技術(shù)資訊 I 詳解高密 PCB走線布線的垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu) (VeCS)

本文要點(diǎn)：

什么是垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)（Vertical Conductive Structures，VeCS）及其工作原理。

利用 VeCS 進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。

使用 VeCS 技術(shù)設(shè)計(jì)電路板的后續(xù)步驟。

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

為了盡可能有效地利用可用的電路板空間，目前業(yè)內(nèi)正在引入一種新的走線布線方法。這種方法使用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu) (Vertical Conductive Structures，VeCS)，允許在板層堆疊中垂直布線，而不是使用傳統(tǒng)的過孔。顯然，這樣做可以節(jié)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。

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VeCS 及其工作原理

在擁有大量引腳、遍布細(xì)間距元件的高密電路板上進(jìn)行布線，挑戰(zhàn)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(shù)進(jìn)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(shí)，垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu) (VeCS) 就有了用武之地。

VeCS 技術(shù)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(tǒng)的制造通孔電路所需的設(shè)備外，該技術(shù)不需要使用任何專門的設(shè)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：

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從頂部看，通過在電路板材料上鉆孔和/或布線來創(chuàng)建一個插槽。

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根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的 PCB 制造技術(shù)，對該插槽進(jìn)行金屬化和電鍍處理。

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較大的鉆孔相鄰放置，以鉆出不需要的金屬。

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

可以在垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)中使用兩種插槽技術(shù)：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(biāo)準(zhǔn)工藝制造的，它們也可以與通孔、盲孔和埋孔以及微孔技術(shù)結(jié)合使用。這提供了諸多優(yōu)勢，詳見下文討論。

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利用 VeCS 進(jìn)行 PCB 設(shè)計(jì)的優(yōu)勢

從上圖可以看到，垂直導(dǎo)體的橫截面更小，比鉆孔的橫截面更接近于標(biāo)準(zhǔn)走線。與通孔相比，這種導(dǎo)體輪廓最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的電感量更小。同時(shí)，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(yōu)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(jìn)行逃逸布線時(shí)，在內(nèi)層布線通道上的孔之間的空間僅夠布設(shè)一條走線。然而，通過使用 VeCS，布線通道的數(shù)量增加到了五個。在下圖中，可以看到兩者之間的區(qū)別，左邊是標(biāo)準(zhǔn)的盤中孔逃逸布線模式，右邊是 VeCS。

藍(lán)色代表鉆孔或布線的區(qū)域，而紅色是可以通過內(nèi)層的通道進(jìn)行布線的走線?？梢钥吹剑S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(yōu)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?qū)訑?shù)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(shè)計(jì) VeCS？

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使用 VeCS 技術(shù)設(shè)計(jì)電路板的步驟

制造和設(shè)計(jì)垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu) (VeCS) 的技術(shù)早已問世。PCB 設(shè)計(jì) CAD 工具經(jīng)過恰當(dāng)設(shè)置后可以與這種技術(shù)配合使用；此外，一些先進(jìn)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，如 Cadence Allegro PCB Designer，無需額外配置即可設(shè)計(jì) VeCS。同時(shí)，也要確保合作的 PCB 制造廠經(jīng)過許可，能夠生產(chǎn)這種技術(shù)。一旦確認(rèn)了這一點(diǎn)，就可以開始探索這項(xiàng)新技術(shù)了。

在我們的行業(yè)中，還會出現(xiàn)更多新的電路板設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，為了保持領(lǐng)先，我們應(yīng)該做好準(zhǔn)備，在這些新的技術(shù)出現(xiàn)時(shí)進(jìn)行大膽探索。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要擁有一個能夠支持這些新技術(shù)的 PCB 設(shè)計(jì)系統(tǒng)作為設(shè)計(jì)過程的基礎(chǔ)。事實(shí)證明，Allegro PCB Designer 經(jīng)過妥當(dāng)設(shè)置，可以很好地支持 VeCS 和許多其他新興技術(shù)。