详解高密 PCB 走线布线的垂直导电结构 (VeCS)

30 Nov 2023 • 1 minute read

本文要点：
• 什么是垂直导电结构 (Vertical Conductive Structures, VeCS)及其工作原理。
• 利用 VeCS 进行 PCB 设计的优势。
• 使用 VeCS 技术设计电路板的后续步骤。

长久以来，我们不断努力改进电路板的设计和构建——从通孔到表面贴装元件，从双层电路板到多层电路板，从普通导线走线到高密布线。想想如今，似乎已没有什么可供一试的新鲜技术，但其实并不然。

一块高速高密印刷电路板。

为了尽可能有效地利用可用的电路板空间，目前业内正在引入一种新的走线布线方法。这种方法使用垂直导电结构 (Vertical Conductive Structures，VeCS)，允许在板层堆叠中垂直布线，而不是使用传统的过孔。显然，这样做可以节省不少空间，还额外带来许多好处。下面我们来具体了解一下。

VeCS 及其工作原理

在拥有大量引脚、遍布细间距元件的高密电路板上布线，挑战之一是为所有的走线找到足够的布线通道。即便使用微孔和 BGA 盘中孔 (via-in-pad) 技术进行逃逸布线，用于布线的可用空间也会很快用完。另一个问题是，为了在更多的层上打更深的孔，必须增加钻孔直径，这也占用了更多的空间。此时，垂直导电结构 (VeCS) 就有了用武之地。

VeCS 技术允许走线垂直穿过电路板的堆叠，从而取代了钻孔。除了传统的制造通孔电路所需的设备外，该技术不需要使用任何专门的设备，但它会将 PCB 的布线密度提高到接近高密互连 (HDI) 的水平。以下是在电路板上制造 VeCS 的基本步骤：

1. 从顶部看，通过在电路板材料上钻孔和/或布线来创建一个插槽。

2. 根据标准的 PCB 制造技术，对该插槽进行金属化和电镀处理。

3. 较大的钻孔相邻放置，以钻出不需要的金属。

4. 剩下的是小的、垂直的走线，贯穿电路板的堆叠。

VeCS 的基本制造过程

当然，这只是一个非常基本的例子，实际制造过程取决于每个应用的具体要求。如上图底部所示，红色的小区域是垂直穿过电路板的金属。然后，这些垂直的导体可以触及电路板内层的普通水平走线。

可以在垂直导电结构中使用两种插槽技术：VeCS-1 和 VeCS-2。第一种类型的插槽穿过整个电路板堆叠，而第二种类型则用于多级盲孔连接。由于 VeCS 是使用标准工艺制造的，它们也可以与通孔、盲孔和埋孔以及微孔技术结合使用。这提供了诸多优势，详见下文讨论。

利用 VeCS 进行 PCB 设计的优势

从上图可以看到，垂直导体的横截面更小，比钻孔的横截面更接近于标准走线。与通孔相比，这种导体轮廓最终导致网络的电感量更小。同时，更有利于垂直走线将信号传递到参考平面，所有这些都有助于改善电路板的整体信号完整性。

不过，最主要的优势可能是 VeCS 为走线布线增加了布线通道。对于一个具有 0.5 毫米间距引脚的 BGA 元件，使用盘中孔进行逃逸布线时，在内层布线通道上的孔之间的空间仅够布设一条走线。然而，通过使用 VeCS，布线通道的数量增加到了五个。在下图中，可以看到两者之间的区别，左边是标准的盘中孔逃逸布线模式，右边是 VeCS。

蓝色代表钻孔或布线的区域，而红色是可以通过内层的通道进行布线的走线。可以看到，黄色的垂直走线连接到黑色的 BGA 焊盘，然后向下延伸通过电路板层堆叠。同样，这只是一个基本的例子，但它可以让我们了解 VeCS 所能提供的一些空间优势。

盘中孔和 VeCS 布线比较。

有了增加布线密度的能力，电路板的尺寸和/或层数就可减少；这也会降低制造成本。那么，如何才能在 PCB 上设计 VeCS？

使用 VeCS 技术设计电路板的步骤

制造和设计垂直导电结构 (VeCS) 的技术早已问世。PCB 设计 CAD 工具经过恰当设置后可以与这种技术配合使用；此外，一些先进的设计系统，如 Cadence Allegro PCB Designer，无需额外配置即可设计 VeCS。同时，也要确保与您合作的 PCB 制造厂经过许可，能够生产这种技术。一旦确认了这一点，就可以开始探索这项新技术了。

在我们的行业中，还会出现更多新的电路板设计和制造技术，为了保持领先，我们应该做好准备，在这些新的技术出现时进行大胆探索。要实现这一点，需要拥有一个能够支持这些新技术的 PCB 设计系统作为设计过程的基础。Cadence 的 Allegro X Design Platform 经过妥当设置，可以很好地支持 VeCS 和许多其他新兴技术。

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