THT/Durchstecklötung: Beherrschung von Hochgeschwindigkeits-Verbindungsproblemen in AI-Server-Backplane-PCBs

technology7. November 2025 12 Min. Lesezeit

THT/DurchstecklötungRückverfolgbarkeit/MESAI-Server-Motherboard-PCB für RechenzentrenSelektives WellenlötenQualität von AI-Server-Motherboard-PCBsErstmusterprüfung (FAI)

Mit dem explosionsartigen Wachstum von generativer KI, großen Sprachmodellen (LLMs) und Hochleistungsrechnen (HPC) durchlaufen Rechenzentren eine beispiellose architektonische Transformation. Als Kern dieser Revolution haben KI-Server atemberaubende Niveaus an internem Datendurchsatz und Leistungsdichte erreicht. Als „neurale Drehscheibe“, die GPUs, CPUs, Speicher und I/O-Module verbindet, stehen Design und Fertigung von Server-Backplane-PCBs vor großen Herausforderungen. In einer Ära, die von SMT (Surface Mount Technology) dominiert wird, spielt eine scheinbar traditionelle Technik – THT/Durchstecklötung – eine unverzichtbare Rolle in KI-Server-Backplanes. Sie gewährleistet nicht nur mechanische Robustheit, sondern beeinflusst auch direkt die Integrität von Hochgeschwindigkeitssignalen, die Effizienz der Stromverteilung und die gesamte thermische Leistung. Aus der Sicht eines Experten für Hochgeschwindigkeits-Interconnect-Architekturen von KI-Servern und Backplanes taucht dieser Artikel in den Kernwert, die technischen Herausforderungen und die fortschrittlichen Fertigungsprozesse des THT/Durchstecklötens im modernen KI-Server-Design ein. Wir werden untersuchen, wie THT-Prozesse optimiert werden können, um die Anforderungen von Hochgeschwindigkeitsbussen wie PCIe Gen5/Gen6 und CXL zu erfüllen, und gleichzeitig untersuchen, wie kritische Arbeitsabläufe wie Selektives Wellenlöten, Erstmusterprüfung (FAI) und Rückverfolgbarkeit/MES gemeinsam eine erstklassige Leiterplattenqualität für KI-Server-Motherboards gewährleisten. Mit seiner umfassenden Expertise in der komplexen Leiterplattenfertigung und -montage ist die Highleap PCB Factory (HILPCB) bestrebt, Kunden Komplettlösungen anzubieten, die strengste Leistungsanforderungen erfüllen.

Warum ist THT/Durchstecklöten in KI-Servern immer noch unverzichtbar?

Trotz der Dominanz der SMT-Technologie aufgrund ihrer hohen Dichte und Automatisierungsvorteile bleibt das THT/Durchstecklöten in KI-Servern, wo der Stromverbrauch Tausende von Watt übersteigen und Datenraten bis zu 64 GT/s erreichen können, unersetzlich. Sein Kernwert liegt in drei Schlüsselbereichen:

Unübertroffene mechanische Festigkeit: AI-Server-Backplanes müssen große, schwere Steckverbinder wie Hochgeschwindigkeits-Backplane-Steckverbinder, Stromeingangsklemmen und Lüfterschnittstellen unterstützen. Diese Steckverbinder halten während des Einsetzens/Entfernens und des Langzeitbetriebs erheblichen mechanischen Belastungen stand. THT-Komponentenstifte durchdringen die Leiterplatte und werden sicher entlang der gesamten Lochwand verlötet, wodurch Lötstellen entstehen, die weitaus stärker sind als SMT-Komponenten, die nur an Oberflächenpads befestigt sind. Diese robuste Verbindung ist grundlegend, um die langfristige Zuverlässigkeit von Rechenzentrums-AI-Server-Motherboard-Leiterplatten zu gewährleisten.
Außergewöhnliche Hochstrombelastbarkeit: AI-Beschleunigerkarten (z.B. NVIDIA H100/B200) erfordern extrem hohe Spitzenströme, was strenge Anforderungen an die Stromverteilungsnetze (PDNs) stellt. THT-Steckverbinder und Stromklemmen verfügen über dicke Stifte und größere Lötflächen, die niederohmige, induktionsarme Strompfade bieten, die Hunderte von Ampere bewältigen können. Dies minimiert Spannungsabfälle und Leistungsverluste und gewährleistet eine stabile Stromversorgung für GPU-Cluster.
Optimierte Wärmepfade: THT-Bauteilpins dienen nicht nur als elektrische Leiter, sondern auch als effiziente Wärmeableitungspfade. Bei wärmeerzeugenden Bauteilen wie Leistungsinduktivitäten und MOSFETs in VRMs (Spannungsreglermodulen) übertragen THT-Pins die Wärme schnell an PCB-interne Dickkupferschichten und thermische Ebenen, was das thermische Management des Systems unterstützt und Leistungsabfall oder Hardwareschäden durch lokale Überhitzung verhindert.

Hochgeschwindigkeits-Signalintegrität: SI-Herausforderungen und Optimierung für THT-Steckverbinder

Im Zeitalter von PCIe Gen5/Gen6 und CXL 3.0 hat die Verdopplung der Signalraten THT-Verbindungspunkte zu einem kritischen Engpass im Design der Signalintegrität (SI) gemacht. Unoptimierte THT-Vias und Pin-Stubs können schwerwiegende Impedanzdiskontinuitäten, Signalreflexionen und Intersymbolinterferenzen (ISI) verursachen, was zu einem starken Anstieg der Bitfehlerrate (BER) der Verbindung führt.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, müssen präzise Optimierungsstrategien angewendet werden:

Back-Drilling (Rückbohren): Dies ist eine der effektivsten Optimierungstechniken. Durch das Ausbohren der überschüssigen, ungenutzten Kupferstubs (d.h. Stubs) von der Rückseite der Leiterplatte kann die durch Stubs verursachte Resonanz eliminiert werden, wodurch die S-Parameter (Einfügedämpfung und Rückflussdämpfung) erheblich verbessert und eine reibungslose Übertragung von Hochgeschwindigkeitssignalen gewährleistet wird.
Optimiertes Anti-Pad-Design: Die Gestaltung von entsprechend dimensionierten Isolationsbereichen (Anti-Pads) um die Vias in den Referenzebenen (GND/VCC) ermöglicht eine präzise Steuerung der charakteristischen Impedanz des Vias, die an die 100-Ohm- oder 90-Ohm-Impedanz von Differentialpaaren angepasst wird, wodurch Impedanzdiskontinuitäten reduziert werden.
Teardrop-Design: Das Hinzufügen von glatten Kupferübergängen (Teardrops) an den Verbindungsstellen zwischen Pads und Leiterbahnen erhöht die mechanische Festigkeit und verbessert die Impedanzanpassung für Hochfrequenzsignale, was entscheidend für die gesamte Qualität der AI-Server-Motherboard-Leiterplatten ist.

Bei HILPCB werden fortschrittliche EDA-Tools für präzise 3D-elektromagnetische Feldsimulationen in der Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenfertigung (high-speed pcb) eingesetzt, um THT-Steckverbinder-Via-Strukturen für Kunden zu optimieren und eine außergewöhnliche Signalintegrität selbst bei Raten von bis zu 112 Gbit/s/PAM4 zu gewährleisten.

Wichtige Punkte zur Optimierung der THT-Hochgeschwindigkeitssignalintegrität

Kontrolle der Stummel-Länge: Für PCIe Gen5 und höhere Raten sollte die Stummel-Länge streng unter 10 mil kontrolliert werden, wobei das Rückbohren der Standardprozess ist, um dies zu erreichen.

Impedanzkontinuität: Gewährleisten Sie reibungslose Impedanzübergänge über die gesamte Verbindung – von BGA-Kugeln, Leiterbahnspuren, Vias, Steckerstiften bis hin zu Tochterkarten – und vermeiden Sie abrupte Änderungen, die ±7% überschreiten.

Differenzialpaar-Kopplung: In Via-Bereichen ist eine enge Kopplung von Differenzialpaaren durch Optimierung der GND-Via-Layouts (Stitching Vias) aufrechtzuerhalten, um Gleichtaktrauschen zu unterdrücken.

Materialauswahl: Verwenden Sie PCB-Materialien mit extrem geringen Verlusten (z. B. Megtron 6/7, Tachyon 100G), um die dielektrischen Verluste und die Dämpfung von Hochgeschwindigkeitssignalen zu minimieren.

### Selektives Wellenlöten: Eine Präzisionslösung für moderne KI-Server-Leiterplatten

Bei komplexen KI-Server-Motherboard-Leiterplatten für Rechenzentren, die eine große Anzahl von SMT-Komponenten neben einigen THT-Komponenten enthalten, setzen herkömmliche Wellenlötprozesse die bereits montierten SMT-Komponenten wiederholten Hochtemperaturschocks aus, was ein Risiko thermischer Schäden birgt. Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat sich das selektive Wellenlöten als innovative Lösung etabliert.

Das selektive Wellenlöten ist ein hochautomatisierter THT-/Durchstecklötprozess, der eine miniaturisierte, präzise gesteuerte Lötdüse verwendet, um nur bestimmte THT-Lötstellen anzusteuern. Zu seinen Hauptvorteilen gehören:

Präzise Wärmekontrolle: Wärme wird präzise auf den Zielbereich angewendet, wodurch ein thermischer Schock für empfindliche SMT-Komponenten in der Nähe (wie BGAs und optische Module) vermieden und die Produktzuverlässigkeit erheblich verbessert wird.
Hohe Flexibilität: Durch Programmierung können für verschiedene Arten von THT-Komponenten einzigartige Lötparameter (Vorheizzeit, Löttemperatur, Kontaktzeit) eingestellt werden, um optimale Lötergebnisse zu erzielen.
Außergewöhnliche Lötqualität: Der automatisierte Prozess gewährleistet Konsistenz und Wiederholbarkeit der Lötstellen mit vollständiger Lotfüllung, wodurch manuelle Lötfehler effektiv eliminiert werden. Dies ist eine Schlüsseltechnologie zur Sicherstellung der Qualität von AI-Server-Motherboard-PCBs.

Die Through-Hole Assembly-Produktionslinie von HILPCB ist mit fortschrittlicher Selektivwellenlöttechnik ausgestattet, die Kunden hochpräzise und hochzuverlässige PCBA-Montagedienstleistungen für gemischte Technologien ermöglicht.

Power Integrity (PI) und Wärmemanagement: Die doppelten Vorteile von THT

Power Integrity (PI) und Wärmemanagement in AI-Servern sind miteinander verbundene systemische Herausforderungen. THT-Komponenten spielen eine doppelte Rolle bei der Bewältigung dieser Probleme. In Bezug auf PI dient die Backplane als zentrale Stromverteilungsnabe, die eine effiziente und stabile Lieferung von Kilowatt Leistung an verschiedene Computermodule erfordert. THT-Stromanschlüsse, Hochstromklemmen und Press-fit-Steckverbinder bieten einen extrem niedrigen Gleichstromwiderstand, wodurch I²R-Verluste minimiert werden. Darüber hinaus kann ihre robuste Struktur elektromagnetischen Kräften standhalten, die durch hohe Ströme erzeugt werden, und so eine langfristige Verbindungsstabilität gewährleisten.

Für das Wärmemanagement dienen THT-Komponentenpins als kritische Wärmeableitungskanäle. Zum Beispiel übertragen auf einer Backplane-Leiterplatte die Leistungsinduktivitäten und MOSFETs von VRM-Modulen Wärme über THT-Pins an die eingebetteten dicken Kupferschichten der Leiterplatte, die dann die Wärme gleichmäßig über große GND/VCC-Ebenen ableiten oder an Gehäusekühlkörper übertragen. Dieses Design reduziert effektiv die Betriebstemperaturen der Komponenten und verbessert die Effizienz und Lebensdauer der Leistungsmodule.

Strombelastbarkeit

> 200A

THT-Steckverbinder unterstützt

PDN-Spannungsabfall

< 2%

Optimierter Stromversorgungspfad

Thermische Impedanz

Um 15 % reduziert

Wärmeableitung über THT-Pins

Mechanische Zuverlässigkeit

3-fache Verbesserung

Im Vergleich zu SMT-Verbindungen

Erstmusterprüfung (FAI): Die erste Verteidigungslinie zur Sicherstellung der THT-Lötqualität

Bei hochwertigen, hochzuverlässigen AI-Server-Motherboards kann selbst die geringste Fertigungsabweichung zu katastrophalen Folgen führen. Die Erstbemusterung (FAI) ist ein umfassender und strenger Verifizierungsprozess, der am ersten Stück oder der ersten Charge von Produkten vor der Massenproduktion durchgeführt wird und einen entscheidenden Schritt im Qualitätskontrollablauf darstellt.

Für die THT-/Durchstecklötung konzentriert sich der FAI-Prozess auf die folgenden Aspekte:

Bauteilgenauigkeit: Überprüfen Sie, ob die Teilenummern und Spezifikationen der THT-Bauteile exakt mit der Stückliste (BOM) übereinstimmen.
Einbauorientierung: Überprüfen Sie, ob polarisierte Bauteile (z. B. Elektrolytkondensatoren, Dioden) in der richtigen Richtung installiert sind.
Lötqualität: Verwenden Sie hochauflösende Mikroskope, Röntgengeräte und andere Werkzeuge, um Lötstellen auf Aussehen, Glanz, Benetzbarkeit, Stiftüberstandslänge und vor allem – die Lochfüllrate gemäß IPC-A-610 Klasse 3 Standards zu prüfen. Bei hochzuverlässigen Produkten wie AI-Servern muss die Lochfüllrate typischerweise 75 % überschreiten.
Prozessparameter-Validierung: Bestätigen Sie, ob die Parameter des selektiven Wellenlötens – wie Temperaturprofile, Fördergeschwindigkeit und Düsentyp – mit der technischen Dokumentation (ECN) übereinstimmen. Durch eine strenge Erstmusterprüfung (FAI) kann HILPCB potenzielle Prozessprobleme frühzeitig in der Massenproduktion erkennen und beheben, um sicherzustellen, dass jede gelieferte Datenzentrum-KI-Server-Hauptplatinen-Leiterplatte die strengsten Qualitätsstandards erfüllt.

Wie gewährleistet das Rückverfolgbarkeits-/MES-System eine vollständige Prozessrückverfolgbarkeit für die THT-Bestückung?

In der komplexen PCBA-Fertigung ist die Rückverfolgbarkeit der Eckpfeiler einer außergewöhnlichen Qualitätskontrolle und schnellen Problemlösung. Das Rückverfolgbarkeits-/MES (Manufacturing Execution System) weist jeder Leiterplatte eine eindeutige Seriennummer zu und ermöglicht so eine durchgängige Datenaufzeichnung und -überwachung von den Rohmaterialien bis zu den fertigen Produkten.

Für das THT-/Durchstecklöten spielt das Rückverfolgbarkeits-/MES-System eine zentrale Rolle:

Materialrückverfolgbarkeit: Das System protokolliert Chargennummern, Lieferantendetails für jede THT-Komponente sowie die verwendeten Lot- und Flussmittelchargen. Treten materialbedingte Probleme auf, können alle betroffenen Produkte schnell identifiziert werden.
Prozessparameter-Rückverfolgbarkeit: Wichtige Parameter während des selektiven Wellenlötens – wie Vorheiztemperatur, Löttemperatur und Lötzeit – werden automatisch aufgezeichnet. Treten Lötfehler auf, können Ingenieure diese Daten überprüfen, um die Grundursache schnell zu diagnostizieren.
Personal- und Geräterückverfolgbarkeit: Bediener-IDs und Geräteseriennummern werden dokumentiert. Dies hilft, Probleme bestimmten Personen oder Maschinen zuzuordnen, um gezielte Schulungen oder Wartungen durchzuführen.
Qualitätsdatenintegration: FAI-, AOI-, Röntgen- und Funktionstestergebnisse werden mit der Seriennummer der Leiterplatte verknüpft, wodurch eine umfassende Qualitätsaufzeichnung entsteht. Dies bietet eine robuste Datenunterstützung für kontinuierliche Prozessverbesserungen und Qualitätsberichte für Kunden.

Die intelligenten Fertigungsanlagen von HILPCB sind vollständig mit fortschrittlichen Rückverfolgbarkeits-/MES-Systemen ausgestattet und bieten Kunden eine durchgängige Rückverfolgbarkeit von unbestückten Leiterplatten bis hin zu fertigen PCBA-Produkten. Dies gewährleistet eine beispiellose Transparenz und Zuverlässigkeit über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg.

HILPCB One-Stop Bestückungsservice: Durchgängige Qualitätssicherung vom Design bis zur Lieferung

Servicephase	Kernaktivitäten	Qualitätssicherungsmaßnahmen
DFM/DFA-Analyse	Überprüfung des Designs auf Herstellbarkeit/Montierbarkeit

Optimierung des THT-Pad- und Via-Designs zur Gewährleistung der Lötzuverlässigkeit Leiterplattenfertigung Fertigung von Mehrlagen-, Dickkupfer- und Hochgeschwindigkeitsplatinen Impedanzkontrolle, Rückbohrprozess, AOI/AVI-Inspektion PCBA-Bestückung SMT-Bestückung & THT-Löten Erstmusterprüfung (FAI), Selektivwellenlöten Qualitätskontrolle Vollständige Prozessinspektion und -prüfung 3D SPI, 3D AOI, Röntgen, ICT, FCT Systemintegration Systemmontage und Rückverfolgbarkeit Rückverfolgbarkeit/MES Systemweite Überwachung

### Analyse von THT-Lötfehlern und IPC-Standards

Obwohl es sich um einen ausgereiften Prozess handelt, kann die THT-/Durchstecklötung immer noch typische Fehler aufweisen, die die Produktleistung und -zuverlässigkeit beeinträchtigen. Hersteller müssen strenge Inspektionen und Prozesskontrollen gemäß dem IPC-A-610-Standard ("Abnahmekriterien für elektronische Baugruppen") durchführen. Für anspruchsvolle Anwendungen wie KI-Server werden typischerweise die höchsten Klasse-3-Standards befolgt.

Häufige Fehler und ihre Auswirkungen:

Kalte Lötstellen: Matte, raue Lötflächen, verursacht durch unzureichende Temperatur oder Dauer. Diese Lötstellen weisen eine geringe mechanische Festigkeit und unzuverlässige elektrische Verbindungen auf, was potenziell zu sporadischen Ausfällen führen kann.
Lötbrücken (Kurzschlüsse): Überschüssiges Lot, das benachbarte Pins verbindet und direkt Kurzschlüsse im Stromkreis verursacht.
Schlechte Benetzung: Das Lot bildet keine ordnungsgemäße intermetallische Schicht mit Pins oder Lochwänden, wodurch die Verbindungsfestigkeit und Leitfähigkeit reduziert wird.
Unzureichende Lochfüllung: Eine der kritischsten THT-Lötmetriken. IPC Klasse 3 erfordert typischerweise eine vertikale Durchkontaktierungsfüllung von ≥75%. Eine unzureichende Füllung schwächt die mechanische Festigkeit und die Strombelastbarkeit. Um diese Defekte systematisch zu verhindern, implementiert HILPCB umfassende Prozesskontrollen, einschließlich Eingangsprüfungen der Lötbarkeit von PCBs, präzisem Flussmittelsprühen, strenger Überwachung der Vorheiz- und Löttemperaturprofile sowie mehrschichtiger automatischer/manueller Inspektionen, um sicherzustellen, dass jede THT-Lötstelle die Klasse-3-Standards erfüllt.

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Fazit: Ein meisterhafter THT-Prozess ist die Grundlage für Hochleistungs-KI-Server

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das THT-/Durchstecklötverfahren alles andere als veraltet ist. Im Streben nach extremer Leistung und Zuverlässigkeit für KI-Server bleibt es aufgrund seiner einzigartigen Vorteile in Bezug auf mechanische Festigkeit, Hochstrombelastbarkeit und Wärmemanagement ein unverzichtbarer Prozess. Eine erfolgreiche Anwendung in hochmodernen Rechenzentrums-KI-Server-Motherboard-PCBs, die PCIe Gen6 und andere Hochgeschwindigkeitssignale führen, erfordert jedoch fortschrittliche Designoptimierungen (z. B. Back-Drilling), präzise Fertigungstechniken (z. B. Selektives Wellenlöten) und strenge Qualitätssicherungssysteme (z. B. Erstmusterprüfung (FAI) und Rückverfolgbarkeits-/MES-Systeme). Die Auswahl eines Partners, der sowohl die Prinzipien des Hochgeschwindigkeits-Leiterplattendesigns versteht als auch über exquisite Fertigungs- und Montagefähigkeiten verfügt, ist entscheidend. HILPCB ist bestrebt, One-Stop-Services von der Leiterplatten-Designoptimierung über die hochwertige Rohplatinenfertigung bis hin zur hochzuverlässigen PCBA-Montage anzubieten, um Kunden dabei zu helfen, die gewaltigen Herausforderungen des KI-Zeitalters zu bewältigen und sicherzustellen, dass ihre Produkte auf dem hart umkämpften Markt herausragen. Unser Engagement für die Exzellenz der KI-Server-Motherboard-Leiterplattenqualität durchdringt jede Produktionsphase.