На волне искусственного интеллекта (ИИ) и высокопроизводительных вычислений (HPC) внимание отрасли в значительной степени сосредоточено на передовых технологиях упаковки, таких как CoWoS, Chiplet и подложки с высокой плотностью межсоединений (HDI). Однако, когда мы углубляемся в карты-ускорители ИИ и серверные материнские платы, которые обрабатывают киловатты мощности и огромные объемы данных, казалось бы, традиционная, но критически важная технология — THT/пайка в отверстия — по-прежнему играет незаменимую роль. Как инженер, специализирующийся на проектировании тепловых интерфейсов и контроле допусков, я понимаю, что стабильность и надежность системы зависят не только от передовых межсоединений чипов, но и от тех фундаментальных компонентов, которые молча выдерживают огромное электрическое и механическое напряжение. Эта статья всесторонне проанализирует основную ценность, технические проблемы и интеграцию THT/пайки в отверстия с передовыми производственными процессами в современном оборудовании ИИ.

Почему THT/пайка в отверстия по-прежнему незаменима в эпоху ИИ?

Хотя технология поверхностного монтажа (сборка SMT) стала мейнстримом благодаря своим преимуществам в высокой плотности и автоматизации, технология THT предлагает три основные сильные стороны, недостижимые для SMT в требовательных приложениях оборудования ИИ: исключительная механическая прочность, высокая токонесущая способность и эффективные пути теплопроводности.

1. Беспрецедентная механическая прочность: Серверы ИИ и карты-ускорители часто оснащаются крупными, тяжелыми компонентами, такими как мощные разъемы (например, краевые разъемы карт PCIe, клеммы ввода питания), большие индукторы, трансформаторы и монтажные кронштейны радиаторов. Выводы THT-компонентов проникают в печатную плату и полностью герметизируются припоем внутри отверстий, образуя чрезвычайно прочное механическое крепление. Этот метод соединения способен выдерживать интенсивные вибрации, удары и механические нагрузки от частого подключения и отключения, обеспечивая физическую целостность системы во время транспортировки, установки и длительной эксплуатации — чего не может обеспечить хрупкая структура паяных соединений SMT, работающая на сдвиг.

2. Обработка сверхвысоких токов и мощностей: Современные графические процессоры ИИ могут достигать мгновенного энергопотребления в диапазоне киловатт, что предъявляет экстремальные требования к сети распределения питания (PDN). Выводы THT обеспечивают значительно большую площадь поперечного сечения и контакта по сравнению с SMT-площадками, что позволяет им пропускать сотни ампер с минимальным сопротивлением. Это критически важно для стабильности основных входов питания, выходных каскадов модулей регуляторов напряжения (VRM) и других сильноточных цепей, эффективно снижая потери мощности и падение напряжения для обеспечения стабильной подачи питания на чипы ИИ при экстремальных нагрузках.

3. Эффективные тепловые пути: Как инженер по проектированию тепловых интерфейсов, я уделяю особое внимание путям рассеивания тепла компонентов. Металлические выводы THT и металлизированные сквозные отверстия (PTH) по своей природе являются отличными теплопроводниками. Для высокотемпературных компонентов, таких как MOSFET в VRM и большие индукторы, структура THT не только проводит тепло через выводы к внутренним слоям питания и заземления печатной платы, но также эффективно рассеивает тепло в воздух или на радиаторы через большие области паяных соединений. Этот «трехмерный» тепловой путь значительно превосходит «плоское» рассеивание тепла SMT-компонентов, которые полагаются исключительно на паяльные площадки.

Таким образом, современное проектирование аппаратного обеспечения ИИ — это не выбор между THT и SMT, а синергия обоих подходов. Секции логики и управления высокой плотности используют SMT-монтаж, в то время как секции с высокой мощностью, высокой нагрузкой и высоким тепловыделением полагаются на THT/сквозную пайку, совместно создавая стабильную и надежную сложную электронную систему.

Критическая роль THT в сетях распределения питания (PDN) подложек ИИ

Чипы ИИ очень чувствительны к качеству питания, характеризующемуся высоким стационарным энергопотреблением и сильными переходными колебаниями тока. Надежная PDN является основой для обеспечения стабильной работы SoC ИИ, и технология THT является ключом к созданию этой основы. Во-первых, основной ввод питания карт-ускорителей ИИ обычно осуществляется через прочные THT-разъемы, такие как 12VHPWR или специализированные многоконтактные силовые клеммы. Эти разъемы должны выдерживать значительные усилия при вставке/извлечении и постоянные высокие токи, и только механическая анкерная способность THT может гарантировать долгосрочную надежность. Любое ослабление или увеличение сопротивления в точках соединения может привести к катастрофическим сбоям. Во-вторых, в конструкции встроенных VRM индукторы и выходные конденсаторы на высокотоковых путях обычно используют THT-корпуса. Эти компоненты не только велики по размеру и весу, но также генерируют значительные электромагнитные силы и тепло во время работы. Пайка THT обеспечивает прочное электрическое и механическое соединение между ними и печатной платой, предотвращая усталость паяных соединений и отказы, вызванные вибрацией или несоответствием CTE (коэффициента теплового расширения) при высокочастотном переключении и термическом циклировании. Наконец, сквозные отверстия THT сами по себе играют роль «вертикальных магистралей» в проектировании PDN. В материнских платах AI или несущих платах с 20 и более слоями необходимо подключать силовые компоненты на верхнем слое к глубоко расположенным внутренним слоям питания и заземления с минимальной индуктивностью и сопротивлением. Массивы многочисленных переходных отверстий THT, особенно интегрированных с выводами компонентов THT, образуют вертикальные соединения с низким импедансом, эффективно подавляя переходные процессы напряжения и обеспечивая стабильные шины питания. Завод Highleap PCB (HILPCB) имеет большой опыт в производстве печатных плат с толстой медью, способный предоставлять медные слои толщиной 6 унций и более для этих сильноточных компонентов THT, что дополнительно оптимизирует производительность PDN.

Управление проблемами целостности сигнала, вызванными THT в высокоскоростных цепях

Хотя THT предлагает явные преимущества в подаче питания и механической прочности, он может стать кошмаром для целостности сигнала (SI) в высокоскоростных цифровых схемах. Когда высокоскоростные сигналы (такие как PCIe 5.0/6.0) должны проходить через разъемы или компоненты THT, их физическая структура вносит разрывы импеданса, потенциально вызывая сильные отражения и затухание сигнала. Основная проблема связана с «висячими отрезками переходных отверстий» (via stubs). Выводы компонентов THT обычно проникают через всю печатную плату, но сигналы могут проходить только между определенными слоями. Неиспользуемая часть вывода под сигнальными слоями образует висячий отрезок, который действует как антенна, резонируя на определенных частотах и значительно ухудшая качество сигнала.

Для решения этой проблемы необходимо применять передовые методы проектирования и производства:

• Обратное сверление (Back Drilling): Наиболее эффективное решение. После пайки THT избыточная металлизированная часть отверстия (т.е. висячий отрезок) точно высверливается с противоположной стороны печатной платы. Это требует высокоточного сверлильного оборудования и строгого контроля глубины. Услуги HILPCB по производству высокоскоростных печатных плат включают обратное сверление как зрелый критический процесс, эффективно устраняющий деградацию сигнала, связанную с висячими отрезками.
• Оптимизированный дизайн контактных площадок (pad) и анти-площадок (anti-pad): Путем точного расчета размеров контактных площадок и анти-площадок вокруг выводов THT можно контролировать характеристическое сопротивление области, чтобы оно точно соответствовало сопротивлению линии передачи (обычно 50 или 100 Ом), минимизируя разрывы импеданса.
• Планирование пути сигнала: При трассировке высокоскоростные дифференциальные пары должны по возможности избегать областей компонентов THT. Если это неизбежно, обеспечьте кратчайший путь и выполните точные 3D-симуляции электромагнитного поля для прогнозирования и компенсации воздействия.

Проектирование теплового режима и механической надежности для THT-компонентов

С точки зрения теплового проектирования, THT-компоненты служат источниками тепла, путями рассеивания тепла и точками концентрации механических напряжений. Надежное паяное соединение THT должно быть превосходным электрически, термически и механически.

Качество паяного соединения имеет первостепенное значение. Стандарт IPC-A-610 устанавливает четкие требования к внешнему виду и проценту заполнения паяных соединений THT. Идеальное паяное соединение должно образовывать гладкий, вогнутый галтельный шов с заполнением отверстия не менее чем на 75% (для высоконадежных продуктов класса 3). Недостаточное заполнение ослабляет механическую прочность и теплопроводность, в то время как избыток припоя может вызвать короткие замыкания или концентрацию напряжений. Передовые технологии инспекции SPI/AOI/рентген (Контроль паяльной пасты/Автоматический оптический контроль/Рентген) критически важны здесь. В частности, рентгеновская инспекция может проникать в печатную плату для четкой визуализации внутреннего заполнения припоем, что делает ее единственным надежным методом оценки внутреннего качества THT-соединения.

Что касается термоциклирования, существует значительное несоответствие КТР между крупными THT-компонентами и их основными печатными платами. Колебания температуры во время циклов включения/выключения или изменения нагрузки подвергают паяные соединения повторяющимся сдвиговым напряжениям, что в конечном итоге приводит к усталостным трещинам. Конструктивные контрмеры включают:

• Выбор подходящих припойных сплавов: Например, сплавы SAC (олово-серебро-медь) со следовыми добавками обеспечивают лучшую усталостную стойкость.
• Оптимизация конструкции выводов: Некоторые компоненты имеют изгибы для снятия напряжения в своих выводах, чтобы поглощать термическое напряжение.
• Выбор материала печатной платы: Выбор материалов печатных плат с высоким Tg с более низким КТР по оси Z уменьшает деформацию переходных отверстий при изменении температуры, защищая целостность паяных соединений.

Как опытный производитель печатных плат, HILPCB глубоко понимает взаимосвязь между материаловедением и структурной надежностью. Мы помогаем клиентам выбирать наиболее подходящие материалы и проектные решения для их применений, обеспечивая надежность компонентов THT на протяжении всего жизненного цикла продукта.

Технологический процесс производства THT и ключевые точки контроля качества

Высококачественное паяное соединение THT является результатом идеальной интеграции конструкции, материалов и процесса. Его производственный процесс обычно выполняется после процесса монтажа SMT для предотвращения теплового удара небольших компонентов SMT во время волновой пайки.

1. Подготовка и установка компонентов: Выводы THT-компонентов должны быть предварительно сформированы в соответствии с диаметрами отверстий печатной платы. Установка может быть выполнена машинами автоматической установки (AI), но для компонентов неправильной формы или больших размеров часто требуется ручная операция. Квалификация оператора и правильное определение полярности компонента имеют решающее значение.
2. Выбор процесса пайки:

• Волновая пайка: Подходит для случаев, когда компоненты THT плотно распределены на одной стороне печатной платы. Печатная плата проходит через волну расплавленного припоя для одновременного выполнения всех паяных соединений. Ключевым является точный контроль параметров процесса (температура предварительного нагрева, температура пайки, скорость конвейера).
• Селективная пайка: Когда компоненты THT находятся близко к компонентам SMT, используется микросопло для выполнения независимой, программируемой пайки для каждого THT-соединения. Она обеспечивает высокую точность и малую зону термического воздействия, что делает ее предпочтительным выбором для современных высокоплотных смешанных печатных плат.
• Ручная пайка: Для доработки или очень небольшого количества компонентов сертифицированные специалисты выполняют ручную пайку.

3. Контроль качества: Комплексная проверка необходима после пайки. В дополнение к визуальным проверкам, оборудование для SPI/AOI/рентгеновского контроля обеспечивает объективные, повторяемые возможности обнаружения. AOI может быстро проверить, соответствуют ли паяные соединения стандартам IPC, в то время как рентгеновские лучи могут обнаруживать внутренние дефекты, такие как пустоты, недостаточное заполнение или холодные паяные соединения. Во время внедрения нового продукта процесс контроля первого образца (FAI) особенно важен. Путем тщательного измерения и анализа всех паяных соединений THT на первом образце параметры всего производственного процесса могут быть подтверждены и закреплены для обеспечения согласованности в последующем массовом производстве.

Как оптимизировать проектирование и верификацию THT на этапе NPI?

Успех внедрения нового продукта (NPI) напрямую влияет на время выхода продукта на рынок и его конечное качество. Систематическая оптимизация конструкции и процессов THT (Through-Hole Technology) на каждом этапе NPI EVT/DVT/PVT (Engineering/Design/Production Validation Testing) имеет решающее значение для обеспечения успеха проекта.

• Фаза EVT: Основное внимание уделяется проверке конструкции на технологичность (DFM). На этом этапе команда разработчиков печатных плат должна тесно сотрудничать с производственными партнерами, такими как HILPCB. Мы предоставляем профессиональные рекомендации по соотношению диаметра отверстия к выводу THT, конструкции контактных площадок, расстоянию между компонентами и т. д., чтобы гарантировать физическую технологичность и надежность конструкции. Например, чрезмерно большие отверстия могут привести к недостаточному количеству припоя, в то время как слишком маленькие отверстия могут повлиять на эффективность установки и проникновение припоя.
• Фаза DVT: Суть заключается в проверке процесса и тестировании надежности. На этом этапе мы проводим мелкосерийное опытное производство и выполняем строгую Первичную проверку изделия (FAI). С помощью термошока, вибрационных испытаний и анализа поперечного сечения опытных плат мы проверяем долгосрочную надежность паяных соединений THT в смоделированных реальных условиях эксплуатации. На основе результатов испытаний мы точно настраиваем параметры пайки (например, температурные профили) для достижения оптимального качества пайки.
• Фаза PVT: Цель состоит в проверке возможностей массового производства и стабильности процесса. К этому этапу конфигурации производственных линий, оснастка и стандартные операционные процедуры (СОП) финализированы. Мы постоянно отслеживаем производственные данные и применяем методы статистического контроля процессов (SPC) для обеспечения того, чтобы колебания качества пайки THT оставались в приемлемых пределах, готовясь к плавному переходу к массовому производству (MP).

Весь процесс NPI EVT/DVT/PVT представляет собой итеративный и ориентированный на оптимизацию цикл, направленный на выявление и устранение всех проблем, связанных с THT/сквозной пайкой, на ранних этапах проектирования, тем самым снижая риски и затраты на более поздних этапах производства.

Достижение полной прослеживаемости процесса для THT с помощью систем прослеживаемости/MES

Для дорогостоящего оборудования ИИ даже малейший дефект может привести к значительным финансовым потерям. Поэтому полная прослеживаемость процесса становится критически важной. Надежная система управления производством (Прослеживаемость/MES) может записывать и сопоставлять каждый шаг в процессе производства THT, обеспечивая прочную основу данных для контроля качества и анализа отказов.

Применение систем Прослеживаемости/MES в процессах THT включает:

• Прослеживаемость материалов: Система записывает номера партий и информацию о поставщиках каждого компонента THT и привязывает их к серийному номеру окончательно собранной платы. Если обнаружены проблемы с конкретной партией компонентов, все затронутые продукты могут быть быстро идентифицированы.
• Прослеживаемость параметров процесса: Для селективной пайки или волновой пайки система MES в режиме реального времени записывает ключевые параметры, такие как температурные профили, номера партий припоя и типы флюсов, используемые при пайке каждой платы.
• Отслеживаемость персонала и оборудования: Для рабочих станций, требующих ручной установки или пайки, система записывает идентификатор оператора, используемые инструменты и время операции. Это облегчает целенаправленное обучение при возникновении человеческих ошибок.
• Интеграция данных о качестве: Все результаты и изображения инспекций SPI/AOI/рентгеновского контроля загружаются в систему MES и связываются с соответствующим серийным номером платы. Это создает всеобъемлющий архив качества, доступный в любое время для анализа тенденций дефектов или ответа на запросы клиентов.

Внедряя комплексную систему отслеживаемости/MES, HILPCB не только повышает прозрачность и управляемость производства, но и предоставляет клиентам высочайший уровень обеспечения качества, что незаменимо в секторах ИИ и центров обработки данных, где требования к надежности чрезвычайно строги.

Получить предложение по печатным платам

Заключение: Освоение THT — краеугольный камень в преодолении сложности аппаратного обеспечения ИИ

В итоге, THT/пайка в отверстия далека от устаревания. По мере того как аппаратное обеспечение ИИ развивается в сторону более высокой плотности мощности, интеграции и надежности, его роль как прочного моста, соединяющего физический и цифровой миры, становится еще более критичной. От обеспечения надежной механической поддержки и путей для высоких токов до выполнения функций ключевых каналов рассеивания тепла, технология THT решает фундаментальные проблемы, которые SMT не может преодолеть.

Однако, чтобы в полной мере использовать ее преимущества, одновременно снижая потенциальные риски (например, в высокоскоростных сигналах), необходимы глубокие знания в области проектирования, точные производственные процессы и строгие системы контроля качества. Это включает оптимизацию DFM во время NPI, SPI/AOI/рентгеновский контроль в производстве и сквозные системы отслеживания/MES. Партнерство с экспертами, такими как HILPCB, которые преуспевают в передовом производстве печатных плат и сложной сборке смешанных технологий, является ключом к обеспечению успеха ваших продуктов ИИ на конкурентном рынке. Мы стремимся совершенствовать каждый базовый процесс, предоставляя самую надежную физическую основу для ваших инновационных идей.

Related links

• печатных плат с толстой медью
• высокоскоростных печатных плат
• материалов печатных плат с высоким Tg
• сборке смешанных технологий