Dans les domaines de l'intelligence artificielle (IA) et du calcul haute performance (HPC), l'essor de l'architecture Chiplet repousse les limites de la technologie d'encapsulation de manière inédite. En tant qu'architecte système spécialisé dans les interconnexions 2.5D/3D, je comprends que la précision de chaque étape de fabrication a un impact direct sur le succès ou l'échec de l'ensemble du système. Sur ces substrats IA et PCB hautement intégrés, les agencements mixtes de composants SMT (Surface Mount Technology) et THT (Through-Hole Technology) sont devenus la norme. Comment pouvons-nous réaliser une soudure parfaite et fiable pour les composants THT dans un environnement densément peuplé de composants SMT, sans endommager les puces et circuits sensibles environnants ? La réponse réside dans un processus critique : le soudage à la vague sélectif. Cette technologie n'est pas seulement une évolution des méthodes de soudage traditionnelles, mais aussi un pilier essentiel garantissant la fiabilité, les performances et la fabricabilité des systèmes électroniques complexes modernes. Pour les substrats d'accélérateurs d'IA transportant des dizaines de milliards de transistors, tout défaut de soudure pourrait entraîner des pannes catastrophiques. Le brasage à la vague traditionnel immerge indistinctement l'ensemble de la carte de circuit imprimé dans de la soudure en fusion, ce qui est inacceptable pour les PCB modernes densément remplis de BGA de précision et de minuscules composants passifs. Par conséquent, le brasage à la vague sélectif, avec ses caractéristiques précises et contrôlables, est devenu la solution préférée pour connecter les connecteurs haute puissance, les renforts et les composants traversants spécifiques. Des fabricants leaders comme Highleap PCB Factory (HILPCB) maîtrisent ces processus d'assemblage avancés, offrant aux clients des solutions complètes de la conception aux tests finaux, garantissant la performance stable des puissantes capacités de calcul des puces d'IA.

Pourquoi les substrats d'IA modernes ne peuvent-ils pas se passer du brasage à la vague sélectif ?

La philosophie de conception des substrats d'IA modernes est « chaque centimètre carré compte ». Pour raccourcir les chemins de signal et réduire la latence, la mémoire à large bande passante (HBM), les puces logiques (SoC) et les modules E/S sont intégrés à des densités extrêmement élevées sur le même PCB de substrat IC. Ces composants sont presque entièrement assemblés à l'aide de processus SMT et sont disposés des deux côtés de la carte. Cependant, il existe toujours des parties critiques du système qui ne peuvent pas être remplacées par des composants SMT, telles que :

1. Connecteurs d'alimentation à courant élevé: Les puces d'IA consomment une puissance énorme et nécessitent des connecteurs robustes capables de transporter des centaines d'ampères, qui sont typiquement des composants THT.
2. Interfaces E/S haute vitesse: Les connecteurs pour bus haute vitesse comme PCIe et CXL adoptent souvent des conceptions THT pour assurer la résistance mécanique et l'intégrité du signal.
3. VRM embarqués et grands inducteurs: Pour répondre aux demandes de puissance transitoire des SoC d'IA, les modules de puissance et les inducteurs grands et lourds sont principalement basés sur THT pour assurer des connexions mécaniques sécurisées.

Dans de telles configurations à technologie mixte, les méthodes de soudure traditionnelles sont insuffisantes. La soudure à la vague sur toute la carte ferait fondre et endommagerait les composants SMT pré-montés, tandis que la soudure manuelle pure, bien que flexible, a du mal à assurer la cohérence et la fiabilité en production de masse, est inefficace et sujette aux défauts induits par l'homme.

La technologie de soudure à la vague sélective apparaît comme la solution. Elle utilise une buse de soudure miniature et contrôlée avec précision pour cibler uniquement les joints de soudure THT spécifiés. L'ensemble du processus est automatisé, garantissant que chaque joint reçoit un volume de soudure, des profils de température et un temps de soudure constants, réalisant ainsi une soudure THT/à trou traversant de haute qualité sans affecter les autres composants de la carte.

Comment la soudure à la vague sélective assure-t-elle l'intégrité du signal haute vitesse ?

Pour les systèmes d'IA, les débits de transfert de données sont une métrique de performance essentielle. Des HBM aux SoC en passant par les interfaces PCIe 6.0 externes, toute atténuation ou distorsion du signal est inacceptable. Les connecteurs THT, en tant que passerelles critiques pour les signaux entrant et sortant du substrat, ont un impact direct sur l'intégrité du signal (SI) par la qualité de leur soudure.

Le brasage à la vague sélectif assure une transmission stable des signaux à haute vitesse de la manière suivante :

• Contrôle Cohérent de l'Impédance: Le brasage manuel rend difficile le contrôle de la quantité et de la forme de la soudure, ce qui peut facilement entraîner un déséquilibre d'impédance dans les joints de soudure et provoquer une réflexion du signal. Le brasage à la vague sélectif assure une morphologie et des dimensions de joint de soudure très cohérentes pour chaque broche grâce à un contrôle précis du programme, maintenant ainsi la continuité de l'impédance caractéristique des lignes de transmission.
• Élimination des Joints de Soudure Froids et Secs Potentiels: Les joints de soudure froids ou secs sont des "tueurs invisibles" des signaux à haute vitesse, introduisant des défauts intermittents et des erreurs de données. Ce processus assure la formation d'une excellente couche de composé intermétallique (IMC) entre la soudure, les trous traversants et les broches grâce à un contrôle précis de la température de préchauffage et de brasage, éliminant fondamentalement de tels défauts.
• Minimisation de l'impact du stress thermique: Le chauffage localisé évite l'impact sur l'ensemble de la carte de circuit imprimé, en particulier pour les paires différentielles haute vitesse sensibles près des connecteurs THT. Cela protège les structures délicates de micro-vias aveugles et enterrées dans les PCB HDI, en maintenant leurs performances conçues. Pendant ce processus, une conception de montage (ICT/FCT) bien pensée protège non seulement les composants environnants, mais garantit également que le PCB reste plat pendant le traitement thermique, empêchant les changements de longueur du chemin du signal dus à la déformation.

Gestion Thermique de Précision : L'Avantage Principal du Processus de Soudure Sélective

La gestion thermique est un thème éternel dans la conception des substrats d'IA. La « sélectivité » du brasage à la vague sélectif se reflète non seulement dans l'emplacement mais aussi dans la manière dont la chaleur est appliquée. Contrairement à l'approche de « bombardement en tapis » où des cartes entières passent par des fours de refusion, le brasage sélectif est une « frappe de précision ».

Cette gestion thermique précise offre plusieurs avantages clés :

• Protection des composants sensibles à la chaleur : Les substrats d'IA peuvent contenir des modules optiques, des capteurs ou des matériaux spéciaux extrêmement sensibles à la température. Le brasage sélectif confine strictement la chaleur aux zones THT de quelques millimètres carrés seulement, protégeant efficacement ces composants coûteux et fragiles.
• Prévention du gauchissement des PCB : Les grands substrats d'IA à nombre élevé de couches sont sujets au gauchissement après des cycles thermiques inégaux ou excessifs. Le gauchissement affecte gravement la fiabilité des joints de soudure BGA et peut même provoquer des défaillances de connexion micro-bump entre les chiplets et les substrats. La caractéristique de chauffage localisé du brasage sélectif réduit considérablement la contrainte thermique globale sur la carte, ce qui en fait un processus clé pour le contrôle du gauchissement.
• Fenêtre de processus plus large : Sans être contraint par la tolérance de température la plus basse des composants sur l'ensemble de la carte, les paramètres de brasage peuvent être optimisés spécifiquement pour les composants THT, ce qui conduit à des résultats de brasage supérieurs.

Quel est le rôle critique de la conception du support dans le brasage sélectif ?

Si l'équipement de soudure à la vague sélective est un scalpel, alors le support/gabarit de soudure est la table d'opération qui stabilise le patient et le bouclier protecteur qui isole les tissus environnants. Une excellente conception du gabarit est une condition préalable au succès du processus.

Les fonctions principales des gabarits incluent :

1. Protection par blindage: Les gabarits ouvrent précisément des fenêtres pour exposer uniquement les broches THT nécessitant une soudure, tout en couvrant et protégeant solidement tous les composants SMT de la carte du contact avec la soudure en fusion.
2. Support et positionnement: Pour les PCB grands ou irréguliers, les gabarits offrent un support robuste pour éviter l'affaissement ou la déformation pendant la soudure due à la gravité ou à la chaleur.
3. Guidage du flux de soudure: La conception du gabarit affecte la dynamique des fluides de la vague de soudure, assurant un remplissage en douceur des trous traversants et la formation de joints de soudure parfaits.

Par conséquent, la conception professionnelle de gabarits (ICT/FCT) est une discipline d'ingénierie complète impliquant la science des matériaux, la thermodynamique et l'usinage de précision. Les fournisseurs de services d'assemblage clé en main comme HILPCB le considèrent généralement comme une partie essentielle de l'analyse DFM (Design for Manufacturability), collaborant avec les clients pour optimiser les conceptions et garantir la plus haute qualité de soudure dès la première carte.

### Comment vérifier la qualité de la soudure via Boundary-Scan/JTAG ? Une fois la soudure terminée, la vérification est une étape essentielle. Pour les broches de connecteur THT densément emballées, les tests traditionnels par sonde volante ou ICT (In-Circuit Testing) peuvent être impraticables en raison des contraintes d'espace. Dans de tels cas, le test **Boundary-Scan/JTAG** (norme IEEE 1149.1) devient particulièrement important.

JTAG accède à la logique de test interne des puces via les broches du connecteur, permettant la détection de circuits ouverts (déconnexions) et de courts-circuits (broches adjacentes pontées) causés par des problèmes de soudure sans avoir besoin de sondes physiques. Après la soudure à la vague sélective, l'exécution d'un programme de test Boundary-Scan/JTAG complet peut vérifier efficacement :

• Si toutes les broches du connecteur sont correctement connectées à leurs réseaux correspondants sur le PCB.
• Si un pontage involontaire entre les broches s'est produit pendant le processus de soudure.

Cette vérification au niveau électrique, combinée à des inspections d'apparence physique comme l'AOI (Automated Optical Inspection) ou les rayons X, constitue une évaluation complète de la qualité de la soudure, garantissant que chaque carte accélératrice d'IA livrée est entièrement fonctionnelle.

Comment un système de traçabilité (Traceability/MES) améliore-t-il la fiabilité des processus ?

Dans la fabrication de haute valeur du matériel d'IA, le contrôle des processus et la traçabilité sont des éléments vitaux. Un Traceability/MES (Manufacturing Execution System) robuste joue un rôle critique dans les processus de soudure à la vague sélective. Le système crée un enregistrement numérique unique pour chaque PCB qui passe par la ligne de production, enregistrant tous les paramètres clés à la station de soudure sélective, tels que :

• Lot de soudure et type de flux utilisés
• Profils de température de préchauffage et de soudure
• Temps de maintien pour chaque joint de soudure
• Débit de protection d'azote
• ID de l'opérateur et numéro de série de l'équipement

Cette gestion granulaire de la Traçabilité/MES garantit, d'une part, que chaque carte est produite strictement selon les paramètres de processus établis, assurant une haute cohérence. D'autre part, si des problèmes sont détectés lors des tests ultérieurs ou chez le client, les ingénieurs peuvent rapidement remonter aux lots de production spécifiques et aux données de processus pour une analyse des causes profondes, permettant une résolution rapide des problèmes et une amélioration continue des processus.

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