创新解决方案直击AI对PCB制造与组装的影响

AI对各行各业的广泛渗透，正显著赋能各类现代应用场景。其核心在于AI利用层状架构组织的卷积等数学函数进行“学习”。通过处理特定应用的数据集，并基于独特输入开展训练，AI系统便能精准推断并输出结果。

AI技术的迅猛需求，已将嵌入式系统及超级计算机、数据中心等AI支撑基础设施的运行推向极限。为满足严苛的算力要求，不仅需要强劲且高功耗密度的处理器，还需配套兼顾热管理的布局与设计实践。

这就要求创新的硅芯片与制造工艺、先进封装技术，以及精密的电路板制造与组装工艺协同发力，这一要求对整个电子制造供应链构成挑战（图1）。

PCB制造商与电子制造服务（EMS）企业，必须针对AI服务器及边缘设备，适配定制化的板级布局、高速互连方案，以及兼顾热管理的组装工艺。

迈向超大规模计算时代

高性能计算

高性能计算（HPC），亦称超级计算，是指通过整合运算能力，攻克复杂的计算难题。HPC始终依托具备片上并行能力的高性能加速器，实现数据的高效复用。在机架层面，HPC设施部署独立服务器，通过高速通信网络互联，服务器组进而形成更大的计算集群或超级计算机。

HPC高度协同的基础设施，专为运行极度复杂的模拟任务而优化。全球研究人员已加速推进超大规模计算进程，致力于研发每秒浮点运算次数（FLOPS）突破10¹⁸的超级计算机。这一算力可用于攻克诸多复杂的现实难题，包括：

• 微生物的识别及逆向工程，生产特效抗生素；
• 搭建并测试大规模反应装置，加速碳捕集技术的设计研发；
• 精准模拟原子与分子的运动及相互作用，深化人类对分子动力学的认知；
• 构建地震期间地壳运动的计算模型，辅助工程师锁定强震高风险区域。

数据中心

尽管传统HPC应用已为AI工作负载提供支撑，但传统数据中心正努力向AI优化方向转型。近年来，伴随生成式AI的日益普及，AI对基础设施的需求呈爆发式增长，ChatGPT、DeepSeek、Gemini等多模态大语言模型（MLLM）的应用愈发广泛。考虑到人们日常使用AI的频率，再乘以数据中心所服务的总人口数，其资源需求之巨令人惊叹：从企业、边缘及托管数据中心的数百用户，到云设施与超大规模数据中心的数百万用户。尽管传统数据中心多运行对服务器同步要求较低的分布式应用，但HPC与数据中心在需求层面仍存在交集。

一方面，AI的资源需求也推动数据中心向超大规模计算迈进。为适配AI工作负载，优化HPC和数据中心均需大规模部署高功耗GPU，以满足流量需求。此外，依托海量数据集训练复杂深度学习模型，同样是一项艰巨挑战，往往需借助由互联机架构成的集群（即超级计算机）实现。这一过程从设施层级到机架，直至芯片层面，均对整个数据中心基础设施施加了巨大压力。

功耗与热管理

挑战

面向HPC（高性能计算）与数据中心的GPU，往往依托复杂的微架构，支持千亿级晶体管，并采用4nm或5nm等尖端工艺节点，以满足AI工作负载的需求。此类处理器功耗极高：以英特尔Max系列（应用于Aurora超大规模超级计算机）为例，其功耗高达600W；而英伟达Blackwell（G200）的功耗更是攀升至1000W。这一挑战不仅存在于半导体层面，更延伸至系统层级。因此，AI优化型数据中心及HPC设施的机架功率密度，已从标准的5kW至10kW，跃升至100kW以上。

首要挑战在于如何为机架内海量核心输送电力。为应对AI激增的功耗需求，数据中心已从12V供电轨升级至48V。且随着算力需求的持续攀升，供电轨还将进一步提升。高功率密度的电源单元（PSU，多采用氮化镓即GaN技术）通过垂直（或横向）供电模块，向AI加速卡输送电力。这些模块经优化，可满足GPU所需的数千安培级别的大电流供给。

解决方案

热管理是制约高密度算力基础设施发展的最大挑战。散热手段必须突破数据中心传统依赖的强制风冷模式。事实上，随着数据中心与HPC迈向超大规模计算，若不采用液冷技术，芯片热点问题将难以有效化解。为满足每平方厘米50 W至100 W的散热需求，直接接触芯片（DTC）及浸没式冷却等技术已取代强制风冷对流，成为必然选择。

DTC冷却高度依赖以下几项关键技术：

• 微通道冷板：通常以铜材为主，通过流道循环冷却液，部分流道内置紊流器，以最大化热传导效率；
• 进出口布局：经过优化设计，在提升热交换效率的同时，最大限度减少液流间的不利干扰；
• 介电冷却液：吸收组件热量，并将其输送至冷却液分配单元（CDU）；
• 热界面材料（TIM）：用于最大限度降低各表面间的热阻（Rth），将热量从AI加速卡的封装散热顶盖或无盖裸芯，高效传导至冷板（图3）。

从PCB组装（EMS）材料来看，TIM是首要考量因素。界面的表面平整度与粗糙度、AI封装或裸芯与冷板间的热膨胀系数（CTE）失配、接触压力波动以及表面污染等，均会阻碍热传导，进而影响热阻（Rth）。

焊料型或烧结型热界面材料（sTIM，亦称TIM1），凭借针对无盖裸芯半导体的高导热特性，成为DTC冷却的理想之选。sTIM多以铟为基材，利用高各向同性导热率、优异的润湿性及对精细结构的兼容性，实现热阻最小化，强化热传导路径。这类材料专为高热循环耐久性而设计，兼具高热膨胀系数、低模量与强附着力——这些特性对于紧凑型高密度的HPC及数据中心应用至关重要。

基于聚合物的TIM（TIM 1.5及TIM2），无论用于裸芯与散热片之间，还是顶盖/散热顶盖与散热片之间，虽导热率低于TIM1，但其质地相对柔软柔韧，能有效吸收界面处因CTE失配而引发的热机械应力。表1展示了可用的TIM材料选项。建议设计者选用最薄的解决方案，以填充热界面。

高速数字技术

挑战

在PCB层级，NVLink、InfiniBand及PCIe等高速通信链路，是AI海量数据收发的关键，这直接催生了对高密度互连（HDI）PCB的需求。采用新一代双倍数据速率（DDR）标准的存储模块，同样高度依赖HDI设计。相较于标准多层板，HDI PCB的制造工艺复杂度显著提升，不仅涉及多次层压，更需精密的激光钻孔堆叠微盲孔。现代HDI布局融合了从通孔到微盲孔的各种孔型及孔径比。随着孔密度增加，加之元器件间距极小、封装引脚密集等精细化特征，线宽/线距（L/S）的工艺门槛已下探至25/25微米；目前，众多设计正向20/20微米迈进，部分甚至尝试挑战15/15微米。需指出的是，低于15/15微米的线宽/线距目前主要见于IC基板技术。

这一趋势给制造商带来了巨大压力，传统能产出50/50微米线宽/线距的减成法工艺已难以为继。取而代之的，是半加成法（SAP）或改良型半加成法（mSAP），以满足HDI所需的细线图形。具体而言，不再对整个表面进行铜层电镀后再经光阻成像蚀刻，而是直接在线路图形上沉积铜层至目标厚度。这已成为PCB制造的必然演进方向，其核心在于实现孔金属化（即一次金属化）工艺的完整性，通过构建导电种子层实现后续电镀。

解决方案

传统工艺中，通常采用化学沉铜来沉积金属化种子层，随后再增厚至目标厚度。然而，在主要镀铜前引入的钯层，极易引发界面缺陷，导致目标焊盘剥离（图5）。

在微盲孔应用场景下，这些问题表现得尤为突出。

直接电镀金属化（DM）工艺也是一种替代方案。该工艺首先对表面进行整平处理，随后涂覆碳或石墨材料，再经微蚀工艺清除铜区（含目标焊盘）的碳颗粒。由于实现了基底铜与电镀铜的直接键合，界面缺陷大幅减少，从而显著提升了过孔及板件的可靠性。对于HPC及数据中心等热管理要求极高的PCB及组件而言，高可靠性尤为关键。

此外，针对mSAP工艺需求，还开发了低蚀刻量的DM技术。DM工艺与各类电镀铜体系均具备良好兼容性，涵盖直流（DC）、周期换向脉冲（PPR）以及填孔电镀工艺。DM技术对于超越传统共形电镀槽液的新型通孔工艺至关重要，能够实现对不同尺寸通孔的优先电镀。共形通孔填充使通孔与表面铜以1:1比例沉积，而通孔填充化学物在孔内沉积速率高于表面。

如图6所示，这些通孔填充化学物有助于提升复杂孔结构板卡的设计能力，如堆叠通孔、交错通孔及任意层积层通孔等需填充的孔型。换言之，通孔填充技术可同时实现高填充性能的通孔填充，以及mSAP所需的可靠通孔电镀，且表面铜增厚极小。

速度、规模与可持续性

挑战

数据中心与高性能计算（HPC）运营商正面临日益严峻的压力，需全力支撑全球制造业运转，维系供应链敏捷性，并加速AI硬件平台的上市进程。与此同时，可持续发展目标、本地电网供电能力的波动，以及通过购电协议引入可再生能源的举措，令上述需求更趋复杂。随着AI工作负载的持续扩张，对电力、水资源及土地的需求也会加大，如何在扩展基础设施的同时最大限度降低资源消耗，已成为一项长期面临的压力。

此外，可持续发展目标对于PCB制造、原始设备制造商（OEM）及电子制造服务（EMS）网络而言，已变得愈发关键。这些目标涵盖在生产过程中减少有害物质及贵金属的使用，以确保符合环境、健康与安全（EHS）规范。PCB制造与组装始终面临多重挑战：既要最大化工艺效率、降低成本，又要紧跟技术迭代步伐，满足下一代技术对升级版层压材料、超精细线宽/线距（L/S）以及更高孔径比过孔的需求。

解决方案

对于上述需求，需对整个材料供应链进行深度审视。现有制造工艺中的材料兼容性，是优化规模化生产、提升效率与可靠性并降低成本的关键所在。必须对固化温度、压力要求、公差极限等诸多因素进行综合评估，以实现电子组件的连接、加固、防护及热管理。在快节奏的生产环境中，应优化所用材料，尽可能兼顾可返工性与可修复性，从而减少浪费、提升良率。

从可持续发展维度来看，直接电镀金属化（DM）等工艺相较于化学沉铜工艺，在水耗、能耗、化学品消耗及废弃物处理方面实现了显著削减。同时，该工艺通过摒弃甲醛等有害物质，并省去了对钯等贵金属的依赖。

低温无铅焊料是推动电路组装绿色化的另一项关键技术。通过将回流焊温度从250°C降至175°C，EMS企业可将单次生产能耗降低30%以上。

在聚合物中增加生物基材料的使用，如应用于底部填充增强、保形涂料及灌封胶等领域，有助于替代石油基原料。这一转变既有助于符合EHS标准，又能为电路防护提供更具环保效益的解决方案。

结论

AI带来的算力与功耗负荷，给整个电子供应链（从半导体到系统端）均施加了压力。对EMS而言，材料层面的挑战最为显著：即便板级密度持续攀升，也必须确保卓越的热管理效能。这意味着，用于电子组件连接、加固、防护及热管理的材料，必须具备工艺适配性以支撑规模化生产与PCB可靠性，同时兼具可返工特性以提升良率。对于PCB制造商而言，直接金属化技术不仅提升了HDI制造水平，更有效支撑了新兴的改良型半加成法（mSAP）工艺需求。

麦德美爱法凭借独特优势，满足上述需求。公司提供覆盖电路板组装、板级互连及热管理的全面产品组合，并高度重视工艺兼容性与可靠性。例如，麦德美爱法提供的可返工材料广泛应用于PCB组装工艺（如边缘键合），确保降低原型开发成本。

其资深技术团队全力协助制造商与组装商实现高首次通过率、卓越的热/电性能以及高效设计。这些因素协同发力，不仅提高I/O数量，减少工艺节点，更确保了行业顶尖的可靠性与电气性能。欲了解更多详情，请联系麦德美爱法电子解决方案。