詳解高密 PCB走線布線的垂直導電結構 (VeCS)

本文要點：

什么是垂直導電結構（Vertical Conductive Structures，VeCS）及其工作原理。

利用 VeCS 進行PCB設計的優勢。

使用 VeCS 技術設計電路板的后續步驟。

長久以來，我們不斷努力改進設計和構建電路板的方式——已從通孔發展到表面貼裝元件，從雙層電路板發展到多層電路板，從普通導線走線發展到高密布線。似乎如今已沒有什么可以嘗試的新鮮技術，然而這種想法是錯誤的。

一塊高速高密印刷電路板。

為了盡可能有效地利用可用的電路板空間，目前業內正在引入一種新的走線布線方法。這種方法使用垂直導電結構 (Vertical Conductive Structures，VeCS)，允許在板層堆疊中垂直布線，而不是使用傳統的過孔。顯然，這樣做可以節省不少空間，還額外帶來許多其他好處。下面我們來具體了解一下。

VeCS 及其工作原理

在擁有大量引腳、遍布細間距元件的高密電路板上進行布線，挑戰之一是為所有的走線找到足夠的布線通道。即便使用微孔和 BGA 盤中孔 (via-in-pad) 技術進行逃逸布線，用于布線的可用空間也會很快用完。另一個問題是，為了在更多的層上打更深的孔，必須增加鉆孔直徑，這也占用了更多的空間。此時，垂直導電結構 (VeCS) 就有了用武之地。

VeCS 技術允許走線垂直穿過電路板的堆疊，從而取代了鉆孔。除了傳統的制造通孔電路所需的設備外，該技術不需要使用任何專門的設備，但它會將 PCB 的布線密度提高到接近高密互連 (HDI) 的水平。以下是在電路板上制造 VeCS 的基本步驟，如下圖所示：

從頂部看，通過在電路板材料上鉆孔和/或布線來創建一個插槽。

根據標準的 PCB 制造技術，對該插槽進行金屬化和電鍍處理。

較大的鉆孔相鄰放置，以鉆出不需要的金屬。

較大的鉆孔相鄰放置，以鉆出不需要的金屬。

VeCS 的基本制造過程。

當然，這只是一個非?；镜睦?，實際制造過程取決于每個應用的具體要求。如上圖底部所示，紅色的小區域是垂直穿過電路板的金屬。然后，這些垂直的導體可以觸及電路板內層的普通水平走線。

可以在垂直導電結構中使用兩種插槽技術：VeCS-1 和 VeCS-2。第一種類型的插槽穿過整個電路板堆疊，而第二種類型則用于多級盲孔連接。由于 VeCS 是使用標準工藝制造的，它們也可以與通孔、盲孔和埋孔以及微孔技術結合使用。這提供了諸多優勢，詳見下文討論。

利用 VeCS 進行 PCB 設計的優勢

從上圖可以看到，垂直導體的橫截面更小，比鉆孔的橫截面更接近于標準走線。與通孔相比，這種導體輪廓最終導致網絡的電感量更小。同時，更有利于垂直走線將信號傳遞到參考平面，所有這些都有助于改善電路板的整體信號完整性。

不過，最主要的優勢可能是 VeCS 為走線布線增加了布線通道。對于一個具有 0.5 毫米間距引腳的 BGA 元件，使用盤中孔進行逃逸布線時，在內層布線通道上的孔之間的空間僅夠布設一條走線。然而，通過使用 VeCS，布線通道的數量增加到了五個。在下圖中，可以看到兩者之間的區別，左邊是標準的盤中孔逃逸布線模式，右邊是 VeCS。

藍色代表鉆孔或布線的區域，而紅色是可以通過內層的通道進行布線的走線?？梢钥吹?，黃色的垂直走線連接到黑色的 BGA 焊盤，然后向下延伸通過電路板層堆疊。同樣，這只是一個基本的例子，但它可以讓我們了解 VeCS 所能提供的一些空間優勢。

盤中孔和 VeCS 布線比較。

有了增加布線密度的能力，電路板的尺寸和/或層數就可以減少；這也會降低制造成本。那么下一個問題是，如何才能在 PCB 上設計 VeCS？

使用 VeCS 技術設計電路板的步驟

制造和設計垂直導電結構 (VeCS) 的技術早已問世。PCB 設計 CAD 工具經過恰當設置后可以與這種技術配合使用；此外，一些先進的設計系統，如Cadence Allegro PCB Designer，無需額外配置即可設計 VeCS。同時，也要確保合作的 PCB 制造廠經過許可，能夠生產這種技術。一旦確認了這一點，就可以開始探索這項新技術了。

在我們的行業中，還會出現更多新的電路板設計和制造技術，為了保持領先，我們應該做好準備，在這些新的技術出現時進行大膽探索。要實現這一點，需要擁有一個能夠支持這些新技術的 PCB 設計系統作為設計過程的基礎。事實證明，Allegro PCB Designer 經過妥當設置，可以很好地支持 VeCS 和許多其他新興技術。

文章來源：Cadence楷登PCB及封裝資源中心

審核編輯 黃宇