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AI服务器时代的电路板贴装技术变革 | 面向大型电路板和高密度贴装时代的新一代技术

确立了200×200mm、2.0kg的大型重型元件的贴装技术

作为面向AI服务器的大型重型元件贴装技术,FUJI已经实现了重达1.3kg的元件的稳定贴装。此外,经测试确认,该技术支持贴装最大尺寸为200×200mm、重量为2.0kg的大型重型元件。

新闻稿 确立了AI服务器相关设备用大型重型元件的贴装技术 ~行业首创,可处理200×200mm、2.0kg的大型重型元件~

随着生成式AI的迅速普及,AI服务器市场正迎来爆发期。与此同时,随着GPU、HBM等高性能器件的广泛应用,电路板及贴装元件也在发生显著变化。
在此背景下,制造现场对贴装技术提出了更高要求。无论是大型电路板对应、电路板翘曲对策,还是大型重型元件贴装、高密度贴装等方面,所需的技术水平都已提升至前所未有的高度。

本文将以AI服务器为例,介绍贴装技术正在发生哪些变化,并解析其背后的驱动因素,以及制造现场为应对这些变化需要采取的措施。

1. AI服务器带来的贴装技术变革

随着生成式人工智能的普及,AI服务器市场正在迅速扩大。传统服务器以CPU为核心,而如今搭载多颗GPU的服务器已成为主流。与此同时,HBM(High Bandwidth Memory,高带宽存储器)和高速互连等高性能器件的应用也在持续扩大。

由此,AI服务器发生了如下变化:
・功耗增加
・发热量增加
・元件尺寸大型化
・元件点数增加

这些变化不仅对电路板和贴装元件的设计产生了重大影响,也对贴装现场产生了巨大影响。由于微小的元件偏移和贴装精度波动都会直接影响品质与良品率,因此,对稳定的搬运性能、高精度的贴装能力以及可靠的品质保障提出了比以往更高的要求。
AI服务器是电子设备领域中对贴装技术要求尤为严苛的应用之一,可以说是引领未来贴装技术发展方向的重要市场。

AI服务器的进化及其对贴装技术的影响

传统的服务器主板
传统的服务器主板

以CPU为中心的服务器

搭载多颗GPU
搭载多颗GPU

搭载多颗GPU、
提升AI处理的并行运算性能

高性能器件的采用不断扩大
HBM

HBM(High Bandwidth Memory)
大容量、高带宽内存

HBM

HBM(High Bandwidth Memory)
大容量、高带宽内存

系统性能进一步提升
系统性能进一步提升

高密度集成GPU、HBM和高速互连技术,
实现更高性能

功耗增加 功耗增加
发热量增加 发热量增加
元件尺寸大型化 元件尺寸大型化
元件数量增加 元件数量增加

随着元件和电路板不断向大型化、高密度化方向发展以及高价元件日益增多

我们正迈入一个比以往更加追求「稳定搬运」「精准贴装」「高贴装品质」的时代

2. 服务器主板的进化

在AI服务器中,不仅GPU和HBM不断向高性能化方向发展,支撑它们运行的CPU、电源电路以及散热系统也在持续升级。因此,AI服务器主板的构成与传统服务器主板相比,发生了较大的变化。
例如,随着处理性能的提升,GPU模块和CPU插槽也变得越来越大。此外,负责电源管理和信号处理的周边回路日益复杂,电容和电阻等小型片式元件的数量不断增加。因此,为了在有限的电路板空间内搭载更多元件,高密度贴装技术正在不断发展。
此外,随着元件数量的增加,电路板正呈现出大型化、多层化和重型化的趋势。以往,普通的贴装设备的标准规格就能应对的电路板尺寸,但如今,超过贴装设备的标准规格的大型电路板正日益增多。
由此可见,在AI服务器主板领域,“大型重型元件的增加”、“高密度贴装技术的进步”以及“电路板的大型化、重型化”这3种趋势在同步推进。
随着电路板结构发生上述变化,贴装生产现场需要应对比以往更高的要求。

AI服务器主板的进化(与传统服务器主板的比较)

传统的服务器主板
传统的服务器主板
AI服务器主板
AI服务器主板

AI服务器主板领域正呈现出「大型、重型元件增加」「高密度贴装不断发展」以及「电路板大型化、重型化」三大趋势同步发展的态势

3. 整个电子设备领域的贴装技术变革

在AI服务器领域显现出的贴装技术变革,正逐步延伸至整个电子设备行业。
随着电动化和人工智能应用的不断发展,各领域的电路板及贴装元件正朝着大型化、高密度化方向发展。因此,如何应对大型电路板、解决电路板翘曲问题,以及实现大型重型元件和高密度元件的稳定贴装,已成为整个电路板贴装行业面临的共同课题。

AI服务器

GPU、HBM的大型化
电路板的大型化、高密度化

AI服务器
汽车(电动化)

逆变器、ECU的大型化
高功率、高集成化

汽车(电动化)
汽车(ADAS)

高性能影像识别处理器等
元件的大型化

汽车(ADAS)
通信设备

面向800G网络设备
使用大型ASIC

通信设备
工业设备

随着AI控制和高速影像处理的普及
SoC、FPGA等元件趋于大型化

工业设备

如何应对「大型电路板」「翘曲」「大型、重量元件贴装」「高密度贴装」已成为整个电路板贴装行业的共同课题

4. 贴装现场面临的变化与课题

以AI服务器、车载设备和通信设备等高性能电子设备为代表,随着电路板及所搭载元件的不断变化,整个贴装工艺面临着更高的技术要求。特别是从搬运、元件贴装到品质保证的整个过程中,以下问题已逐渐凸显。

・大型电路板难以实现稳定的搬运和贴装
随着元件数量的增加,AI服务器主板正朝着大型化、多层化和重型化方向发展。由于大型电路板更容易受到自身重量引起的翘曲以及搬运过程中的振动的影响,因此在整个搬运过程中难以保持稳定的状态。此外,电路板尺寸越大,越容易因翘曲或变形而产生位置偏移,从而可能影响贴装品质。

・大型重型元件对贴装精度要求较高
GPU模块、CPU插槽等大型重型元件,在外形、重量及重心位置等方面与普通电子元件存在较大差异。因此,在吸取和搬运过程中容易发生姿势变化和位置偏移,要想保持稳定的贴装品质并不容易。此外,今后还需要应对AI半导体封装以及光电融合(CPO)相关元件等更大、更重的元件。

・需要灵活应对各种元件
AI服务器主板上不仅搭载了GPU模块和CPU插槽,还搭载了DIMM连接器、大型连接器、屏蔽元件等在形状、高度及重量方面各不相同的元件。由于不同元件在吸取方式和贴装条件方面存在差异,因此需要采用能够灵活应对多样化的元件的贴装技术。

・对于高价元件而言,生产过程中的品质保证至关重要
GPU模块、CPU插槽等高价元件一旦发生不良,将造成较大的损失,返修和元件更换也需要耗费大量时间和成本。此外,贴装完大型元件或屏蔽元件后,在后续工序中有时难以确认其接合状态。因此,不仅需要通过检查进行品质确认,还需要在贴装工序中对元件的贴装状态进行确认和记录,以防止不良发生和流出,实现更加可靠的品质保证。

贴装现场出现的变化与课题

AI服务器主板(示意图)
很难稳定搬运大型电路板
很难稳定搬运大型电路板
大型、重量元件
拾取困难
大型、重量元件拾取困难
需要灵活应对各种元件
需要灵活应对各种元件
工序内的
品质保证至关重要
工序内的品质保证

AI服务器主板(示意图)

5. 对下一代贴装设备的要求

为了应对上一章介绍的课题,仅像以往那样“能够准确贴装元件”已不足以满足生产需求。在以AI服务器为代表的高性能电子设备的生产过程中,从电路板搬运、元件贴装到品质保证,整个贴装工艺均需要具备更高水平的技术能力。
因此,新一代贴装设备尤其需要满足以下四项要求。

① 可以稳定地搬运大型电路板
抑制大型电路板因自身重量导致的翘曲以及搬运过程中的振动,同时确保电路板在整个搬运过程中保持稳定的状态。此外,还需要具备应对未来电路板进一步大型化所需的搬运能力,以及能够保持高位置精度的机械结构。

② 能够稳定地搬运大型重型元件
对于大型重型元件而言,在抑制元件姿势变化和位置偏移的同时,实现稳定的搬运和贴装至关重要。此外,还需具备扩展性,以便今后能够灵活应对尺寸更大、更重的元件。

③ 可以灵活对应各种元件
在AI服务器主板上,从片式元件到大型连接器、CPU插槽‌,各种元件混合搭载在一起。因此,需要具备可以根据各元件的形状、高度和重量,灵活选择最佳吸取、识别和贴装条件的灵活性。

④ 能够在生产过程中保证品质
对于高价元件而言,重要的并非是在后续工序中发现不良,而是在贴装工序内及时检测出异常,并对贴装状态进行确认和记录。不能只依赖检查,更需要建立能够在生产过程中实现品质保证的机制,而这一点比以往任何时候都更加重要。

综上所述,下一代贴装设备需要具备以下能力:支持大型电路板的贴装、处理大型重型元件、灵活应对各类元件,以及在贴装工序内实现高水平的品质保证。

在下一章中,我们将介绍FUJI针对这些要求提供的解决方案。

6. FUJI提出的大型电路板及大型重型元件贴装解决方案

针对以AI服务器为代表的高性能电子设备,不仅需要对应大型电路板以及大型重型元件,还要求实现高精度贴装和工序内品质保证,因此在整个贴装工序中都需要具备更高水平的技术能力。
为应对这些课题,FUJI提供5大贴装解决方案,从搬运、元件贴装到品质保证,为整个贴装工序提供全方位支持。

① 稳定地搬运大型电路板
・可轻松应对大型电路板的搬运机构
 可搬运最大重量达13kg的电路板
・通过全新的校正功能,维持高贴装精度

② 稳定地贴装大型重型元件
・支持大型重型元件的专用单元
・实现稳定的元件吸取和高品质贴装
新闻稿 确立了AI服务器相关设备用大型重型元件的贴装技术 ~行业首创,可处理200×200mm、2.0kg的大型重型元件~

③ 即使是有翘曲的电路板,也能实现高精度贴装
・针对不同元件,优化控制贴装高度和贴装压力
・降低电路板翘曲对品质的影响
解决高密度贴装时代的品质课题 | 介绍“贴装高度调整功能”

④ 灵活对应各种物料
・对元件形状和插针前端的精确影像识别
・针对不同元件的差异化需求,灵活应对不同的贴装高度、搬运条件及贴装压力

⑤ 在工序内保证品质
・通过3D共面性检查排除形状不合格的元件,通过LCR检测排除常数错误的元件
・通过贴装压力记录进行追溯管理
防止片式元件的误贴装 LCR检测功能的介绍

稳定传送大型电路板

稳定传送大型、重型电路板
新校正功能

稳定传送大型电路板
支持大型、重型元件

稳定地拾取
支持大型元件的供料单元

支持大型、重型元件
即使是有翘曲的电路板,
也能实现高精度贴装

掌握电路板的翘曲状态
检测到元件和电路板接触后再释放元件

即使是有翘曲的电路板也能实现高精度贴装

始终以适度的压力贴装

灵活应对各种元件

对插针前端进行精准的影像识别

灵活应对各种元件
工序内的品质保证

通过3D共面性检查排除形状不合格的元件,通过LCR检测排除常数错误的元件
贴装压力追溯

工序内的品质保证

FUJI将通过全方位的解决方案,应对下一代贴装所面临的挑战

随着AI服务器市场的不断扩大,贴装设备不仅需要完成元件贴装,还必须在更高水平上兼顾贴装品质与生产效率。
FUJI通过将大型电路板的稳定搬运、大型重量元件的对应、高精度贴装控制、对多种元件的灵活对应,以及生产工序内的品质保证相结合,为AI服务器、车载设备、通信设备、工业设备等下一代电子设备的贴装提供支持。

7. 总结

随着AI服务器市场的不断扩大,贴装现场在大型电路板对应、电路板翘曲对策、大型重型元件吸取、多样化的元件的贴装以及工序内品质保证等方面,正面临更高要求,需要比以往更先进的贴装技术。
这种变化不仅局限于AI服务器,正逐步延伸至车载设备、通信设备、工业设备等整个高性能电子设备领域。未来的贴装设备不仅需要应对当前的生产课题,还必须能够灵活应对未来电路板和元件的发展变化。

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