Taladrado de profundidad controlada (Back Drilling)

El taladrado de profundidad controlada (CDD), también conocido como back drilling, es una técnica utilizada para eliminar la porción no utilizada, o stub, del barril de cobre de un agujero pasante en una placa de circuito impreso. Cuando una señal de alta velocidad viaja entre capas de la PCB a través de un barril de cobre, puede distorsionarse. Si el uso de la capa de señal da como resultado la presencia de un stub y este stub es largo, esa distorsión puede volverse significativa.

Estos stubs pueden eliminarse volviendo a taladrar esos agujeros con una broca ligeramente más grande una vez finalizada la fabricación. Los agujeros se backdrillan 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 material, un buen fabricante puede backdrillar agujeros para dejar un stub de 7 mil; idealmente, el stub restante será menor de 10 mil.

La vía se utiliza para conectar entre las dos capas internas, lo que da como resultado barril no utilizado (stubs) por encima y por debajo.
Estos stubs pueden eliminarse utilizando taladrado de profundidad controlada.

Para eliminar los stubs, la vía de la izquierda se backdrilla desde el lado superior; la vía de la derecha se backdrilla desde ambos lados. Tenga en cuenta que ambas vías tienen algo de stub restante.

Utilizado con mayor frecuencia para vías, y también para conectores de backplane de ajuste a presión, el back drilling proporciona una solución rentable para ayudar a gestionar la calidad de la señal en trayectos de señales de alta velocidad. Ofrece un costo menor que la técnica de laminación secuencial utilizada para vías ciegas y enterradas.

El back drilling se logra mediante:

• La definición de una regla de diseño Maximum Via Stub Length (Back drilling) que define las redes de interés y también la longitud máxima permitida del stub. Tenga en cuenta que esta longitud de stub no es un ajuste de taladrado; es el valor que el software usa para comprobar los stubs restantes durante una DRC por lotes.
• La profundidad hasta la cual se backdrilla el agujero se define configurando un par de taladrado que especifica las capas de inicio y fin para los back drills. Cualquier capa de cobre puede definirse como capa de inicio y de fin para back drills.
• El diámetro de la broca utilizada para back drilling se define mediante Via/Pad hole size + 2 x Oversize en la regla de diseño Maximum Via Stub Length (Back drilling) aplicable.
• Conexión de objetos de enrutamiento con reconocimiento de red a un pad o una vía para definir un par de capas utilizadas para enrutar una señal.

Selección de los agujeros que se van a backdrillar

Indique al software que hay agujeros que deben backdrillarse añadiendo una regla de diseño Maximum Via Stub Length (Back drilling). El alcance de la regla de diseño define qué vías o pads se van a taladrar. Normalmente solo se backdrillan redes selectivas, como las redes de alta velocidad, en cuyo caso el alcance podría ser algo como InNet('Clock'), o InNetClass('HighSpeedNets').

El alcance de la regla define a qué objetos debe aplicarse esta regla. Esta regla se dirige a las vías de la clase de red IO.

Por ejemplo, si el alcance es InNetClass('IO'), entonces todas las vías y pads de esas redes pueden ser susceptibles de back drilling. Los agujeros que realmente se backdrillen dependerán de en qué capas estén enrutadas esas señales y de qué pares de back drill se hayan definido. Si un agujero no tiene conexiones en las capas dentro del rango de capas de back drill, ese agujero se backdrillará.

Para limitar aún más la operación de back drilling, restrinja el alcance de la regla. Por ejemplo, si solo desea backdrillar las vías y no los pads pasantes, podría cambiar el alcance de la regla a InNetClass('IO') and IsVia.

Definición de las propiedades de back drill

Cuando se backdrilla un barril de agujero pasante, se utiliza una broca sobredimensionada para eliminar el cobre no deseado.

    
Al volver a taladrar el agujero con una broca sobredimensionada hasta una profundidad específica, se elimina la porción no utilizada del barril de la vía, mejorando la integridad de este trayecto de señal.

Todas las acciones de taladrado entre capas se definen añadiendo una definición de taladrado capa de inicio-capa de fin en la pestaña Back Drills de Layer Stack Manager. La pestaña no está disponible hasta que la función Back Drill se habilita en Layer Stack Manager; 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 Back Drill.

El siguiente paso es configurar las capas que se van a backdrillar, como se describe a continuación.

Profundidad de taladrado

La profundidad de back drilling es un valor calculado, no un número que usted introduzca en un cuadro de diálogo. Usted define la primera y la última capa, y el software calcula la profundidad de taladrado necesaria para backdrillar a través de todas las capas entre la primera y la última, incluyendo el espesor de la primera capa, pero no el espesor de la última capa (el back drilling se detiene en esa capa). First layer y Last layer se definen en el Properties panel in Layer Stack Manager mode (con la Back Drills tab seleccionada). Deben existir back drills definidos en el stack de capas para poder acceder a la región Back Drill del panel Properties , como se muestra a continuación.

El agujero se taladra hasta la última capa especificada en el campo Last layer , pero sin tocarla. La profundidad de la acción 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 son los valores introducidos en Layer Stack Manager.

Panel Properties

Cuando la pestaña Back Drills del documento Layer Stack está activa, el panel Properties se utiliza para definir los intervalos de capas que deben backdrillarse.

• Back Drill
  • Name – el nombre del back drill.
  • First layer – la primera capa que abarca el back drill.
  • Last layer – la última capa que abarca el back drill.
  • Mirror – cuando está habilitado, se crea un espejo del back drill actual que abarca las capas simétricas en el stack de capas. Esta opción solo está disponible si la opción Stack Symmetry está habilitada.
• Board
  • Stack Symmetry – habilítelo para añadir capas en pares coincidentes, centrados alrededor de la capa dieléctrica media. Cuando está habilitado, el stack de capas se comprueba inmediatamente para verificar su simetría alrededor de la capa dieléctrica central. Si algún par de capas que están a igual distancia de la capa dieléctrica central de referencia no es idéntico, se abre el cuadro de diálogo Stack is not symmetric dialog.

• Library Compliance – cuando está habilitado, para cada capa que se haya seleccionado de la Material Library, las propiedades actuales de la capa se comparan con los valores de esa definición de material en la biblioteca.

• Substack – esta información corresponde al substack actualmente seleccionado (capas, dieléctrico, espesores, etc.). A medida que cambie de un substack a otro, esta información se actualizará en consecuencia (para el substack actualmente seleccionado).

• Stack Name – introduzca el nombre del substack. Asignar un nombre al substack es útil cuando la región de apilado X/Y está siendo asignada a un substack de capas.
• Is Flex – habilítelo si el substack es flex.
• Layers – el número de capas conductoras.
• Dielectrics – el número de dieléctricos.
• Conductive Thickness – esta es 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 la(s) capa(s) dieléctrica(s).
• Total Thickness – el espesor total de la placa terminada.

Tamaño de taladrado

El diámetro de taladrado calculado a partir de:

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

En lugar de introducir un tamaño de broca específico para back drilling, defina cuánto mayor es el back drill respecto del tamaño original del agujero de la vía o del pad. El sobredimensionamiento se especifica como una cantidad radial en la regla de diseño, junto con cualquier requisito de tolerancia para los agujeros backdrillados, como se muestra a continuación.

El tamaño de la broca utilizada para back drilling es el tamaño original del agujero de la vía o del pad, más el doble del Backdrill Oversize especificado en la regla de diseño. Tenga en cuenta que el Oversize se especifica como una cantidad radial.

Visualización en pantalla de agujeros backdrillados

La visualización de los agujeros que tienen back drilling incluye un anillo adicional de dos colores con las siguientes propiedades:

• El círculo interior es el tamaño original del agujero de la vía (marrón) o del pad (verde/azul).
• El anillo de dos colores indica el color de la primera capa y el de la última capa del back drill.
• El ancho del arco coloreado es la cantidad definida en la regla de diseño BackDrill OverSize. El diámetro exterior del círculo definido por los dos arcos coloreados es el tamaño real del agujero de back drill, que aparecerá listado como tamaño de taladro en el modo Hole Size Editor del panel PCB. 
• La visualización del anillo coloreado depende de qué capa esté activa en ese momento en el editor PCB. Por ejemplo, la primera imagen de abajo es con la capa superior activa y la segunda imagen es con la capa inferior activa. Si la capa activa no tiene back drill (por ejemplo, si la capa activa fuera Mid Layer 2 o Mid Layer 3 en la vía mostrada abajo), entonces el back drill no se mostraría en absoluto. Simplemente vería el agujero de la vía en marrón rodeado por el área de land multicapa.

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

Comprobación del back drilling en el Hole Size Editor

Los back drills también pueden localizarse y visualizarse mediante el panel Hole Size Editor estableciendo el modo en el panel PCB.

En la imagen de abajo, se ha hecho clic en el back drill de 14 mil en el panel. La visualización hace zoom sobre esos agujeros con back drill, resaltándolos con las capas de inicio y fin. Tenga en cuenta que en el panel se muestran siete vías con back drill, pero en el espacio de diseño solo se muestran cinco. Esto se debe a que la segunda y la tercera vía tienen back drill tanto desde la cara superior como desde la cara inferior y, como la capa superior es la capa activa, esas vías se muestran actualmente como back drill desde la cara superior.

Comprobación de stubs

La regla de diseño Maximum Via Stub Length (Back drilling) se utiliza tanto para localizar posibles ubicaciones de back drill como para comprobar los stubs remanentes.

Durante una comprobación de reglas de diseño, todas las vías y pads aplicables se evalúan para detectar stubs con una longitud mayor que la configurada en la regla de diseño Max Stub Length. Tenga en cuenta que se comprueban todos los pads y vías objetivo de las reglas de diseño Maximum Via Stub Length (Back drilling), no solo aquellos con back drill ni solo aquellos a los que no se les ha hecho back drill.

La regla comprueba la longitud de cualquier stub remanente. En la imagen de abajo, aunque la vía ha sido sometida a back drilling (de acuerdo con los back drills definidos), el stub restante es mayor que los 7 mil permitidos por la regla de diseño aplicable, por lo que se marca una violación de regla.

Una comprobación de reglas de diseño marca cualquier stub que sea mayor que la Longitud Máxima de Stub permitida por la regla de diseño.
Esta vía falla, ya que el stub restante es mayor de 7 mil.

Generación de salidas

La generación de salidas para back drilling es transparente. Si se necesitan archivos de salida adicionales de tipo taladro, estos se generan automáticamente.

El back drilling es muy similar al uso de vías ciegas (que también requieren que se defina un par de primera/última capa en el Layer Stack Manager), que especifica los requisitos de taladrado entre ese par. La diferencia es que las vías ciegas están metalizadas, mientras que las vías o pads con back drill son un evento de taladrado no metalizado. Los agujeros no metalizados son esencialmente un proceso posterior a la fabricación; es decir, el taladrado se realiza después del grabado, la laminación, el taladrado y el metalizado de agujeros pasantes. 

Informe de back drill

Para generar un informe resumido de todos los eventos de back drill en el diseño, haga clic con el botón derecho en la región Unique Holes del panel PCB en modo Hole Size Editor y luego seleccione Backdrill Report en el menú contextual.

Genere un informe de todos los eventos de back drill en el PCB actual.

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

Símbolos de taladro, la tabla de taladros y el dibujo de taladros

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

Configure las asignaciones de símbolos de taladro y habilite su visualización en el cuadro de diálogo Drill Symbols.

Debido a que el back drilling implica taladrar en la misma ubicación con brocas de distintos tamaños, los símbolos de taladro aparecerán apilados en esas ubicaciones. Utilice el selector de pares de capas para controlar qué par de capas se muestra actualmente, como se ve en las imágenes de abajo.

  
Haga clic con el botón izquierdo en el icono del triángulo para seleccionar qué par de taladro desea mostrar.

Una tabla de taladros colocada puede configurarse para mostrar todos los pares de capas de taladro, o puede configurarse para mostrar un par de capas específico. La imagen de abajo corresponde a un diseño con back drilling tanto desde la cara superior como desde la cara 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 agujeros pasantes, la segunda los back drills desde la cara superior y la tercera los back drills desde la cara inferior.

NC Drill

Para cada par de taladro definido, la salida NC drill producirá un archivo de taladro único. Tenga en cuenta que también produce un archivo separado para cada tipo de forma de agujero (redondo, rectangular o ranurado).

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

El cuadro de diálogo NC Drill Setup incluye una opción Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes . Los archivos de salida NC drill siempre incluyen todos los eventos de taladrado. Si esta opción está habilitada, los eventos de taladrado metalizados y no metalizados se generan en archivos separados. Se identifican mediante una cadena adicional en el nombre del archivo con el formato <DesignName>-Plated, o <DesignName>-NonPlated.

Los eventos de back drill siempre se generan en sus propios archivos, cada uno identificado por una extensión de archivo única. Por ejemplo, podrían llamarse <DesignName>-BackDrill.TX3 para los eventos de back drill desde la cara superior y <DesignName>-BackDrill.TX4 para los eventos de back drill desde la cara inferior.

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

Gerber X2

En lugar de ser solo un estándar para generar datos de fabricación para un conjunto de capas PCB (lo que requiere la adición de archivos NC drill para la fabricación de la placa desnuda), Gerber X2 genera todos los datos necesarios para introducir el diseño en el proceso CAM del fabricante. Gerber X2 se configura en el cuadro de diálogo Gerber X2 Setup.

Esto incluye:

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

Si hay agujeros con back drill en el diseño, la salida Gerber X2 incluirá automáticamente archivos de taladro adicionales con un nombre de archivo, como por ejemplo:

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

Estos archivos de back drill 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 eventos 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 por una instrucción que las declara como tamaños de taladro.

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

Para la salida ODB++, se creará una carpeta de taladros adicional para cada par de capas de back drill definido. Estas tendrán nombres como \drill1, \drill2. Estas carpetas incluyen los archivos de taladro 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 back drill definidos en el diseño, la Layer Stack Legend los mostrará, facilitando establecer rápidamente su presencia.

Coloque una Layer Stack Legend para mostrar los pares de capas utilizados para back drilling y tablas de taladros para cada conjunto de taladros por par de capas.

También puede configurar la tabla de taladros para mostrar cada par de capas de back drill, lo que facilita identificar rápidamente los tamaños de taladro y la cantidad de agujeros requerida para el back drilling.