SMT-монтаж: Освоение фотоэлектрического совместного проектирования и проблем тепловой мощности в печатных платах оптических модулей для центров обработки данных

technology4 ноября 2025 г. 9 мин чтения

SMT-монтажБеспустотная BGA-пайка оплавлениемQSFP-DDOSFPCMISSPI/AOI/РентгенJTAGTHT/пайка в сквозные отверстия

SMT-монтаж: Освоение фотоэлектрического совместного проектирования и проблем тепловой мощности в печатных платах оптических модулей для центров обработки данных

По мере того как центры обработки данных развиваются в сторону скоростей 800G и даже 1.6T, энергопотребление и тепловая плотность подключаемых оптических модулей, таких как QSFP-DD и OSFP, достигли беспрецедентных уровней. Интеграция высокоскоростных DSP-чипов, лазерных драйверов, TIA и пассивных компонентов в высокопроизводительную печатную плату в таком компактном пространстве представляет собой чрезвычайные трудности для процессов SMT-монтажа. Это не просто размещение компонентов, а системный инженерный подход, который объединяет оптические, электрические, тепловые и механические аспекты. Успешное решение для SMT-монтажа должно интегрировать тепловое управление, целостность сигнала и долгосрочную надежность с самого начала этапа проектирования.

В HILPCB мы понимаем сложность производства оптических модулей, которая требует производственных линий SMT, способных не только к высокоточному размещению, но и к гибридным процессам сборки, таким как THT/пайка в отверстия, для удовлетворения требований к установке разъемов и корпусов. Эта статья рассмотрит основные проблемы и решения SMT-монтажа для печатных плат оптических модулей центров обработки данных с точки зрения инженеров по разъемам и волокнам.

Синергия TEC и теплового пути: Управление тепловым потоком от чипа к радиатору

Основные источники тепла в оптических модулях — чипы DSP и лазеры — очень чувствительны к рабочим температурам. В частности, для лазеров стабильность длины волны напрямую зависит от точного контроля температуры, обычно достигаемого с помощью термоэлектрических охладителей (TEC). Эффективное тепловое управление начинается с беспрепятственного теплового пути от чипа к внешнему радиатору (корпусу).

Этот путь охватывает всю структуру печатной платы: тепло, генерируемое чипом, проводится через ТИМ (термоинтерфейсный материал) к медной фольге и тепловым площадкам на печатной плате, затем быстро передается на обратную сторону печатной платы через плотные массивы тепловых переходных отверстий и, наконец, рассеивается через контакт с корпусом модуля или радиатором. Во время SMT-монтажа крайне важно обеспечить соединение с низким тепловым сопротивлением между чипами DSP в корпусе BGA и печатной платой. Именно здесь ключевую роль играет технология низкопустотной BGA-пайки оплавлением. Благодаря вакуумной пайке оплавлением или оптимизированным температурным профилям мы минимизируем образование пустот под паяными соединениями BGA, максимально повышая эффективность теплопроводности и предотвращая локальный перегрев чипа. Хорошо спроектированная печатная плата с высокой теплопроводностью является основой для достижения этой цели.

Согласование КТР и низкая деформация: Краеугольный камень надежности межсоединений высокой плотности

Печатные платы оптических модулей объединяют компоненты с различными материальными системами: DSP-чипы на основе кремния, TOSA/ROSA на керамической основе и печатные платы на основе органических смол. Эти материалы демонстрируют значительные различия в коэффициенте теплового расширения (КТР). Во время экстремальных колебаний температуры при пайке оплавлением (от комнатной температуры до более 250°C) и термических циклов длительной эксплуатации, несоответствие КТР создает значительные механические напряжения, напрямую угрожая надежности BGA и других прецизионных паяных соединений.

Для решения этой проблемы наша стратегия включает:

Выбор материалов: Использование высокоскоростных материалов для печатных плат с низким КТР, таких как Megtron 6 или Tachyon 100G, для минимизации несоответствия расширения с чипами.
Проектирование стека: Применение симметричных структур стека для балансировки внутренних напряжений и эффективного подавления коробления печатной платы во время SMT-монтажа.
Контроль процесса: Точные процессы пайки оплавлением BGA с низким содержанием пустот не только улучшают тепловые характеристики, но и создают более прочные паяные соединения, устойчивые к усталости от напряжений. Для высоконадежных применений также может быть рассмотрено конформное покрытие для дополнительного укрепления паяных соединений от воздействия окружающей среды.

Основные проблемы при сборке оптических модулей

Тепловое управление: Потребляемая мощность, превышающая 20 Вт и сконцентрированная на нескольких квадратных сантиметрах, требует пути теплового сопротивления от чипа до радиатора менее 1-2°C/Вт.
Механическое напряжение: Значительные различия в КТР между чипами, керамикой и печатными платами могут легко привести к выходу из строя паяных соединений BGA при температурных циклах.
Целостность сигнала: Сигналы PAM4 со скоростью 112 Гбит/с чрезвычайно чувствительны к импедансу, перекрестным помехам и джиттеру. Любые дефекты сборки могут привести к сбою соединения.

Профиль оплавления и MSL (Пример)

Этап/Параметр	Типичный диапазон/Практика	Ключевые моменты
Предварительный нагрев/Выдержка	0.5–3°C/s；150–200°C，60–120 s	Активация и выдержка, Защита от брызг припоя
Время пика/ликвидуса	235–250°C; TAL 30–90 s	В сочетании с вакуумом/азотом для уменьшения пустот BGA
Контроль MSL	Соблюдать пределы воздействия и режимы запекания, указанные в техническом паспорте	Записи оплавления/запекания, связанные с MES

Примечание: Это общий пример; обращайтесь к данным паяльной пасты/устройства/подложки и закрепляйте их в FAI до SOP/MES.

Синергия очистки и оптической сборки

Выбирать совместимые системы флюса/очистки для уменьшения ионных остатков; выполнять отбор проб ROSE/SIR после очистки
Контролировать кривые испарения и отверждения перед оптической сборкой, чтобы избежать воздействия на связующие и адгезивные материалы
Выборочное покрытие для критических областей; избегать загрязнения оптических поверхностей и контактов разъемов

Тестирование и отслеживаемость

Установить замкнутый цикл данных SPI/AOI/рентгена с SPC/MES; аномалии вызывают остановку линии/повторное тестирование
Привязать версии прошивки I2C/CMIS и контрольные суммы к серийным номерам; записывать покрытие структурного теста JTAG для межсоединений

Распределение мощности и целостность сигнала для высокоскоростных каналов PAM4

Хотя технология модуляции PAM4 увеличивает скорость передачи данных, она также предъявляет более высокие требования к алгоритмам эквализации DSP, что приводит к резкому росту энергопотребления. Обеспечение стабильного, чистого питания для этих «энергоемких» чипов является необходимым условием для обеспечения качества сигнала (например, открытия глазковой диаграммы и низкого джиттера). Это требует, чтобы сеть распределения питания (PDN) имела чрезвычайно низкое сопротивление.

На этапе SMT-монтажа это означает размещение большого количества развязывающих конденсаторов как можно ближе к выводам питания DSP. Высокоплотные компоновки создают проблемы для автоматической оптической инспекции (AOI), а для паяных соединений BGA, которые невозможно непосредственно зондировать, тестирование Boundary-Scan/JTAG становится критически важным методом для проверки качества пайки и электрического соединения. Через интерфейс JTAG мы можем проверить состояние подключения каждого вывода без физических зондов, обеспечивая целостность PDN. Кроме того, хорошо спроектированное решение Fixture design (ICT/FCT) незаменимо для проверки производительности канала PAM4, поскольку оно обеспечивает стабильную подачу питания и высокоскоростной сбор сигнала во время последующего тестирования.

Расширенное тестирование и валидация: Обеспечение качества сборки и долгосрочной надежности

Требование "нулевого дефекта" для оптических модулей означает, что тестирование должно быть интегрировано на протяжении всего процесса. В HILPCB наш процесс SMT-монтажа включает многоуровневые стратегии тестирования, чтобы гарантировать, что каждая поставляемая печатная плата (PCBA) соответствует самым строгим стандартам.

Онлайн-тестирование (ICT/FCT): Мы разрабатываем индивидуальные тестовые приспособления для каждого оптического модуля. Точная конструкция приспособлений (ICT/FCT) обеспечивает точный контакт с крошечными тестовыми точками, что позволяет подавать питание, осуществлять низкоскоростную передачу сигналов и выполнять базовую функциональную проверку.
JTAG-тестирование: Для сложных компонентов, таких как BGA и FPGA, Boundary-Scan/JTAG является предпочтительным решением для проверки целостности всех паяных соединений выводов. Оно обнаруживает дефекты обрыва или короткого замыкания, которые традиционные оптические или электрические тесты не могут выявить.
Экологические испытания и испытания на надежность: Готовые модули проходят строгие испытания на температурные циклы и старение для выявления ранних отказов. В сценариях, требующих устойчивости к суровым условиям (например, узлы граничных вычислений), мы также применяем конформное покрытие для защиты печатной платы от влаги, пыли и коррозии.

Преимущества сборки HILPCB

✓ Расширенные технологические возможности: Мастерство технологии вакуумной пайки оплавлением обеспечивает пайку BGA с низким уровнем пустот, гарантируя исключительную тепловую производительность и надежность.
✓ Комплексное тестовое покрытие: Сочетает AOI/AXI, Boundary-Scan/JTAG и индивидуальный дизайн оснастки (ICT/FCT) для обеспечения 100% уровня обнаружения дефектов.
✓ Опыт в гибридных технологиях: Бесшовно интегрирует SMT-монтаж с THT/сквозной пайкой, предлагая комплексные услуги от производства печатных плат до полной сборки модулей.
✓ Обеспечение надежности: Предоставляет дополнительные услуги, такие как конформное покрытие (Conformal coating), для увеличения срока службы продукта в суровых условиях.

Гибридный процесс сборки: Синергетическое применение THT и SMT

Хотя оптические модули в основном используют компоненты SMT внутри, их внешние интерфейсы — такие как краевые разъемы платы и металлические корпуса — часто используют технологию сквозного монтажа для более прочного механического крепления. Это требует, чтобы процесс сборки эффективно интегрировал как методы SMT, так и THT/сквозной пайки. В типичном процессе мы сначала выполняем двусторонний монтаж SMT и пайку оплавлением, затем используем селективную волновую пайку или ручную пайку для установки сквозных компонентов. Этот процесс требует точного маскирования и контроля температуры для защиты соседних SMT-компонентов от вторичного воздействия высоких температур. Весь дизайн процесса сборки под ключ, включая настройку станций THT/пайки сквозных отверстий, тщательно оптимизирован для обеспечения максимальной эффективности и стабильного качества пайки. Наконец, все собранные печатные платы (PCBA) проходят окончательное функциональное тестирование и очистку, за которыми следует обработка конформным покрытием в соответствии с требованиями заказчика, подготавливая их к окончательной установке в корпус модуля.

Получить предложение по печатным платам

Заключение

SMT-монтаж оптических модулей для центров обработки данных — это весьма сложная задача системной инженерии, которая выходит далеко за рамки традиционного монтажа печатных плат (PCBA). Она требует от производителей глубоких знаний в области высокоскоростных сигналов, термодинамики и передовых производственных процессов. Каждый шаг критически важен — от достижения оплавления BGA с низким содержанием пустот для оптимизации тепловых путей, до использования Boundary-Scan/JTAG для проверки электрического соединения и интеграции THT/сквозной пайки для повышения механической прочности.

Имея многолетний опыт в производстве высокоскоростных печатных плат и сложной электронной сборке, HILPCB предоставляет клиентам комплексное решение, охватывающее оптимизацию дизайна, изготовление печатных плат и окончательную сборку модулей. Мы стремимся помочь клиентам преодолеть проблемы оптоэлектронного совместного проектирования и тепловые проблемы с помощью передовых технологий SMT-монтажа, ускоряя вывод на рынок продуктов следующего поколения для центров обработки данных.