Controlled Depth Drilling (Back Drilling)

Controlled Depth Drilling (CDD), auch als Backdrilling bekannt, ist eine Technik, mit der der ungenutzte Teil bzw. Stub des Kupferhülsenkörpers aus einer Durchkontaktierung in einer Leiterplatte entfernt wird. Wenn sich ein Hochgeschwindigkeitssignal zwischen PCB-Lagen durch einen Kupferhülsenkörper bewegt, kann es verzerrt werden. Führt die Nutzung der Signallage dazu, dass ein Stub vorhanden ist, und ist dieser Stub lang, kann diese Verzerrung erheblich werden.

Diese Stubs können entfernt werden, indem diese Bohrungen nach Abschluss der Fertigung mit einem etwas größeren Bohrer erneut gebohrt werden. Die Bohrungen werden mit kontrollierter Tiefe zurückgebohrt, nahe an die letzte vom Via verwendete Lage heran, ohne sie jedoch zu berühren. Unter Berücksichtigung von Fertigungs- und Materialschwankungen kann ein guter Leiterplattenhersteller Bohrungen so zurückbohren, dass ein 7-mil-Stub verbleibt; idealerweise ist der verbleibende Stub kleiner als 10 mil.

Das Via wird verwendet, um die beiden inneren Lagen zu verbinden, wodurch ungenutzter Hülsenkörper (Stubs) oberhalb und unterhalb entsteht.
Diese Stubs können mithilfe von Controlled Depth Drilling entfernt werden.

Um die Stubs zu entfernen, wird das Via links von der Oberseite zurückgebohrt; das Via rechts wird von beiden Seiten zurückgebohrt. Beachten Sie, dass bei beiden Vias ein Rest-Stub verbleibt.

Backdrilling wird am häufigsten für Vias und auch für Press-Fit-Backplane-Steckverbinder verwendet und bietet eine kosteneffiziente Lösung, um die Signalqualität bei Hochgeschwindigkeitssignalpfaden zu verbessern. Es ist kostengünstiger als die Technik der sequentiellen Laminierung, die für Blind- und Buried-Vias verwendet wird.

Backdrilling wird erreicht durch:

• Definieren einer Maximum Via Stub Length (Back drilling)-Designregel, die die relevanten Netze sowie die maximal zulässige Stub-Länge festlegt. Beachten Sie, dass diese Stub-Länge keine Bohreinstellung ist; sie ist der Wert, den die Software verwendet, um bei einer Batch-DRC auf verbleibende Stubs zu prüfen.
• Die Tiefe, bis zu der die Bohrung zurückgebohrt wird, wird durch die Konfiguration eines Bohrpaares definiert, das die Start- und Stopplagen für das Backdrilling festlegt. Beliebige Kupferlagen können als Start- und Stopplagen für Backdrills definiert werden.
• Der Durchmesser des für das Backdrilling verwendeten Bohrers wird durch die Einstellung Via/Pad hole size + 2 x Oversize in der entsprechenden Maximum Via Stub Length (Back drilling)-Designregel definiert.
• Verbinden netzbewusster Routing-Objekte mit einem Pad oder einem Via, um ein Lagenpaar zu definieren, das zum Routen eines Signals verwendet wird.

Zielauswahl der zurückzubohnenden Bohrungen

Weisen Sie die Software an, dass Bohrungen zurückgebohrt werden sollen, indem Sie eine Maximum Via Stub Length (Back drilling)-Designregel hinzufügen. Der Geltungsbereich der Designregel definiert, welche Vias oder Pads gebohrt werden sollen. Typischerweise werden nur ausgewählte Netze zurückgebohrt, etwa Hochgeschwindigkeitsnetze; in diesem Fall könnte der Geltungsbereich etwa InNet('Clock') oder InNetClass('HighSpeedNets') sein.

Der Geltungsbereich der Regel definiert, auf welche Objekte diese Regel angewendet werden muss. Diese Regel zielt auf Vias in der IO-Netzklasse ab.

Wenn der Geltungsbereich beispielsweise InNetClass('IO') ist, können alle Vias und Pads in diesen Netzen potenziell zurückgebohrt werden. Welche Bohrungen tatsächlich zurückgebohrt werden, hängt davon ab, auf welchen Lagen diese Signale geroutet sind und welche Backdrill-Paare definiert wurden. Hat eine Bohrung keine Verbindungen auf den Lagen innerhalb des Backdrill-Lagenbereichs, wird diese Bohrung zurückgebohrt.

Um den Backdrill-Vorgang weiter einzuschränken, fassen Sie den Geltungsbereich der Regel enger. Wenn Sie beispielsweise nur die Vias und nicht die Through-Hole-Pads zurückbohren möchten, könnten Sie den Geltungsbereich der Regel in InNetClass('IO') and IsVia ändern.

Definieren der Backdrill-Eigenschaften

Wenn Sie den Hülsenkörper einer Durchkontaktierung zurückbohren, wird ein übergroßer Bohrer verwendet, um das unerwünschte Kupfer zu entfernen.

    
Durch erneutes Bohren der Bohrung mit einem übergroßen Bohrer bis zu einer bestimmten Tiefe wird der ungenutzte Teil des Via-Hülsenkörpers entfernt, wodurch die Integrität dieses Signalpfads verbessert wird.

Alle Bohrvorgänge von Lage zu Lage werden definiert, indem im Register Back Drills des Layer Stack Manager eine Bohrdefinition mit Startlage und Stopplage hinzugefügt wird. Das Register ist erst verfügbar, wenn die Backdrill-Funktion im Layer Stack Manager aktiviert wurde. Wählen Sie Tools » Features » Back Drills, um sie zu aktivieren, oder klicken Sie auf die Schaltfläche  und wählen Sie Back Drills.

Nachdem die Funktion aktiviert wurde, wechseln Sie zum Register Back Drills und klicken Sie auf die Schaltfläche  , um eine neue Backdrill-Definition hinzuzufügen.

Der nächste Schritt besteht darin, die Lagen zu konfigurieren, die zurückgebohrt werden sollen, wie unten beschrieben.

Bohrtiefe

Die Backdrill-Tiefe ist ein berechneter Wert, keine Zahl, die Sie in einen Dialog eingeben. Sie definieren die erste und die letzte Lage, und die Software berechnet die erforderliche Bohrtiefe, um durch alle Lagen zwischen der ersten und der letzten Lage zurückzubohren, einschließlich der Dicke der ersten Lage, jedoch nicht der Dicke der letzten Lage (das Backdrilling stoppt an dieser Lage). Die First layer und Last layer werden im Properties panel in Layer Stack Manager mode definiert (bei ausgewähltem Register Back Drills tab). Im Lagenaufbau müssen Backdrills definiert sein, damit auf den Bereich Back Drill des Properties panel zugegriffen werden kann, wie unten gezeigt.

Die Bohrung wird bis zur letzten im Feld Last layer angegebenen Lage gebohrt, ohne diese jedoch zu berühren. Die Tiefe des Bohrvorgangs wird definiert durch:

Depth = Sum of all layer thicknesses from first layer to last layer - last layer thickness

Die Lagendicken sind die Werte, die im Layer Stack Manager eingegeben werden.

Eigenschaftenfenster

Wenn das Register Back Drills des Layer-Stack-Dokuments aktiv ist, wird das Fenster Properties verwendet, um die Lagenspannen zu definieren, die zurückgebohrt werden sollen.

• Back Drill
  • Name – der Name des Backdrills.
  • First layer – die erste Lage, über die sich der Backdrill erstreckt.
  • Last layer – die letzte Lage, über die sich der Backdrill erstreckt.
  • Mirror – wenn aktiviert, wird ein Spiegelbild des aktuellen Backdrills erstellt, das sich über die symmetrischen Lagen im Lagenaufbau erstreckt. Diese Option ist nur verfügbar, wenn die Option Stack Symmetry aktiviert ist.
• Board
  • Stack Symmetry – aktivieren, um Lagen in passenden Paaren hinzuzufügen, zentriert um die mittlere Dielektrikum-Lage. Wenn aktiviert, wird der Lagenaufbau sofort auf Symmetrie um die zentrale Dielektrikum-Referenzlage geprüft. Wenn ein Lagenpaar, das vom zentralen Dielektrikum-Referenzlayer gleich weit entfernt ist, nicht identisch ist, wird der Dialog Stack is not symmetric dialog geöffnet.

• Library Compliance – wenn aktiviert, werden für jede Lage, die aus der Materialbibliothek ausgewählt wurde, die aktuellen Lageneigenschaften mit den Werten dieser Materialdefinition in der Bibliothek verglichen.

• Substack – diese Informationen gelten für den aktuell ausgewählten Teil-Lagenaufbau (Lagen, Dielektrikum, Dicken usw.). Wenn Sie von einem Teil-Lagenaufbau zu einem anderen wechseln, werden diese Informationen entsprechend aktualisiert (für den aktuell ausgewählten Teil-Lagenaufbau).

• Stack Name – geben Sie den Namen des Teil-Lagenaufbaus ein. Die Benennung des Teil-Lagenaufbaus ist nützlich, wenn dem X/Y-Stackup-Bereich ein Lagen-Teilaufbau zugewiesen wird.
• Is Flex – aktivieren, wenn der Teil-Lagenaufbau flexibel ist.
• Layers – die Anzahl der leitfähigen Lagen.
• Dielectrics – die Anzahl der Dielektrika.
• Conductive Thickness – dies ist die Summe der Dicken aller Signal- und Plane-Lagen (aller Kupfer- bzw. leitfähigen Lagen).
• Dielectric Thickness – die Dicke der Dielektrikum-Lage(n).
• Total Thickness – die Gesamtdicke der fertigen Leiterplatte.

Bohrgröße

Der Bohrdurchmesser wird berechnet aus:

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

Anstatt für das Backdrilling eine bestimmte Bohrgröße einzugeben, definieren Sie, um wie viel größer der Backdrill gegenüber der ursprünglichen Via- oder Pad-Bohrungsgröße ist. Das Übermaß wird zusammen mit etwaigen Toleranzanforderungen für die zurückgebohrten Bohrungen als radialer Wert in der Designregel angegeben, wie unten gezeigt.

Die Größe des für das Backdrilling verwendeten Bohrers entspricht der ursprünglichen Via- oder Pad-Bohrungsgröße plus dem Zweifachen des in der Designregel angegebenen Backdrill-Übermaßes. Beachten Sie, dass das Übermaß als radialer Wert angegeben wird.

Bildschirmanzeige zurückgebohrter Bohrungen

Die Anzeige von rückgebohrten Bohrungen enthält zusätzlich einen zweifarbigen Ring mit den folgenden Eigenschaften:

• Der innere Kreis entspricht der ursprünglichen Via- (braun) bzw. Pad-Bohrungsgröße (grün/blau).
• Der zweifarbige Ring kennzeichnet die Farbe der ersten Lage und der letzten Lage der Rückbohrung.
• Die Breite des farbigen Bogens ist der in der Design Rule definierte BackDrill OverSizeWert. Der Außendurchmesser des durch die beiden farbigen Bögen definierten Kreises ist die tatsächliche Rückbohrungsgröße, die im Modus Hole Size Editor des PCBPanels als Bohrungsgröße aufgeführt wird. 
• Die Anzeige des farbigen Rings hängt davon ab, welche Lage im PCB-Editor aktuell aktiv ist. Im ersten Bild unten ist beispielsweise die Top-Lage aktiv, im zweiten Bild die Bottom-Lage. Wenn die aktive Lage nicht rückgebohrt ist (zum Beispiel wenn bei dem unten gezeigten Via Mid Layer 2 oder Mid Layer 3 aktiv wäre), dann würde die Rückbohrung überhaupt nicht angezeigt. Sie würden einfach die Via-Bohrung in Braun sehen, umgeben von der Multi-Layer-Landfläche.

  
Dasselbe Via links mit aktiver Top-Lage, im mittleren Bild mit aktiver Bottom-Lage und rechts im 3D-Modus.

Rückbohrungen im Hole Size Editor prüfen

Rückbohrungen können auch über den Modus Hole Size Editor im PCBPanel gefunden und angezeigt werden.

Im Bild unten wurde im Panel auf die 14-mil-Rückbohrung geklickt. Die Anzeige zoomt auf diese rückgebohrten Bohrungen und hebt sie mit Start- und Stopplagen hervor. Beachten Sie, dass im Panel sieben rückgebohrte Vias angezeigt werden, im Designbereich jedoch nur fünf. Das liegt daran, dass das zweite und dritte Via sowohl von der Oberseite als auch von der Unterseite rückgebohrt sind, und da die Top-Lage die aktive Lage ist, werden diese Vias derzeit als Rückbohrung von der Oberseite angezeigt.

Auf Stubs prüfen

Die Design Rule Maximum Via Stub Length (Back drilling) wird sowohl zum Auffinden potenzieller Rückbohrstellen als auch zum Prüfen auf verbleibende Stubs verwendet.

Während einer Design-Rule-Prüfung werden alle zutreffenden Vias und Pads auf Stubs geprüft, deren Länge größer ist als der in der Design Rule konfigurierte Max Stub LengthWert. Beachten Sie, dass alle Pads und Vias, auf die Maximum Via Stub Length (Back drilling)Design Rules abzielen, geprüft werden, nicht nur diejenigen, die rückgebohrt sind oder nicht rückgebohrt wurden.

Die Regel prüft die Länge jedes verbleibenden Stubs. Im Bild unten ist der verbleibende Stub trotz Rückbohrung des Vias (gemäß den definierten Rückbohrungen) größer als die durch die zutreffende Design Rule erlaubten 7 mil, daher wird eine Regelverletzung gemeldet.

Eine Design-Rule-Prüfung meldet jeden Stub, der größer ist als die durch die Design Rule erlaubte maximale Stub-Länge.
Dieses Via schlägt fehl, da der verbleibende Stub größer als 7 mil ist.

Ausgaben erzeugen

Die Ausgabeerzeugung für Rückbohrungen erfolgt transparent. Wenn zusätzliche Ausgabedateien vom Typ Bohrung benötigt werden, werden diese automatisch erzeugt.

Rückbohrungen sind der Verwendung von Blind Vias sehr ähnlich (auch hierfür muss im Layer Stack Manager ein Paar aus erster/letzter Lage definiert werden), das die Bohranforderungen zwischen diesem Paar festlegt. Der Unterschied besteht darin, dass Blind Vias metallisiert sind, während rückgebohrte Vias oder Pads ein nicht metallisierter Bohrvorgang sind. Nicht metallisierte Bohrungen sind im Wesentlichen ein Nachbearbeitungsprozess nach der Fertigung, d. h. das Bohren erfolgt nach dem Ätzen, Laminieren, Bohren und der Durchkontaktierungsmetallisierung. 

Back-Drill-Bericht

Um einen zusammenfassenden Bericht aller Rückbohrvorgänge im Design zu erzeugen, klicken Sie mit der rechten Maustaste im Bereich Unique Holes des PCB Panels im Modus Hole Size Editor und wählen Sie dann Backdrill Report aus dem Kontextmenü.

Erzeugen Sie einen Bericht über alle Rückbohrvorgänge in der aktuellen PCB.

Der Dialog Report Preview wird geöffnet. Klicken Sie auf die Schaltfläche Export, um den Dateityp und den Speicherort der Datei auszuwählen, und geben Sie dann den Dateinamen ein.

Bohrsymbole, Bohrtabelle und Bohrzeichnung

Bohrsymbole werden automatisch zugewiesen und können im Dialog Drill Symbols neu konfiguriert werden. Die Symbole werden auf der Lage Drill Drawing im PCB-Designbereich angezeigt, wenn die Option Show Drill Symbols im Dialog Drill Symbols aktiviert ist. Auf den Dialog kann durch Rechtsklick im Bereich Unique Holes des Panels oder auf dem Register Drill Drawing zugegriffen werden, wie unten gezeigt.

Konfigurieren Sie die Zuweisung der Bohrsymbole und aktivieren Sie deren Anzeige im Dialog Drill Symbols.

Da Rückbohrungen Bohrungen an derselben Position mit unterschiedlich großen Bohrern umfassen, erscheinen die Bohrsymbole an diesen Positionen gestapelt. Verwenden Sie die Layer-Pair-Auswahl, um zu steuern, welches Lagenpaar aktuell angezeigt wird, wie in den folgenden Bildern dargestellt.

  
Klicken Sie mit der linken Maustaste auf das Dreiecksymbol, um auszuwählen, welches Bohrpaar angezeigt werden soll.

Eine platzierte Bohrtabelle kann so konfiguriert werden, dass sie alle Bohrlagenpaare anzeigt, oder so, dass sie ein bestimmtes Lagenpaar anzeigt. Das Bild unten stammt aus einem Design mit Rückbohrungen sowohl von der Ober- als auch von der Unterseite der Leiterplatte, daher wurden drei Tabellen platziert. Beachten Sie die Spalte Drill Layer Pair; sie zeigt die Funktion jeder Tabelle an.

Es wurden drei Bohrtabellen platziert: die erste zeigt die Durchgangsbohrungen, die zweite die Rückbohrungen von der Oberseite und die dritte die Rückbohrungen von der Unterseite.

NC Drill

Für jedes definierte Bohrpaar erzeugt die NC-Drill-Ausgabe eine eindeutige Bohrdatei. Beachten Sie, dass außerdem für jeden Bohrungsformtyp (rund, rechteckig oder Langloch) eine separate Datei erzeugt wird.

Die Bohrberichtdatei (<ProjectName>.DRR) enthält eine Zusammenfassung der Bohrwerkzeugzuweisungen, ihrer Größen sowie der Rolle und des Namens jeder der verschiedenen erzeugten Bohrdateien.

Der Dialog NC Drill Setup enthält eine Option Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes . Die NC-Drill-Ausgabedateien enthalten immer alle Bohrvorgänge. Wenn diese Option aktiviert ist, werden metallisierte und nicht metallisierte Bohrvorgänge stattdessen in getrennte Dateien ausgegeben. Sie werden durch eine zusätzliche Zeichenfolge im Dateinamen im Format <DesignName>-Plated bzw. <DesignName>-NonPlated gekennzeichnet.

Rückbohrvorgänge werden immer in eigene Dateien ausgegeben, die jeweils durch eine eindeutige Dateierweiterung gekennzeichnet sind. Diese könnten beispielsweise <DesignName>-BackDrill heißen.TX3 für Rückbohrvorgänge von der Oberseite und <DesignName>-BackDrill.TX4 für Rückbohrvorgänge von der Unterseite.

Der Bohrbericht fasst die Zuordnung von Bohrungen zu Werkzeugen, die Anzahl jeder Größe und die Bohrdateien zusammen, in denen sie detailliert aufgeführt sind.

Gerber X2

Anstatt nur ein Standard für die Ausgabe von Fertigungsdaten für einen Satz PCB-Lagen zu sein (wofür für die Bare-Board-Fertigung zusätzlich NC-Drill-Dateien erforderlich sind), gibt Gerber X2 alle Daten aus, die benötigt werden, um das Design in den CAM-Prozess des Fertigers zu übernehmen. Gerber X2 wird im Dialog Gerber X2 Setup konfiguriert.

Dies umfasst:

• Gerber-Dateifunktion: Top-Kupferlage, Top-Lötstoppmaske usw.
• Teil: einzelne PCB, Nutzen usw.
• Objektfunktion: SMD-Pad, Via-Pad usw.
• Bohrtoleranzen
• Positionen impedanzkontrollierter Leiterbahnen
• Gefüllte Vias

Wenn das Design rückgebohrte Bohrungen enthält, umfasst die Gerber-X2-Ausgabe automatisch zusätzliche Bohrdateien mit einem Dateinamen wie zum Beispiel:

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

Diese Rückbohrdateien enthalten Anweisungen im Gerber-X2-Format, wie zum Beispiel:

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

Diese Zeile weist die CAM-Software an, den Inhalt dieser Datei als nicht metallisierte Blind-Bohrvorgänge zwischen den Signallagen 1 und 3 zu behandeln.

Bohrgrößen werden mithilfe von Aperturen definiert, deren Definition eine Anweisung vorangestellt ist, die sie als Bohrgrößen deklariert.

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

Für die ODB++-Ausgabe wird für jedes definierte Rückbohr-Lagenpaar ein zusätzlicher Drill-Ordner erstellt. Diese haben Namen wie \drill1, \drill2. Diese Ordner enthalten die standardmäßigen ODB-Bohrdateien.

IPC-2581

Die Unterstützung für IPC-2581 wird in einem zukünftigen Update hinzugefügt.

Draftsman

Draftsman ist ein ideales Werkzeug zum Erstellen hochwertiger Dokumentation für Ihr Design. Wenn im Design Lagenpaare vom Typ Rückbohrung definiert sind, zeigt die Layer Stack Legend diese an, sodass ihre Existenz schnell erkennbar ist.

Platzieren Sie eine Layer Stack Legend, um die für Rückbohrungen verwendeten Lagenpaare sowie Bohrtabellen für jeden Lagenpaar-Bohrsatz anzuzeigen.

Sie können die Bohrtabelle auch so konfigurieren, dass jedes Rückbohr-Lagenpaar angezeigt wird, sodass sich die für Rückbohrungen erforderlichen Bohrgrößen und Bohrungsanzahlen schnell identifizieren lassen.