从2019年5月起，PCB007中国在线杂志陆续刊登了有关垂直导体结构(VeCS)系列文章，作者既包括该技术的开发者Joan Tourné，也有应用端沪士电子产品创新副总裁Joe Dickson；同时我们的文章形式既有专题阐述，又有PCB007技术顾问Happy Holden参与的三方访谈，全方位、各角度为我们的读者介绍行业中最新的技术动向。Happy Holden在去年举办的ECWC15上，也以此为主题进行演讲，我们杂志1月期刊登了部分摘要。目前，VeCS现已引起全球行业热议，PCB007将一如既往予以关注。在此，以文章形式进行专题回顾。
研发层面
如今顺序层压法在高密度互连（HDI）和衍生技术中的使用受到了限制——无法电镀深度大于直径的盲孔。实际上，这一限制因素甚至对于电镀和加工厚径比（AR）为1∶1盲孔的可靠性都提出了挑战。
总部位于荷兰Helmond的NextGIn Technology公司选择应对挑战，重新调整PCB层压方法，开发出比现有技术更易于生产、更能提升性能且降低生产成本的新技术。NextGIn Technology公司目标是在不使用新设备的前提下，开发出新的工艺。为了做到这一点，需要重新思考使用工厂现有设备和工艺可以完成哪些事情。NextGIn将这个高密度印制电路互连新技术命名为“垂直导体结构”（Vertical Conductive Structure，简称为VeCS）。
NextGIn Technology公司的Joan Tourné撰写了4篇文章，分别就顺序层压法的思考、VeCS与微加工、Allegro PCB Editor（与Cadence公司的两位作者合作）、调整信号性能这几方面，对此技术进行具体阐述。
发表于2019年5月的第一篇《顺序层压法的再思考》一经刊登，便引起了读者们强热的兴趣。作者在文中提到“传统制造工艺的限制因素决定了增加电镀深度就必须增加孔的直径，传统的HDI板采取层间导通孔技术要占用太多的空间，所以孔的形状就是这次重新思考的突破点。”NextGIn公司开始考虑改变孔的形状——将其改成椭圆形之后，小孔可以分成多个部分形成触点。在最初的电镀实验中，椭圆形结构显示盲槽中的镀层分布均匀。
垂直导电结构 第1部分：顺序层压法的再思考
实验结果显示，槽越长就越容易电镀。同时发现会出现一个阈值，超过阈值就很难电镀。槽的深度和长度决定阈值。目前，设计中的目标AR阈值最大是4∶1，槽长度与槽宽度的最小比是3∶1。数据表明，槽长与宽的比率存在一个极限，也就是槽深度在2 mm范围内时，槽长度最短是1 mm、槽宽度最小是0.5 mm。长槽可以提升槽的镀层性能。
注意，考虑到应用的具体工艺等原因，此操作只针对镀铜工艺。抗蚀锡的电镀尚不在重点研究范围内。之所以做出这个选择是因为目前为这项技术选择的应用可以在完成外层电镀之前填充槽。
加工中所要注意的到内容在第二部分有所体现，该部分以《VeCS与微加工》为题发表在2019年7月刊上。在电路板的常规生产中，通过钻头或铣刀对电路板进行微加工非常常见。微加工是一个含义很广泛的术语，指用来塑造物体外形的技术。作者提出，之所以要介绍这个术语是因为在2.5D和3D环境下，微加工并不常用于电路板制造，但VeCS技术将改变这一现状。
垂直导电结构 第2部分：VeCS与微加工
如今，已经具备了采用不同方式加工电路外形、创建新功能与应用的基础设施，例如内层和外层之间的高密度互连，以及可以最小化信号失真的调谐技术。目前VeCS可使用来实现不同深度槽的工艺，用钻头和铣刀就可以加工。这种技术的目标是创建出一种新的垂直连接结构，通过不同的方式来利用电路板板面，同时又不会影响电路板的绝缘特性。
在作者的文章中，要区分两种“槽”技术：VeCS-1是指贯穿整个电路板的槽，VeCS-2是指电路板的多层盲槽。在实际应用中，会混合使用 VeCS-1和VeCS-2结构。其优点在于可以用VeCS-1来实现GND及电源与多层的连接，例如，相邻的信号只连接到第4层。槽中的VeCS-2部分会产生残桩连接，最大程度地减小高速传输信号的容抗和分散。
VeCS 可以和通孔、埋孔/盲孔、微孔/HDI技术结合使用，没有任何限制。
相比较而言，VeCS-2对微加工的要求比VeCS-1更多。设置VeCS-2槽工艺面临的挑战之一就是深度控制。介质公差是设置深度的一个关键参数。需要测量整块在制板上的介质才能确定合适的深度。
作者特别指出，电子产品设计应用不断需要更大的功率和电流，这一点与“让特征越来越小”的需求相悖，因为越来越小的特征会增加阻抗。但这两个相悖的限制因素仍然适用于VeCS。比如电源-VeCS技术可以让垂直铜走线的横截面更大一些，使其具有更低的导电性。还有其他应用类型在文中有所介绍。
第三部分更为专业，作者邀请了Cadence公司的两位作者合作共同完成，详细讲解了Cadence公司如何将VeCS应用到 Allegro设计系统中，该篇题目为《Allegro PCB Editor》。
.png)
垂直导体结构，第3 部分：Allegro PCB Editor
随着设计密度和复杂度的不断增加，有时需要设计师利用不同的导通孔技术对引脚数较多的器件进行布线，与此同时还要保证最高水平的信号完整性。采用通孔可能会占用大量宝贵的电路板空间。可是使用较小的盲孔虽然能够减小导通孔尺寸，却需要更大的埋孔来完成电路板较深位置的连接。另一种成本较高的替代方案是使用任意层互连（Every Layer Interconnect，ELIC）技术，也就是说每对层都有自己的微导通孔，这种微导通孔用激光钻孔，并填充了铜。在每对层之间的表面互相堆叠这些微导通孔可以扩展电路板内任意两层之间的连接。这些通孔技术能够成功完成设计的布线，但与此同时也会增加电路板层数，如果操作不当还会引起信号完整性问题。
VeCS技术可以减少层数，并且无需顺序层压技术就可提升信号完整性。VeCS与传统的通孔、微孔及ELIC设计不同，后面这三种技术成本高且需要多次层压、钻孔和电镀周期才能制造出合理的层数。使用VeCS技术可组合布线通道，更好地利用通道实现引脚数较多器件的扇出。更多的布线通道可以在更可靠/坚固的平面基准下实现更多的布线，不会出现其他通孔技术一般都会出现的问题。
在 Allegro 17.2 中，VeCS结构就是一种机械符号。它可以被放在任何位置或放在球栅阵列（BGA）器件占位内来利用这项新的布线扇出技术。除了生产输出升级后要针对引脚生成有限深度（盲孔）钻孔文件来支持 VeCS-2盲深度结构，不需要做出大的改动即可支持 Allegro PCB Designer中的这些新结构。
目前，NextGIn Technology公司重点关注下一代产品，例如超高频带宽应用，其中两个层之间的信号从一层传输并连接至下一层时，可以进行调整，使垂直走线的阻抗与信号层阻抗相匹配。所以层之间的传输损耗降到了最低，与目前使用的传统导通孔技术效率低、成本高的点对点式布线相比，新技术可以更高效地利用布线空间。
在该系列专题的第四部分发表于2020年1月，作者以《调整信号性能》为题，重点介绍开发用于最大程度减少损耗和分散的导通元体。可以使用拼接元体来代替传统导通孔技术采用的点到点连接。点到点连接有最好的信号完整性性能（连接中少一个导通孔会使信号失真）。我们将会采用VeCS-2技术（盲孔/ 混合通孔）结构，可以使用“ 传统”的正交布线方式，这种方式可以高效利用信号层。
应用层面
2020年5月，我们刊登了沪士电子公司的产品创新副总裁Joe Dickson的专访文章。他从应用端角度介绍了该公司开展的VeCS技术研发，与标准HDI工艺相比VeCS技术的特点。他还介绍了VeCS技术的优势，以及VeCS技术如何有望成为HDI技术和通孔技术的补充。Joe Dickson表示：“我们从事这项技术的开发将近4年半时间了。起初只是想了解该技术是否可行，据此进行构建，以从布线和制造的角度看它可以做什么。之后花了一年半的时间，尝试对基本的制造设备（具有10年历史的铣切设备和电镀生产线，甚至都没有脉冲）进行优化。在过去的两年中，通过定制化的设备，其操作控制水平要比以前好得多。在早期测试中，我们在各个层面上力求验证可靠性，以了解VeCS信号的互连是否可靠。目前，VeCS技术已经相当成熟，任何了解该技术的人都了解如何生成和构建走线，以及如何构建电镀深盲槽。已经完成了公司内部的测试，并且进行了数千次IST循环测试，取得了很好的结果。WUS公司已经进行了一些工业级别的测试。目前正在做HDP用户组测试。”
VeCS 技术的影响及优势
在2020年8月刊上，Happy Holden 又采访了Joe，请他介绍了VeCS 技术的应用，以及提升该技术会对制造业产生的潜在影响。起初，WUS是出于成本考虑开发VeCS，虽然成本问题仍然是沟通中几乎每个人都感兴趣的关键点，但现在VeCS真正的意义是它的创新性，可以应对其他互连技术难以解决的问题。首先，VeCS结构在可靠性方面不会因为高阶信号的设计而受到影响；其次，VeCS的另一个优势是各层可采用比HDI 更厚的介质。采用VeCS技术，通常可以设计为1个层压周期，层之间的介质厚度仍然可达0.1毫米或更厚。这使得高速信号自身的每英寸损耗要低得多。这是下一代产品关注的两个点，芯片位置越来越近，而像PCIe这样的技术正试图将多个芯片放在同一块PCB上。这些是我们看到VeCS 组合HDI或通孔技术可应用的领域，新的组合可实现下一代，甚至可能是再下一代产品上PCB的铜互连方式。
Joe Dickson表示：“沪士电子与设备、工艺和材料供应商一起，形成合作团队，甚至有PCB竞争对手参与我们的合作团队，原因就是这项技术需要多个供应链资源。我们从一开始就明确这一点。沪士电子CEO对此非常开放，因为一旦VeCS技术发展成熟，就不仅仅是概念，而将涉及该技术的应用，以及如何与所有技术相适应，如何使其与作为该技术领导者的沪士电子多年来所获得的专业知识相适应。我们已经有两年半的VeCS 制造经验以及两年多的应用经验，所以并不担心会有人把这项技术从沪士电子手中夺走；恰恰相反，这项技术的竞争对手越多，对沪士电子就越有利。”
由PCB007牵线，邀请NextGIn Technology公司的Joan Tourné和沪士电子的Joe Dickson一起，讨论了VeCS技术及其优点，它将如何改变设计，为实现这种结构需要考虑的因素，及其目前可靠性测试数据的情况。相关文章发表于2020年12月。
他们探讨了未来五年的计划，其中沪士看到了下一代网卡发展的迫切需求，它们需要在PCIE和夹层卡上安装多个芯片，即使采用HDI和通孔，也无法实现这种需求；原因是存在物理限制。VeCS可以在一张卡上放2个以上的芯片。这是巨大的突破，因为信号链路减少了一半，而且铜缆就能够达到原本只有光纤才能达到的速度。对于AI和汽车方面，可以做更大的BGA，比无论是HDI还是通孔目前所能互连的BGA都大得多，这项技术将变得更加主流。对于Tourné来说，接下来的5年，重点就是将这项技术推向批量生产，现在正致力于一些实际的设计，很多工作将与芯片制造商及OEM合作完成。
行业大咖谈
最新关于此技术的重量级文章莫过于行业大咖、PCB007技术顾问Happy Holden发表在第十五届世界电子电路大会主旨演讲上的介绍，他以《VeCS：用于HDI和通孔技术的次时代3D互连》为题目，向全世界最顶尖的PCB技术人员进行了此技术的介绍。
正如此项技术的参与者所说：“PCB行业创造了惊人的技术，但没有颠覆性的飞跃，目前减成法技术的发展有限，等待超级颠覆性技术真正出现。”身在此行业中的你，是否已经准备好？
PCB007中国在线杂志记录着业界技术发展的点滴……
欢迎扫码关注我们的微信公众号
“PCB007中文线上杂志”
点击这里即可获取完整杂志内容。
