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可控深度钻孔(背钻孔)_AD

Created: December 16, 2022 | Updated: December 16, 2022
您当前阅读的版本为22。 关于最新版本,请参阅: 版本 24 的 可控深度钻孔(背钻孔)

定深钻孔(CDD),也被称为背钻,是一种用于去除印制电路板上通孔中未使用铜筒部分或残段的技术。当高速信号在PCB层之间通过铜筒时,其可能发生失真。如果信号层使用导致出现残段,且残段长度大,则其引起的失真将变得显著。

可以通过在制作完成后用稍大一点的钻头重新钻孔,消除残段。将这些孔重新钻至接近但不接触过孔所用最后一层的受控深度。考虑到制造和材料变化,优质制造厂家可以在背钻时仅留下7密尔的残段;理想情况下,剩余残段将小于10密尔。

过孔用来连接两个内部层,从而导致上下层上出现未使用铜筒(残段)。

可以通过定深钻孔,去除这些残段。过孔用来连接两个内部层,从而导致上下层上出现未使用铜筒(残段)。

可以通过定深钻孔,去除这些残段。
过孔用来连接两个内部层,从而导致上下层上出现未使用铜筒(残段)。
可以通过定深钻孔,去除这些残段。

在印制电路板设计中,过孔残段是指超出信号布线所在信号层的铜筒长度。该未使用铜筒部分如同一个残段,将在信号高速切换时产生反射。可以通过进行二次钻孔,消除这些残段,即将铜筒钻至某个准确深度,如下图所示。

为了去除这些残段,应从顶部对左侧过孔进行背钻;应从两侧对右侧钻孔进行背钻。请注意,两个过孔均有一些残段。

背钻最常用于过孔,也可用于压合背板连接器,提供了一种经济高效的解决方案,以帮助管理高速信号路径的信号质量。其成本低于用于盲埋孔的顺序层压技术。

可通过以下方式实现背钻:

  • 定义一条适用于相关网络和最大允许残段长度的 Maximum Via Stub Length (Back drilling)设计规则。请注意,该残段长度不是钻孔设置;而是软件在批量DRC期间用于检查剩余残段的数值。
  • 孔的背钻深度将通过配置钻孔对进行定义,其中该钻孔对指定了背钻的起始层和停止层。任何铜层均可以被定义为背钻的起始层和停止层。
  • 背钻所用钻孔直径将由相关Maximum Via Stub Length (Back drilling)设计规则中的Via/Pad孔尺寸+2倍Oversize设置定义。
  • 将网络感知布线对象连接至焊盘或过孔,以定义一对用于信号布线的层。

如果某个信号层未使用过孔或焊盘,则该未使用铜环通常被称为Non-Functioning Pad(NFP)。待背钻层上的Non-Functioning Pad均将在每个背钻孔位置处自动去除。可以通过运行Tools » Remove Unused Pad Shapes命令,从设计中去除剩余NFP。

多边形铺铜和电源层的间距值将根据背钻直径进行计算,以确保背钻时不会钻到周围多边形铺铜或电源层的铜层。

除了进行标准线路和弧线布线外,背钻功能还能识别与其他铜层对象的连接,包括多边形铺铜、填充和区域。

瞄准待背钻的孔

通过添加Maximum Via Stub Length (Back drilling)设计规则,指示软件有孔需要进行背钻。设计规则范围定义了哪些过孔或焊盘需要进行背钻。通常情况下,仅需对某些网络(例如,高速网络)进行背钻,而在此情况下,范围可以是InNet('Clock')或InNetClass('HighSpeedNets')等。

规则范围定义了该规则必须应用于哪些对象。该规则适用于IO网络类中的过孔。 规则范围定义了该规则必须应用于哪些对象。该规则适用于IO网络类中的过孔。

例如,如果范围是InNetClass('IO'),那么这些网络中的所有过孔和焊盘均有可能进行背钻。实际进行背钻的孔将取决于信号布线所在层,以及已完成定义的背钻孔对。如果某个孔在背钻层范围内的层上没有连接,则该孔将进行背钻。

为了进一步限制背钻操作,可以收紧规则范围。例如,如果您只想背钻过孔,而不是通孔焊盘,则您可以将规则范围改为InNetClass('IO')和IsVia。

为了设定设计规则范围,以控制其在背钻孔处的阻焊层开口,您可以使用以下查询关键字。

背钻属性的定义

当您对通孔筒进行背钻时,可以使用一个超大钻头,以去除多余铜层。

通过使用超大钻头将孔重新钻至特定深度,将过孔筒的未使用部分去除,以改善该信号路径的完整性。   通过使用超大钻头将孔重新钻至特定深度,将过孔筒的未使用部分去除,以改善该信号路径的完整性。   通过使用超大钻头将孔重新钻至特定深度,将过孔筒的未使用部分去除,以改善该信号路径的完整性。 通过使用超大钻头将孔重新钻至特定深度,将过孔筒的未使用部分去除,以改善该信号路径的完整性。

所有层间钻孔动作均将通过在Layer Stack Manager的Back Drills选项卡中添加一条起始层-停止层的钻孔定义进行定义。由于在Layer Stack Manager中启用Back Drill功能之前,该选项卡不可用,因此请选中Tools » Features » Back Drills将其启用,或者单击按钮,并选择 Back Drills。 

请在启用该功能后,立即切换至Back Drills选项卡,并单击按钮,以添加一条新Back Drill定义。

然后,对待背钻层进行配置,如下所述。

钻孔深度

背钻深度是一个计算值,而不是您在对话框中输入的数字。在您定义第一层和最后一层后,软件将计算出在第一层与最后一层之间所有层内进行背钻所需的钻孔深度,其中该钻孔深度包含括第一层的厚度,但不包括最后一层的厚度(背钻停止在该层)。第一层和最后一层将在Layer Stack Manager模式下Properties面板中进行定义(选中Back Drills选项卡)。必须在层堆栈中完成背钻定义,方可进入Properties面板的Back Drill区域,如下图所示。

钻孔时应钻至但不接触Last layer字段中指定的最后一层。钻孔动作深度将由以下内容定义:

Depth = 第一层与最后一层之间所有层厚之和减去最后一层的厚度

层厚为输入Layer Stack Manager的值。

就信号完整性而言,建议将残段长度限制在不超过10密耳。就制造而言,残段长度小于7密耳将产生额外的制造成本。

Properties 面板

我们可以在将Layer Stack文档的Back Drills选项卡激活后,通过Properties面板,定义需要背钻的层跨度。

  • 背钻
    • Name – 是指背钻名称。
    • First layer – 是指背钻所跨越的第一层。
    • Last layer – 是指背钻所跨越的最后一层。
    • Mirror – 启用后,将创建当前背钻的镜像,以跨越层堆栈中的对称层。该选项仅在Stack Symmetry选项被启用时,方具有可用性。
  • 电路板
    • Stack Symmetry – 启用,以中间介电层为中心向匹配对添加层。启用后,将立即检查层堆栈是否以中心介电层对称。如果与中心介质参考层等距的任何一对层不完全相同,则将打开Stack is not symmetric对话框
当Stack Symmetry被启用时:
– 应用于某个层属性的编辑操作将自动应用于其对称伙伴层。
– 添加层将自动添加对应的对称伙伴层。
  • Library Compliance – 启用后,对于已从Material Library中选中的每个层,均将参考材料库中该材料定义的值,对当前层属性进行检查。
  • Substack – 该信息适用于当前选中的子堆栈(层、电介质、厚度等)。当您从某个子堆栈切换到另一个子堆栈时,该信息将(根据当前选中的子堆栈)相应地更新。
仅当在Features下拉菜单中启用Rigid/Flex选项时,Substack区域方具有可用性。
  • Stack Name – 输入一个有意义的子堆栈名称。为X/Y堆栈区域分配层子堆栈时,命名子堆栈非常有用。
  • Is Flex – 如果子堆栈为柔性,则启用。
  • Layers – 是指导电层总层数。
  • Dielectrics – 是指电介质数量。
  • Conductive Thickness – 是指所有信号层和电源层的厚度之和(所有铜层或导电层)。
  • Dielectric Thickness – 是指介电层厚度。
  • Total Thickness – 是指已完工电路板总厚度。

钻孔尺寸

钻孔直径计算方法:

Back Drill Size = Via/Pad hole size + 2 x Design Rule Backdrill Oversize

与其为背钻输入具体钻孔尺寸,不如定义背钻超过原始过孔或焊盘孔的尺寸。超尺寸包含设计规则中的径向量,以及背钻孔的公差要求,如下所示。

背钻所用钻孔尺寸为原始过孔或焊盘孔的尺寸,加上设计规则中规定的Backdrill Oversize的两倍。请注意,Oversize被指定为径向量。 背钻所用钻孔尺寸为原始过孔或焊盘孔的尺寸,加上设计规则中规定的Backdrill Oversize的两倍。请注意,Oversize被指定为径向量。

背钻孔的屏幕显示

背钻孔的显示中包含一个额外的双色环,其属性如下:

  • 内圆环为原始过孔(棕色)或焊盘孔(绿色/蓝色)尺寸。
  • 双色环表示背钻第一层和最后一层的颜色。
  • 彩色圆弧宽度为设计规则中定义的BackDrill OverSize量。两条彩色圆弧所定义的圆环外径为实际背钻孔尺寸,其将作为钻孔尺寸列在PCB面板的Hole Size Editor模式中。
  • 彩色圆环的显示情况将取决于PCB编辑器中的当前活动层。例如,以下第一张图片所示顶层处于活动状态,而第二张图片所示底层处于活动状态。如果活动层未进行背钻(例如,如果活动层为下图所示Mid Layer 2或Mid layer 3),则不显示背钻。您将仅看到棕色过孔被多层接地区域所包围。

对于左图所示相同过孔,顶层处于活动状态,中间图片所示过孔,底层处于活动状态,而右图所示过孔,其处于3D模式。 对于左图所示相同过孔,顶层处于活动状态,中间图片所示过孔,底层处于活动状态,而右图所示过孔,其处于3D模式。 对于左图所示相同过孔,顶层处于活动状态,中间图片所示过孔,底层处于活动状态,而右图所示过孔,其处于3D模式。
对于左图所示相同过孔,顶层处于活动状态,中间图片所示过孔,底层处于活动状态,而右图所示过孔,其处于3D模式。

在Hole Size Editor中进行背钻检查

背钻也可以通过PCB面板的Hole Size Editor模式进行定位和查看。

如下图所示,已在面板中单击14密尔背钻。显示屏将放大显示背钻孔,并以起始层和停止层将其高亮显示。请注意,面板中显示了七个背钻过孔,而在设计空间中仅显示了五个。这是因为第二个和第三个过孔从顶层和底层进行背钻,并且由于顶层为活动层,因此这些过孔目前被显示为顶层背钻。

残段的检查

Maximum Via Stub Length (Back drilling) 规则既可用于定位潜在背钻位置,亦可用于测试残段。

在设计规则检查过程中,所有相关过孔和焊盘均需测试残段长度是否超过了设计规则中配置的Max Stub长度。请注意,所有Maximum Via Stub Length (Back drilling)设计规则所针对的焊盘和过孔均将进行测试,而不仅限于已进行或尚未进行背钻的焊盘和过孔。

该规则正在进行剩余残段长度检查。在下图中,即使过孔已经进行背钻(按照定义的背钻),剩余残段长度仍超过了相关设计规则所允许的7密尔,因此对违规行为进行了标记。

将在设计规则检查过程中,标记出所有长度超过设计规则所允许Max Stub Length的残段。
将在设计规则检查过程中,标记出所有长度超过设计规则所允许Max Stub Length的残段。 由于其剩余残段长度超过7密尔,因此该过孔不符合设计规则。

违规行为将通过使用以下内容的两种方式显示:

  • Violation Detail - 显示违规类型信息和可能的故障值(如上图所示)。
  • Violation Overlay - 违规对象将被涂以重复彩色图案(默认图案为绿点内带十字)。

在Preferences对话框 PCB Editor - DRC Violations Display页面上,对DRC Violations Display Style进行配置。 

输出的生成

背钻输出将以透明方式生成。如果需要额外的钻孔类型输出文件,则将自动生成此类文件。

指定对内钻孔要求的背钻,与使用盲孔非常相似(盲孔也需要在Layer Stack Manager中定义第一/最后一层对)。不同点在于,盲孔进行进行镀层,而背钻过孔或焊盘不进行。未镀层孔出现在制造流程之后,即钻孔发生在蚀刻、层压、钻孔和通孔镀层之后。

背钻报告

为了生成设计中所有背钻事件的汇总报告,请在Hole Size Editor模式下,右键单击PCB面板上的Unique Holes区域,然后从上下文菜单中选中Backdrill Report。 

将生成一份当前PCB中所有背钻事件的报告。 将生成一份当前PCB中所有背钻事件的报告。

Report Preview对话框将打开。单击Export按钮,以选中文件类型和文件拟存放位置,然后输入文件名。

钻孔符号、钻孔表和钻孔图纸

钻孔符号将自动分配,且可以在Drill Symbols对话框中重新配置。如果Drill Symbols对话框中将Show Drill Symbols选项启用,这些符号将显示在PCB设计空间的Drill Drawing层中。该对话框可以通过右键单击面板上的Unique Holes区域或Drill Drawing层选项卡进行访问,如下图所示。 

对钻孔符号分配进行配置,并在Drill Symbols对话框中启用其显示。 对钻孔符号分配进行配置,并在Drill Symbols对话框中启用其显示。

由于背钻涉及在同一位置用不同尺寸的钻头进行钻孔,因此钻孔符号将以堆栈方式出现在这些位置上。使用层对选择器,控制当前显示层对,如下图所示。

左键单击三角形图标,以选中想要显示的钻孔对。  左键单击三角形图标,以选中想要显示的钻孔对。  左键单击三角形图标,以选中想要显示的钻孔对。 左键单击三角形图标,以选中想要显示的钻孔对。

可以通过对已放置钻孔表进行配置,显示所有钻孔层对,或者显示某个特定层对。如下图所示,在该设计中,电路板从顶部和底部进行背钻,因此已放置三个表。请注意Drill Layer Pair列;该列表示每个表的功能。

已放置三个钻孔表:第一个表显示通孔,第二个表显示顶面背钻,第三个表显示底面背钻。 已放置三个钻孔表:第一个表显示通孔,第二个表显示顶面背钻,第三个表显示底面背钻。

NC钻孔

对于各已定义钻孔对,NC钻孔输出将产生一个独特钻孔文件。请注意,它也会针对每个孔形状类型(圆形、矩形或槽形)产生一个单独文件。

钻孔报告文件(<ProjectName>.DRR)中包含钻孔工具分配的概要、其尺寸,以及生成的各种钻孔文件的作用和名称。

NC Drill Setup对话框中含有一个Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes选项。NC钻孔输出文件始终包含所有钻孔事件。启用该选项后,镀层和非镀层钻孔事件将被输出到单独文件中。将通过在其文件名中添加<DesignName>-Plated或<DesignName>-NonPlated格式的字符串,对其进行识别。

背钻事件将始终被输出至其自有文件中,并以独特文件扩展名进行识别。例如,可以将顶面背钻事件文件命名为<DesignName>-BackDrill.TX3;将底面背钻事件文件命名为<DesignName>-BackDrill.TX4。

钻孔报告用于总结钻孔和工具的分配情况、每种尺寸的钻孔数量以及对其进行详细说明的钻孔文件。 钻孔报告用于总结钻孔和工具的分配情况、每种尺寸的钻孔数量以及对其进行详细说明的钻孔文件。

Gerber X2

Gerber X2不仅仅是输出PCB层集的制造数据标准(需要针对裸板制造添加NC钻孔文件),而是输出将设计输入制造商CAM流程所需的所有数据。Gerber X2将在Gerber X2 Setup对话框中进行配置。

包括:

  • Gerber文件功能:顶顶部铜层、顶层阻焊层等。
  • 部件:单一PCB、面板等。
  • 对象功能:SMD焊盘、过孔焊盘等。
  • 钻孔公差
  • 受控阻抗线路位置
  • 已填充过孔

如果设计中有背钻孔,则Gerber X2输出将自动包含以下文件名的其他钻孔文件:

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

背钻文件包含Gerber X2格式的指令,例如:

%TF.FileFunction,NonPlated,1,3,Blind,Drill*%

该行指令将指示CAM软件,将此文件内容视为信号层1与信号层3之间的非镀层盲钻事件。

钻孔尺寸将以孔径进行定义,而孔径定义前方将有一条表明其为钻孔尺寸的指令。

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

对于ODB++输出,将针对每个定义的背钻层对额外创建一个钻孔文件夹。这些文件夹将使用\drill1、\drill2等名称。文件夹中包含标准ODB钻孔文件。

IPC-2581

支持在未来更新时将IPC-2581加入。

Draftsman

Draftsman是创建高质量设计文件的理想工具。如果在设计中定义了背钻类型层对,则将在Layer Stack Legend中显示,从而轻松快速确定其存在。

放置Layer Stack Legend,以显示背钻所用层对,以及各层对钻孔组的钻孔表。 放置Layer Stack Legend,以显示背钻所用层对,以及各层对钻孔组的钻孔表。

您还可以将钻孔表配置为显示每个背钻层对,从而轻松快速识别背钻所需的钻孔尺寸和孔数。

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