Taladrado de profundidad controlada (Back Drilling)

El taladrado de profundidad controlada (CDD), también conocido como retaladrado, es una técnica que se utiliza para eliminar la porción no utilizada, o stub, del cilindro de cobre de un orificio pasante en una placa de circuito impreso. Cuando una señal de alta velocidad viaja entre las capas de la PCB a través de un cilindro de cobre, puede distorsionarse. Si las capas utilizadas por la señal dejan un stub y este es largo, la distorsión puede llegar a ser significativa.

Estos stubs se pueden eliminar volviendo a taladrar los orificios con una broca de diámetro ligeramente mayor una vez finalizada la fabricación. Los orificios se retaladran hasta una profundidad controlada cercana a la última capa utilizada por la vía, pero sin tocarla. Teniendo en cuenta las variaciones de fabricación y de los materiales, un buen fabricante puede retaladrar los orificios dejando un stub de 7 mil; lo ideal es que el stub restante sea inferior a 10 mil.

La vía se utiliza para conectar las dos capas internas, lo que deja porciones no utilizadas del cilindro de cobre (stubs) por encima y por debajo.
Estos stubs se pueden eliminar mediante taladrado de profundidad controlada.

Para eliminar los stubs, la vía de la izquierda se retaladra desde la cara superior; la vía de la derecha se retaladra desde ambas caras. Observe que en ambas vías queda una parte del stub.

El retaladrado, que se utiliza principalmente para vías y también para conectores de backplane de inserción a presión (press-fit), ofrece una solución rentable para ayudar a controlar la calidad de la señal en trayectos de alta velocidad. Su coste es inferior al de la técnica de laminación secuencial utilizada para vías ciegas y enterradas.

El retaladrado se realiza de la siguiente manera:

• Definiendo una regla de diseño de Longitud máxima del stub de vía (retaladrado) que especifique las redes de interés y la longitud máxima permitida del stub. Tenga en cuenta que esta longitud del stub no es un ajuste de taladrado; es el valor que utiliza el software para comprobar los stubs restantes durante una comprobación de reglas de diseño (DRC) por lotes.
• La profundidad de retaladrado del orificio se define configurando un par de capas de taladrado que especifique las capas inicial y final del retaladrado. Se puede definir cualquier capa de cobre como capa inicial o final del retaladrado.
• El diámetro de la broca utilizada para el retaladrado se define mediante el ajuste Via/Pad hole size + 2 x Oversize de la regla de diseño Maximum Via Stub Length (Back drilling) correspondiente.
• Conectando objetos de enrutado con información de red a un pad o una vía para definir un par de capas utilizadas para enrutar una señal.

Selección de los orificios que se van a retaladrar

Para indicar al software que hay orificios que se deben retaladrar, añada una regla de diseño de Longitud máxima del stub de vía (retaladrado). El ámbito de la regla de diseño define qué vías o pads se deben taladrar. Normalmente, solo se retaladran determinadas redes, como las de alta velocidad, en cuyo caso el ámbito podría ser algo como InNet('Clock') o InNetClass('HighSpeedNets').

El ámbito de la regla define a qué objetos debe aplicarse. Esta regla se aplica a las vías de la clase de redes IO.

Por ejemplo, si el ámbito es InNetClass('IO'), todas las vías y los pads de esas redes pueden ser candidatos al retaladrado. Los orificios que se retaladren realmente dependerán de las capas en las que se enruten esas señales y de los pares de capas de retaladrado que se hayan definido. Si un orificio no tiene conexiones en las capas comprendidas en el intervalo de capas de retaladrado, se retaladrará.

Para limitar aún más la operación de retaladrado, restrinja el ámbito de la regla. Por ejemplo, si solo desea retaladrar las vías y no los pads de orificio pasante, puede cambiar el ámbito de la regla a InNetClass('IO') and IsVia.

Definición de las propiedades de retaladrado

Al retaladrar el cilindro de cobre de un orificio pasante, se utiliza una broca de mayor diámetro para eliminar el cobre no deseado.

    
Al volver a taladrar el orificio con una broca de mayor diámetro hasta una profundidad específica, se elimina la porción no utilizada del cilindro de cobre de la vía, lo que mejora la integridad de este trayecto de señal.

Todas las operaciones de taladrado entre capas se definen añadiendo una definición de taladrado con capa inicial y capa final en la pestaña Back Drills del Administrador de apilado de capas. La pestaña no está disponible hasta que se habilita la función de retaladrado en el Administrador de apilado de capas; seleccione Tools » Features » Back Drills para habilitarla, o haga clic en el botón  y elija Back Drills.

Una vez habilitada la función, cambie a la pestaña Back Drills y haga clic en el botón  para añadir una nueva definición de retaladrado.

El siguiente paso consiste en configurar las capas que se van a retaladrar, como se describe a continuación.

Profundidad de taladrado

La profundidad de retaladrado es un valor calculado, no un número que se introduzca en un cuadro de diálogo. Usted define la primera y la última capa, y el software calcula la profundidad necesaria para retaladrar todas las capas comprendidas entre ellas, incluido el espesor de la primera capa, pero no el de la última (el retaladrado se detiene en esa capa). Los valores de First layer y Last layer se definen en el panel Propiedades en el modo Administrador de apilado de capas (con la pestaña Retaladrados seleccionada). Debe haber retaladrados definidos en el apilado de capas para poder acceder a la sección Back Drill del Properties panel, como se muestra a continuación.

El orificio se taladra hasta la última capa especificada en el campo Last layer , pero sin tocarla. La profundidad de la operación de taladrado se define mediante:

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

Los espesores de las capas corresponden a los valores introducidos en el Administrador de apilado de capas.

Panel Propiedades

Cuando la pestaña Back Drills del documento de apilado de capas está activa, el panel Properties se utiliza para definir los intervalos de capas en los que se debe realizar un taladrado posterior.

• Back Drill
  • Name – el nombre del taladrado posterior.
  • First layer – la primera capa que abarca el taladrado posterior.
  • Last layer – la última capa que abarca el taladrado posterior.
  • Mirror – cuando esta opción está habilitada, se crea una réplica simétrica del taladrado posterior actual que abarca las capas simétricas del apilado. Esta opción solo está disponible si la opción Stack Symmetry está habilitada.
• Board
  • Stack Symmetry – habilite esta opción para añadir capas en pares coincidentes, centrados en torno a la capa dieléctrica central. Al habilitarla, se comprueba inmediatamente la simetría del apilado de capas respecto a la capa dieléctrica central. Si algún par de capas equidistantes de la capa dieléctrica de referencia central no es idéntico, se abre el cuadro de diálogo El apilado no es simétrico.

• Library Compliance – cuando esta opción está habilitada, para cada capa seleccionada de la biblioteca de materiales, se comprueba que las propiedades actuales de la capa coincidan con los valores de la definición de ese material en la biblioteca.

• Substack – esta información corresponde al subapilado seleccionado actualmente (capas, dieléctrico, espesores, etc.). Al cambiar de un subapilado a otro, esta información se actualizará según corresponda al subapilado seleccionado.

• Stack Name – introduzca el nombre del subapilado. Asignar un nombre al subapilado resulta útil cuando se asigna un subapilado de capas a una región de apilado X/Y.
• Is Flex – habilite esta opción si el subapilado es flexible.
• Layers – el número de capas conductoras.
• Dielectrics – el número de dieléctricos.
• Conductive Thickness – la suma de los espesores de todas las capas de señal y de plano (todas las capas de cobre o conductoras).
• Dielectric Thickness – el espesor de las capas dieléctricas.
• Total Thickness – el espesor total de la placa terminada.

Diámetro de taladrado

El diámetro de taladrado se calcula a partir de:

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

En lugar de introducir un diámetro de taladrado específico para el taladrado posterior, defina cuánto mayor debe ser este respecto al diámetro original del orificio de la vía o del pad. El sobredimensionado se especifica como un valor radial en la regla de diseño, junto con los requisitos de tolerancia para los orificios con taladrado posterior, como se muestra a continuación.

El diámetro de la broca utilizada para el taladrado posterior es el diámetro original del orificio de la vía o del pad, más el doble del sobredimensionado de taladrado posterior especificado en la regla de diseño. Tenga en cuenta que el sobredimensionado se especifica como un valor radial.

Visualización en pantalla de los orificios con taladrado posterior

La visualización de los orificios con taladrado posterior incluye un anillo bicolor adicional con las siguientes propiedades:

• El círculo interior corresponde al diámetro original del orificio de la vía (marrón) o del pad (verde/azul).
• El anillo bicolor indica el color de la primera capa y el de la última capa del taladrado posterior.
• El ancho del arco de color es el valor de BackDrill OverSize definido en la regla de diseño. El diámetro exterior del círculo definido por los dos arcos de color es el diámetro real del orificio de taladrado posterior, que aparecerá como diámetro de taladrado en el modo Editor de diámetros de orificio del panel PCB. 
• La visualización del anillo de color depende de la capa que esté activa en el editor de PCB. Por ejemplo, la primera imagen de abajo muestra la capa superior activa y la segunda, la capa inferior activa. Si la capa activa no está afectada por el taladrado posterior (por ejemplo, si la capa activa fuera la capa intermedia 2 o la capa intermedia 3 de la vía que se muestra a continuación), el taladrado posterior no se mostraría en absoluto. Solo se vería el orificio de la vía en marrón, rodeado por el área de conexión multicapa.

  
La misma vía se muestra a la izquierda con la capa superior activa, en la imagen central con la capa inferior activa y a la derecha en modo 3D.

Comprobación del taladrado posterior en el Editor de diámetros de orificio

Los taladrados posteriores también se pueden localizar y visualizar mediante el modo Editor de diámetros de orificio del panel PCB.

En la imagen siguiente, se ha hecho clic en el taladrado posterior de 14 mils en el panel. La vista se amplía para mostrar esos orificios con taladrado posterior y los resalta con las capas de inicio y fin. Tenga en cuenta que en el panel aparecen siete vías con taladrado posterior, pero solo se muestran cinco en el espacio de diseño. Esto se debe a que la segunda y la tercera vía tienen taladrado posterior tanto desde la cara superior como desde la inferior y, dado que la capa superior es la activa, esas vías se muestran actualmente con el taladrado posterior de la cara superior.

Comprobación de tramos residuales

La regla de diseño Longitud máxima del tramo residual de vía (taladrado posterior) se utiliza tanto para localizar posibles ubicaciones de taladrado posterior como para comprobar los tramos residuales restantes.

Durante una comprobación de reglas de diseño, se comprueba si todas las vías y pads a los que se aplica la regla tienen tramos residuales cuya longitud supere el valor de Max Stub Length configurado en la regla de diseño. Tenga en cuenta que se comprueban todos los pads y vías a los que se aplican las reglas de diseño Maximum Via Stub Length (Back drilling), no solo aquellos que tienen taladrado posterior o los que no lo tienen.

La regla comprueba la longitud de cualquier tramo residual restante. En la imagen siguiente, aunque se ha realizado el taladrado posterior de la vía (de acuerdo con los taladrados posteriores definidos), el tramo residual restante supera los 7 mils permitidos por la regla de diseño aplicable, por lo que se señala una infracción de la regla.

La comprobación de reglas de diseño señala cualquier tramo residual que supere la longitud máxima permitida por la regla de diseño.
Esta vía no cumple la regla, ya que el tramo residual restante supera los 7 mils.

Generación de archivos de salida

La generación de archivos de salida para el taladrado posterior es transparente. Si se necesitan archivos de salida adicionales de tipo taladrado, estos se generan automáticamente.

El taladrado posterior es muy similar al uso de vías ciegas (estas también requieren que se defina un par de capas inicial/final en el Administrador de la pila de capas), que especifica los requisitos de taladrado entre ambas capas. La diferencia es que las vías ciegas están metalizadas, mientras que el taladrado posterior de vías o pads es una operación de taladrado sin metalización. Los taladros no metalizados son, en esencia, un proceso posterior a la fabricación; es decir, el taladrado se realiza después del grabado, la laminación, el taladrado y la metalización de los orificios pasantes. 

Informe de taladrado posterior

Para generar un informe resumido de todas las operaciones de taladrado posterior del diseño, haga clic con el botón derecho en la región Unique Holes del panel PCB en el modo Editor de tamaños de taladro y, a continuación, seleccione Backdrill Report en el menú contextual.

Genere un informe de todas las operaciones de taladrado posterior de la PCB actual.

Se abrirá el cuadro de diálogo Report Preview. Haga clic en el botón Export para seleccionar el tipo de archivo y la ubicación donde desea guardarlo y, a continuación, introduzca el nombre del archivo.

Símbolos de taladrado, tabla de taladros y plano de taladrado

Los símbolos de taladrado se asignan automáticamente y pueden reconfigurarse en el cuadro de diálogo Drill Symbols. Los símbolos se muestran en la capa de plano de taladrado del espacio de diseño de PCB si la opción Show Drill Symbols está activada en el cuadro de diálogo Drill Symbols. Puede acceder al cuadro de diálogo haciendo clic con el botón derecho en la región Unique Holes del panel o en la pestaña de la capa Drill Drawing, como se muestra a continuación.

Configure las asignaciones de los símbolos de taladrado y active su visualización en el cuadro de diálogo Drill Symbols.

Dado que el taladrado posterior implica taladrar en la misma ubicación con brocas de distintos diámetros, los símbolos de taladrado aparecerán superpuestos en estas ubicaciones. Utilice el selector de pares de capas para controlar qué par de capas se muestra en cada momento, como se ilustra en las imágenes siguientes.

  
Haga clic con el botón izquierdo en el icono del triángulo para seleccionar qué par de capas de taladrado desea visualizar.

Una tabla de taladros colocada puede configurarse para mostrar todos los pares de capas de taladrado o un par de capas específico. La imagen siguiente corresponde a un diseño con taladrado posterior desde las caras superior e inferior de la placa, por lo que se han colocado tres tablas. Observe la columna Drill Layer Pair; indica la función de cada tabla.

Se han colocado tres tablas de taladros: la primera muestra los taladros pasantes; la segunda, los taladrados posteriores desde la cara superior; y la tercera, los taladrados posteriores desde la cara inferior.

Taladrado NC

Para cada par de capas de taladrado definido, la salida de taladrado NC generará un archivo de taladrado único. Tenga en cuenta que también genera un archivo independiente para cada tipo de forma de orificio (redondo, rectangular o ranurado).

El archivo de informe de taladrado (<ProjectName>.DRR) incluye un resumen de las asignaciones de herramientas de taladrado, sus tamaños y la función y el nombre de cada uno de los distintos archivos de taladrado generados.

El cuadro de diálogo Configuración de taladrado NC incluye una Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes opción. Los archivos de salida de taladrado NC siempre incluyen todas las operaciones de taladrado. Si esta opción está activada, las operaciones de taladrado metalizado y no metalizado se exportan a archivos independientes. Estos se identifican mediante una cadena adicional en el nombre de archivo con el formato <DesignName>-Plated o <DesignName>-NonPlated.

Las operaciones de taladrado posterior siempre se exportan a archivos propios, cada uno identificado mediante una extensión de archivo única. Por ejemplo, podrían denominarse <DesignName>-BackDrill.TX3 para las operaciones de taladrado posterior desde la cara superior y <DesignName>-BackDrill.TX4 para las operaciones de taladrado posterior desde la cara inferior.

El informe de taladrado resume la asignación de taladros a herramientas, la cantidad de cada tamaño y los archivos de taladrado en los que se detallan.

Gerber X2

En lugar de ser simplemente un estándar para generar datos de fabricación de un conjunto de capas de PCB (que requiere añadir archivos de taladrado NC para fabricar la placa sin componentes), Gerber X2 genera todos los datos necesarios para incorporar el diseño al proceso CAM del fabricante. Gerber X2 se configura en el cuadro de diálogo Configuración de Gerber X2.

Esto incluye:

• Función del archivo Gerber: capa de cobre superior, máscara de soldadura superior, etc.
• Pieza: PCB individual, panel, etc.
• Función del objeto: pad SMD, pad de vía, etc.
• Tolerancias de taladrado
• Ubicaciones de las pistas de impedancia controlada
• Vías rellenas

Si hay orificios con taladrado posterior en el diseño, la salida Gerber X2 incluirá automáticamente archivos de taladrado adicionales con nombres de archivo como:

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

Estos archivos de taladrado posterior incluyen instrucciones en formato Gerber X2, como:

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

Esta línea indica al software CAM que trate el contenido de este archivo como operaciones de taladrado ciego no metalizado entre las capas de señal 1 y 3.

Los tamaños de taladro se definen mediante aperturas, cuya definición va precedida de una instrucción que las declara como tamaños de taladro.

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

Para la salida ODB++, se creará una carpeta de taladrado adicional por cada par de capas de taladrado posterior definido. Estas tendrán nombres como \drill1, \drill2. Estas carpetas incluyen los archivos de taladrado ODB estándar.

IPC-2581

La compatibilidad con IPC-2581 se añadirá en una futura actualización.

Draftsman

Draftsman es una herramienta ideal para crear documentación de alta calidad para su diseño. Si hay pares de capas de tipo taladrado posterior definidos en el diseño, la leyenda de la pila de capas los mostrará, lo que permite identificar rápidamente su presencia.

Coloque una leyenda de la pila de capas para mostrar los pares de capas utilizados para el taladrado posterior, así como tablas de taladros para los conjuntos de taladros de cada par de capas.

También puede configurar la tabla de taladros para que muestre cada par de capas de taladrado posterior, lo que permite identificar rápidamente los tamaños de taladro y la cantidad de orificios necesarios para el taladrado posterior.