Kontrolliertes Tiefenbohren (Back Drilling)

Tiefenkontrolliertes Bohren (Controlled Depth Drilling, CDD), auch als Backdrilling bezeichnet, ist ein Verfahren zum Entfernen des ungenutzten Abschnitts, des sogenannten Stubs, der Kupferhülse einer Durchgangsbohrung in einer Leiterplatte. Wenn ein High-Speed-Signal über eine Kupferhülse zwischen Leiterplattenlagen übertragen wird, kann es verzerrt werden. Bleibt aufgrund der für das Signal verwendeten Lagen ein Stub bestehen und ist dieser lang, kann die Verzerrung erheblich sein.

Diese Stubs lassen sich entfernen, indem die Löcher nach Abschluss der Fertigung mit einem etwas größeren Bohrer nachgebohrt werden. Die Bohrungen werden bis zu einer kontrollierten Tiefe aufgebohrt, die nahe an der letzten vom Via verwendeten Lage liegt, diese jedoch nicht berührt. Unter Berücksichtigung von Fertigungs- und Materialschwankungen kann ein guter Leiterplattenhersteller die Bohrungen so aufbohren, dass ein Stub von 7 mil verbleibt; idealerweise ist der verbleibende Stub kürzer als 10 mil.

Das Via verbindet die beiden Innenlagen, wodurch oberhalb und unterhalb ungenutzte Abschnitte der Kupferhülse (Stubs) entstehen.
Diese Stubs lassen sich durch tiefenkontrolliertes Bohren entfernen.

Zum Entfernen der Stubs wird das linke Via von der Oberseite aufgebohrt; das rechte Via wird von beiden Seiten aufgebohrt. Beachten Sie, dass bei beiden Vias ein Rest-Stub verbleibt.

Backdrilling wird am häufigsten für Vias, aber auch für Backplane-Steckverbinder mit Einpresstechnik eingesetzt und bietet eine kostengünstige Lösung zur Sicherung der Signalqualität auf High-Speed-Signalpfaden. Es ist kostengünstiger als das sequenzielle Laminierverfahren, das für blinde und vergrabene Vias verwendet wird.

Für das Backdrilling sind folgende Schritte erforderlich:

• Definieren einer Designregel Maximale Via-Stub-Länge (Backdrilling), die sowohl die betreffenden Netze als auch die maximal zulässige Stub-Länge festlegt. Beachten Sie, dass diese Stub-Länge keine Bohreinstellung ist; die Software verwendet diesen Wert, um bei einer Batch-DRC auf verbleibende Stubs zu prüfen.
• Die Tiefe, bis zu der eine Bohrung aufgebohrt wird, wird durch die Konfiguration eines Bohrlagenpaars festgelegt, das die Start- und Endlage für das Backdrilling angibt. Als Start- und Endlagen können beliebige Kupferlagen definiert werden.
• Der Durchmesser des für das Backdrilling verwendeten Bohrers wird durch die Einstellung Via/Pad hole size + 2 x Oversize in der zutreffenden Designregel Maximum Via Stub Length (Back drilling) festgelegt.
• Verbinden von netzzugehörigen Routing-Objekten mit einem Pad oder Via, um ein Lagenpaar zu definieren, das zur Führung eines Signals verwendet wird.

Festlegen der aufzubohrenden Bohrungen

Teilen Sie der Software durch Hinzufügen einer Designregel Maximale Via-Stub-Länge (Backdrilling) mit, dass Bohrungen aufgebohrt werden sollen. Der Geltungsbereich der Designregel legt fest, welche Vias oder Pads aufgebohrt werden sollen. In der Regel wird Backdrilling nur für ausgewählte Netze eingesetzt, beispielsweise für High-Speed-Netze. In diesem Fall könnte der Geltungsbereich etwa InNet('Clock') oder InNetClass('HighSpeedNets') lauten.

Der Geltungsbereich der Regel legt fest, auf welche Objekte diese Regel anzuwenden ist. Diese Regel gilt für Vias in der Netzklasse IO.

Wenn der Geltungsbereich beispielsweise InNetClass('IO') lautet, kommen alle Vias und Pads in diesen Netzen für das Backdrilling infrage. Welche Bohrungen tatsächlich aufgebohrt werden, hängt davon ab, auf welchen Lagen diese Signale geführt werden und welche Backdrilling-Lagenpaare definiert wurden. Wenn eine Bohrung auf den Lagen innerhalb des Backdrilling-Lagenbereichs keine Verbindungen aufweist, wird sie aufgebohrt.

Um den Backdrilling-Vorgang weiter einzuschränken, grenzen Sie den Geltungsbereich der Regel enger ein. Wenn Sie beispielsweise nur die Vias und nicht die Durchsteck-Pads aufbohren möchten, können Sie den Geltungsbereich der Regel in InNetClass('IO') and IsVia ändern.

Definieren der Backdrilling-Eigenschaften

Beim Aufbohren der Kupferhülse einer Durchgangsbohrung wird ein Bohrer mit größerem Durchmesser verwendet, um das unerwünschte Kupfer zu entfernen.

    
Durch erneutes Bohren mit einem größeren Bohrer bis zu einer bestimmten Tiefe wird der ungenutzte Abschnitt der Via-Kupferhülse entfernt und so die Integrität dieses Signalpfads verbessert.

Alle Bohrvorgänge zwischen Lagen werden durch Hinzufügen einer Bohrdefinition mit Start- und Endlage auf der Registerkarte Back Drills des Lagenaufbau-Managers definiert. Die Registerkarte ist erst verfügbar, nachdem die Backdrilling-Funktion im Lagenaufbau-Manager aktiviert wurde. Wählen Sie dazu Tools » Features » Back Drills aus oder klicken Sie auf die Schaltfläche  und wählen Sie Back Drills.

Wechseln Sie nach dem Aktivieren der Funktion zur Registerkarte Back Drills und klicken Sie auf die Schaltfläche  , um eine neue Backdrilling-Definition hinzuzufügen.

Im nächsten Schritt konfigurieren Sie die aufzubohrenden Lagen wie unten beschrieben.

Bohrtiefe

Die Backdrilling-Tiefe ist ein berechneter Wert und keine Zahl, die Sie in einem Dialog eingeben. Sie definieren die erste und die letzte Lage. Die Software berechnet dann die erforderliche Bohrtiefe, um alle Lagen zwischen der ersten und der letzten Lage aufzubohren. Dabei wird die Dicke der ersten Lage einbezogen, die Dicke der letzten Lage jedoch nicht (das Backdrilling endet an dieser Lage). First layer und Last layer werden im Properties-Panel im Modus des Lagenaufbau-Managers definiert (bei ausgewählter Registerkarte „Back Drills“). Im Lagenaufbau müssen Backdrilling-Bohrungen definiert sein, damit Sie auf den Bereich Back Drill des Properties Panels zugreifen können, wie unten dargestellt.

Die Bohrung reicht bis kurz vor die letzte im Feld Last layer angegebene Lage, ohne diese zu berühren. Die Tiefe des Bohrvorgangs wird wie folgt festgelegt:

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

Die Lagendicken entsprechen den im Lagenaufbau-Manager eingegebenen Werten.

Properties-Panel

Wenn die Registerkarte Back Drills des Lagenaufbau-Dokuments aktiv ist, werden im Panel Properties die Lagenbereiche definiert, die rückgebohrt werden müssen.

• Back Drill
  • Name – der Name der Rückbohrung.
  • First layer – die erste Lage, über die sich die Rückbohrung erstreckt.
  • Last layer – die letzte Lage, über die sich die Rückbohrung erstreckt.
  • Mirror – wenn diese Option aktiviert ist, wird eine gespiegelte Rückbohrung erstellt, die sich über die symmetrischen Lagen im Lagenaufbau erstreckt. Diese Option ist nur verfügbar, wenn die Option Stack Symmetry aktiviert ist.
• Board
  • Stack Symmetry – aktivieren Sie diese Option, um Lagen paarweise symmetrisch zur mittleren Dielektrikumslage hinzuzufügen. Bei Aktivierung wird der Lagenaufbau sofort auf Symmetrie zur mittleren Dielektrikumslage geprüft. Wenn ein Lagenpaar mit gleichem Abstand zur mittleren dielektrischen Referenzlage nicht identisch ist, öffnet sich das Dialogfeld „Lagenaufbau ist nicht symmetrisch“.

• Library Compliance – wenn diese Option aktiviert ist, werden für jede aus der Materialbibliothek ausgewählte Lage die aktuellen Lageneigenschaften mit den Werten der entsprechenden Materialdefinition in der Bibliothek verglichen.

• Substack – diese Informationen beziehen sich auf den aktuell ausgewählten Teil-Lagenaufbau (Lagen, Dielektrikum, Dicken usw.). Wenn Sie zwischen Teil-Lagenaufbauten wechseln, werden diese Informationen entsprechend aktualisiert.

• Stack Name – geben Sie den Namen des Teil-Lagenaufbaus ein. Die Benennung ist hilfreich, wenn einem X/Y-Lagenaufbaubereich ein Teil-Lagenaufbau zugewiesen wird.
• Is Flex – aktivieren Sie diese Option, wenn der Teil-Lagenaufbau flexibel ist.
• Layers – die Anzahl der leitfähigen Lagen.
• Dielectrics – die Anzahl der Dielektrikumslagen.
• Conductive Thickness – die Summe der Dicken aller Signal- und Versorgungslagen (aller Kupfer- oder leitfähigen Lagen).
• Dielectric Thickness – die Dicke der Dielektrikumslage(n).
• Total Thickness – die Gesamtdicke der fertigen Leiterplatte.

Bohrdurchmesser

Der Bohrdurchmesser wird wie folgt berechnet:

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

Anstatt einen bestimmten Bohrdurchmesser für das Rückbohren einzugeben, legen Sie fest, um wie viel die Rückbohrung größer sein soll als der ursprüngliche Bohrdurchmesser des Vias oder Pads. Das Übermaß wird in der Designregel als radialer Wert angegeben, zusammen mit etwaigen Toleranzanforderungen für die Rückbohrungen, wie unten gezeigt.

Der Durchmesser des zum Rückbohren verwendeten Bohrers entspricht dem ursprünglichen Bohrdurchmesser des Vias oder Pads zuzüglich des doppelten, in der Designregel festgelegten Rückbohrungsübermaßes. Beachten Sie, dass das Übermaß als radialer Wert angegeben wird.

Bildschirmdarstellung von Rückbohrungen

Die Darstellung rückgebohrter Bohrungen umfasst einen zusätzlichen zweifarbigen Ring mit folgenden Eigenschaften:

• Der innere Kreis entspricht dem ursprünglichen Bohrdurchmesser des Vias (braun) oder Pads (grün/blau).
• Der zweifarbige Ring zeigt die Farben der ersten und der letzten Lage der Rückbohrung an.
• Die Breite des farbigen Kreisbogens entspricht dem in der Designregel definierten Wert für BackDrill OverSize. Der Außendurchmesser des durch die beiden farbigen Kreisbögen definierten Kreises ist der tatsächliche Durchmesser der Rückbohrung. Dieser wird im Modus Bohrungsgrößen-Editor des Panels PCB als Bohrdurchmesser aufgeführt. 
• Die Darstellung des farbigen Rings hängt davon ab, welche Lage im PCB-Editor gerade aktiv ist. Beispielsweise ist im ersten Bild unten die oberste Lage aktiv, im zweiten Bild die unterste Lage. Wenn die aktive Lage nicht rückgebohrt wird (wenn beispielsweise bei dem unten gezeigten Via „Mid Layer 2“ oder „Mid Layer 3“ aktiv wäre), wird die Rückbohrung überhaupt nicht angezeigt. Sie würden lediglich die braune Via-Bohrung sehen, umgeben von der Multilayer-Anschlussfläche.

  
Dasselbe Via links mit aktiver oberster Lage, in der Mitte mit aktiver unterster Lage und rechts im 3D-Modus.

Rückbohrungen im Bohrungsgrößen-Editor prüfen

Rückbohrungen lassen sich auch über den Bohrungsgrößen-Editor finden und anzeigen. Stellen Sie dazu den Modus im Panel PCB ein.

Im folgenden Bild wurde im Panel die Rückbohrung mit einem Durchmesser von 14 mil angeklickt. Die Ansicht zoomt auf die entsprechenden Rückbohrungen und hebt sie mit ihren Start- und Endlagen hervor. Beachten Sie, dass im Panel sieben rückgebohrte Vias aufgeführt sind, im Designbereich jedoch nur fünf angezeigt werden. Das liegt daran, dass das zweite und dritte Via sowohl von der Ober- als auch von der Unterseite rückgebohrt werden. Da die oberste Lage aktiv ist, werden diese Vias derzeit als Rückbohrungen von der Oberseite dargestellt.

Auf Stubs prüfen

Die Designregel Maximale Via-Stub-Länge (Rückbohren) dient sowohl zum Auffinden potenzieller Rückbohrstellen als auch zum Prüfen auf verbleibende Stubs.

Bei einer Designregelprüfung werden alle betroffenen Vias und Pads auf Stubs geprüft, deren Länge den in der Designregel konfigurierten Wert für Max Stub Length überschreitet. Beachten Sie, dass alle Pads und Vias geprüft werden, auf die die Designregeln Maximum Via Stub Length (Back drilling) angewendet werden – unabhängig davon, ob sie rückgebohrt sind oder nicht.

Die Regel prüft die Länge aller verbleibenden Stubs. Im folgenden Bild wurde das Via zwar entsprechend den definierten Rückbohrungen rückgebohrt, der verbleibende Stub ist jedoch länger als die von der geltenden Designregel erlaubten 7 mil. Daher wird ein Regelverstoß gemeldet.

Eine Designregelprüfung meldet jeden Stub, der die von der Designregel erlaubte maximale Stub-Länge überschreitet.
Dieses Via besteht die Prüfung nicht, da der verbleibende Stub länger als 7 mil ist.

Ausgabedateien erzeugen

Die Ausgabeerzeugung für das Rückbohren erfolgt ohne zusätzlichen Aufwand. Falls zusätzliche Bohr-Ausgabedateien benötigt werden, werden diese automatisch erzeugt.

Backdrilling ist der Verwendung von Sackloch-Vias sehr ähnlich. Auch für diese muss im Layer Stack Manager ein Paar aus Anfangs- und Endlage definiert werden, das die Bohranforderungen zwischen diesen beiden Lagen festlegt. Der Unterschied besteht darin, dass Sackloch-Vias metallisiert sind, während es sich beim Backdrilling von Vias oder Pads um einen nicht metallisierten Bohrvorgang handelt. Nicht metallisierte Bohrungen werden im Wesentlichen in einem nachgelagerten Fertigungsschritt hergestellt, d. h., das Bohren erfolgt nach dem Ätzen, Laminieren, Bohren und Durchkontaktieren. 

Backdrilling-Bericht

Um einen zusammenfassenden Bericht über alle Backdrilling-Vorgänge im Design zu erstellen, klicken Sie im Modus Bohrungsgrößen-Editor mit der rechten Maustaste in den Bereich Unique Holes des Panels PCB und wählen Sie anschließend Backdrill Report aus dem Kontextmenü.

Erstellen Sie einen Bericht über alle Backdrilling-Vorgänge auf der aktuellen Leiterplatte.

Das Dialogfeld Report Preview wird geöffnet. Klicken Sie auf die Schaltfläche Export, um den Dateityp und den Speicherort auszuwählen, und geben Sie anschließend den Dateinamen ein.

Bohrsymbole, Bohrtabelle und Bohrzeichnung

Bohrsymbole werden automatisch zugewiesen und können im Dialogfeld Drill Symbols neu konfiguriert werden. Die Symbole werden auf der Lage „Drill Drawing“ im PCB-Designbereich angezeigt, wenn die Option Show Drill Symbols im Dialogfeld Drill Symbols aktiviert ist. Sie können das Dialogfeld öffnen, indem Sie mit der rechten Maustaste in den Bereich Unique Holes des Panels oder auf die Lagenregisterkarte Drill Drawing klicken, wie unten gezeigt.

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

Da beim Backdrilling an derselben Position mit Bohrern unterschiedlicher Größe gebohrt wird, werden die Bohrsymbole an diesen Positionen übereinander angezeigt. Über die Lagenpaarauswahl legen Sie fest, welches Lagenpaar gerade angezeigt wird, wie in den folgenden Abbildungen dargestellt.

  
Klicken Sie mit der linken Maustaste auf das Dreiecksymbol, um das anzuzeigende Bohrlagenpaar auszuwählen.

Eine platzierte Bohrtabelle kann so konfiguriert werden, dass sie alle Bohrlagenpaare oder nur ein bestimmtes Lagenpaar anzeigt. Die folgende Abbildung stammt aus einem Design mit Backdrilling sowohl von der Ober- als auch von der Unterseite der Leiterplatte. Daher wurden drei Tabellen platziert. Beachten Sie die Spalte Drill Layer Pair; sie gibt die Funktion der jeweiligen Tabelle an.

Es wurden drei Bohrtabellen platziert: Die erste zeigt die Durchgangsbohrungen, die zweite die Backdrilling-Bohrungen von der Oberseite und die dritte die Backdrilling-Bohrungen von der Unterseite.

NC-Bohrdaten

Für jedes definierte Bohrlagenpaar wird bei der NC-Bohrdatenausgabe eine eigene Bohrdatei erzeugt. Beachten Sie, dass außerdem für jede Bohrungsform (rund, rechteckig oder Langloch) eine separate Datei erzeugt wird.

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

Das Dialogfeld NC-Bohrdateneinrichtung enthält eine Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes Option. Die NC-Bohrdateien enthalten immer alle Bohrvorgänge. Wenn diese Option aktiviert ist, werden metallisierte und nicht metallisierte Bohrvorgänge jedoch in separate Dateien ausgegeben. Diese sind durch eine zusätzliche Zeichenfolge im Dateinamen im Format <DesignName>-Plated oder <DesignName>-NonPlated gekennzeichnet.

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

Der Bohrbericht fasst die Zuordnung der Bohrungen zu den Werkzeugen, die Anzahl der Bohrungen jeder Größe und die Bohrdateien zusammen, in denen diese aufgeführt sind.

Gerber X2

Gerber X2 ist nicht nur ein Standard zur Ausgabe von Fertigungsdaten für die einzelnen Leiterplattenlagen, bei dem für die Fertigung der unbestückten Leiterplatte zusätzliche NC-Bohrdateien erforderlich sind. Vielmehr gibt Gerber X2 sämtliche Daten aus, die benötigt werden, um das Design in den CAM-Prozess des Leiterplattenherstellers zu übernehmen. Gerber X2 wird im Dialogfeld Gerber-X2-Einrichtung konfiguriert.

Dazu gehören:

• Funktion der Gerber-Datei: obere Kupferlage, obere Lötstoppmaske usw.
• Teil: einzelne Leiterplatte, Nutzen usw.
• Objektfunktion: SMD-Pad, Via-Pad usw.
• Bohrtoleranzen
• Positionen impedanzkontrollierter Leiterbahnen
• Gefüllte Vias

Wenn das Design Backdrilling-Bohrungen enthält, umfasst die Gerber-X2-Ausgabe automatisch zusätzliche Bohrdateien mit Dateinamen wie:

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

Diese Backdrilling-Dateien enthalten Anweisungen im Gerber-X2-Format, beispielsweise:

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

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

Die Bohrungsgrößen werden mithilfe von Blenden definiert. Ihrer Definition ist eine Anweisung vorangestellt, die sie als Bohrungsgrößen deklariert.

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

Bei der ODB++-Ausgabe wird für jedes definierte Backdrilling-Lagenpaar ein zusätzlicher Bohrordner erstellt. Diese Ordner haben Namen wie \drill1 oder \drill2. Sie enthalten die standardmäßigen ODB-Bohrdateien.

IPC-2581

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

Draftsman

Draftsman ist ein ideales Werkzeug zum Erstellen hochwertiger Dokumentation für Ihr Design. Wenn im Design Lagenpaare vom Typ Backdrilling definiert sind, werden diese in der Lagenaufbaulegende angezeigt, sodass sich schnell erkennen lässt, ob sie vorhanden sind.

Platzieren Sie eine Lagenaufbaulegende, um die für das Backdrilling verwendeten Lagenpaare anzuzeigen, sowie Bohrtabellen für die Bohrungssätze der einzelnen Lagenpaare.

Sie können die Bohrtabelle außerdem so konfigurieren, dass sie jedes Backdrilling-Lagenpaar anzeigt. So lassen sich die für das Backdrilling erforderlichen Bohrungsgrößen und die Anzahl der Bohrungen schnell ermitteln.