeit zutiefst. Wir unterstützen Kunden bei der Auswahl der am besten geeigneten Materialien und Designlösungen für ihre Anwendungen, um die Zuverlässigkeit der THT-Komponenten über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg zu gewährleisten.

THT-Fertigungsprozessablauf und wichtige Qualitätskontrollpunkte

Eine hochwertige THT-Lötstelle ist das Ergebnis der perfekten Integration von Design, Materialien und Prozess. Ihr Herstellungsprozess wird typischerweise nach dem SMT-Bestückungsprozess durchgeführt, um einen Thermoschock kleiner SMT-Komponenten während des Wellenlötens zu verhindern.

1. Bauteilvorbereitung und Bestückung: THT-Bauteilanschlüsse müssen entsprechend den Leiterplattenlochdurchmessern vorgeformt werden. Die Bestückung kann durch automatische Bestückungsmaschinen (AI) erfolgen, aber bei unregelmäßig geformten oder großen Bauteilen ist oft eine manuelle Bedienung erforderlich. Die Kompetenz des Bedieners und die korrekte Beurteilung der Bauteilpolarität sind entscheidend.
2. Auswahl des Lötprozesses:

• Wellenlöten: Geeignet für Fälle, in denen THT-Komponenten dicht auf einer Seite der Leiterplatte verteilt sind. Die Leiterplatte durchläuft eine Welle aus geschmolzenem Lot, um alle Lötstellen gleichzeitig zu vervollständigen. Die präzise Steuerung der Prozessparameter (Vorheiztemperatur, Löttemperatur, Fördergeschwindigkeit) ist entscheidend.
• Selektives Löten: Wenn THT-Komponenten nahe an SMT-Komponenten liegen, wird eine Mikrodüse verwendet, um unabhängiges, programmierbares Löten für jede THT-Verbindung durchzuführen. Es bietet hohe Präzision und eine kleine Wärmeeinflusszone, was es zur bevorzugten Wahl für moderne hochdichte Mischleiterplatten macht.
• Manuelles Löten: Für Nacharbeiten oder sehr wenige Komponenten führen zertifizierte Techniker manuelles Löten durch.

3. Qualitätsprüfung: Eine umfassende Prüfung ist nach dem Löten unerlässlich. Zusätzlich zu visuellen Kontrollen bieten SPI/AOI/Röntgeninspektionsgeräte objektive, wiederholbare Erkennungsfähigkeiten. AOI kann schnell überprüfen, ob Lötstellen den IPC-Standards entsprechen, während Röntgenstrahlen interne Defekte wie Hohlräume, unzureichende Füllung oder kalte Lötstellen erkennen können. Während der Einführung neuer Produkte ist der Prozess der Erstmusterprüfung (FAI) besonders wichtig. Durch gründliches Messen und Analysieren aller THT-Lötstellen am Erstmuster können die gesamten Fertigungsprozessparameter validiert und gefestigt werden, um die Konsistenz in der nachfolgenden Massenproduktion sicherzustellen.

Wie optimiert man THT-Design und -Verifizierung während der NPI-Phase?

Der Erfolg der Einführung neuer Produkte (NPI) wirkt sich direkt auf die Markteinführungszeit und die Endqualität des Produkts aus. Die systematische Optimierung des THT-Designs (Through-Hole Technology) und der Prozesse während jeder Phase von NPI EVT/DVT/PVT (Engineering/Design/Production Validation Testing) ist entscheidend für den Projekterfolg.

• EVT-Phase: Der Fokus liegt auf der Validierung des Designs für die Fertigbarkeit (DFM). In dieser Phase sollte das PCB-Designteam eng mit Fertigungspartnern wie HILPCB zusammenarbeiten. Wir geben professionelle Empfehlungen zu THT-Loch-zu-Pin-Durchmesser-Verhältnissen, Pad-Design, Komponentenabständen usw., um sicherzustellen, dass das Design physisch herstellbar und zuverlässig ist. Zum Beispiel können übermäßig große Löcher zu unzureichendem Lot führen, während zu kleine Löcher die Einsteckeffizienz und das Lotdurchdringung beeinträchtigen können.
• DVT-Phase: Der Kern liegt in der Prozessvalidierung und Zuverlässigkeitsprüfung. In dieser Phase führen wir eine Kleinserien-Testproduktion durch und führen eine strenge Erstmusterprüfung (FAI) durch. Durch Thermoschock-, Vibrationsprüfungen und Querschnittsanalysen von Testplatinen überprüfen wir die Langzeitverlässigkeit von THT-Lötstellen unter simulierten realen Betriebsbedingungen. Basierend auf den Testergebnissen passen wir die Lötparameter (z. B. Temperaturprofile) fein an, um eine optimale Lötqualität zu erzielen.
• PVT-Phase: Ziel ist es, die Massenproduktionstauglichkeit und Prozessstabilität zu validieren. In dieser Phase sind die Konfigurationen der Produktionslinien, Werkzeuge und Standardarbeitsanweisungen (SOPs) finalisiert. Wir überwachen kontinuierlich Produktionsdaten und setzen Methoden der statistischen Prozesskontrolle (SPC) ein, um sicherzustellen, dass die Qualitätsschwankungen beim THT-Löten innerhalb akzeptabler Grenzen bleiben, und bereiten so einen reibungslosen Übergang zur Massenproduktion (MP) vor.

Der gesamte NPI EVT/DVT/PVT-Prozess ist ein iterativer und optimierungsgetriebener Zyklus, der darauf abzielt, alle Probleme im Zusammenhang mit dem THT-/Durchstecklöten frühzeitig in der Designphase zu identifizieren und zu lösen, wodurch Risiken und Kosten in späteren Produktionsphasen reduziert werden.

Erreichen einer vollständigen Prozessrückverfolgbarkeit für THT mit Rückverfolgbarkeits-/MES-Systemen

Bei hochwertiger KI-Hardware kann selbst der geringste Defekt zu erheblichen finanziellen Verlusten führen. Daher ist eine vollständige Prozessrückverfolgbarkeit entscheidend. Ein robustes Manufacturing Execution System (Rückverfolgbarkeit/MES) kann jeden Schritt im THT-Produktionsprozess aufzeichnen und korrelieren und bietet so eine solide Datengrundlage für Qualitätskontrolle und Fehleranalyse.

Die Anwendungen von Rückverfolgbarkeit/MES-Systemen in THT-Prozessen umfassen:

• Materialrückverfolgbarkeit: Das System erfasst die Chargennummern und Lieferanteninformationen jeder THT-Komponente und verknüpft sie mit der Seriennummer der endgültig bestückten Platine. Werden Probleme mit einer bestimmten Komponentencharge festgestellt, können alle betroffenen Produkte schnell identifiziert werden.
• Prozessparameter-Rückverfolgbarkeit: Für Selektivlöten oder Wellenlöten zeichnet das MES-System wichtige Parameter wie Temperaturprofile, Lotchargennummern und Flussmitteltypen, die während des Lötens jeder Platine verwendet werden, in Echtzeit auf.
• Rückverfolgbarkeit von Personal und Ausrüstung: Für Arbeitsplätze, die manuelles Bestücken oder Löten erfordern, erfasst das System die Bediener-ID, die verwendeten Werkzeuge und die Operationszeit. Dies ermöglicht gezielte Schulungen bei menschlichen Fehlern.
• Integration von Qualitätsdaten: Alle SPI-/AOI-/Röntgeninspektionsergebnisse und -bilder werden in das MES-System hochgeladen und mit der entsprechenden Platinen-Seriennummer verknüpft. Dies schafft ein umfassendes Qualitätsarchiv, das jederzeit zugänglich ist, um Fehlertrends zu analysieren oder auf Kundenanfragen zu reagieren.

Durch die Implementierung eines umfassenden Rückverfolgbarkeits-/MES-Systems verbessert HILPCB nicht nur die Produktionstransparenz und -kontrollierbarkeit, sondern bietet den Kunden auch ein Höchstmaß an Qualitätssicherung, das in den Sektoren KI und Rechenzentren, wo die Zuverlässigkeitsanforderungen extrem streng sind, unerlässlich ist.

Angebot für Leiterplatten einholen

Fazit: Die Beherrschung von THT ist der Grundstein für die Bewältigung der Komplexität von KI-Hardware

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die THT-/Durchsteckmontage alles andere als überholt ist. Während sich KI-Hardware in Richtung höherer Leistungsdichte, Integration und Zuverlässigkeit entwickelt, wird ihre Rolle als robuste Brücke, die die physische und digitale Welt verbindet, noch kritischer. Von der Bereitstellung solider mechanischer Unterstützung und Hochstrompfade bis hin zur Funktion als wichtige Wärmeableitungskanäle bewältigt die THT-Technologie grundlegende Herausforderungen, die SMT nicht überwinden kann.

Um jedoch ihre Vorteile voll auszuschöpfen und gleichzeitig potenzielle Risiken (z. B. bei Hochgeschwindigkeitssignalen) zu mindern, sind tiefgreifendes Design-Know-how, präzise Fertigungsprozesse und strenge Qualitätskontrollsysteme unerlässlich. Dies umfasst die DFM-Optimierung während der NPI, die SPI-/AOI-/Röntgeninspektion in der Produktion und durchgängige Rückverfolgbarkeits-/MES-Systeme. Die Zusammenarbeit mit Experten wie HILPCB, die sich durch fortschrittliche Leiterplattenfertigung und komplexe Mischtechnologie-Bestückung auszeichnen, ist entscheidend, um den Erfolg Ihrer KI-Produkte in einem wettbewerbsintensiven Markt sicherzustellen. Wir sind bestrebt, jeden grundlegenden Prozess zu perfektionieren und die zuverlässigste physische Grundlage für Ihre innovativen Visionen zu liefern.

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