Controlled Depth Drilling (Back Drilling)

Le perçage à profondeur contrôlée (CDD), également appelé back drilling, est une technique utilisée pour retirer la partie inutilisée, ou stub, du fût en cuivre d’un trou traversant dans un circuit imprimé. Lorsqu’un signal haute vitesse circule entre les couches du PCB via un fût en cuivre, il peut être déformé. Si l’utilisation des couches de signal entraîne la présence d’un stub et que ce stub est long, cette déformation peut devenir significative.

Ces stubs peuvent être supprimés en reperçant ces trous avec un foret légèrement plus grand une fois la fabrication terminée. Les trous sont back-drillés à une profondeur contrôlée, proche de la dernière couche utilisée par le via, sans toutefois l’atteindre. En tenant compte des variations de fabrication et de matériau, un bon fabricant peut effectuer un back drilling des trous en laissant un stub de 7 mils; idéalement, le stub restant sera inférieur à 10 mils.

Le via est utilisé pour connecter les deux couches internes, ce qui laisse du fût inutilisé (stubs) au-dessus et au-dessous.
Ces stubs peuvent être supprimés à l’aide d’un perçage à profondeur contrôlée.

Pour supprimer les stubs, le via de gauche est back-drillé depuis la face supérieure; le via de droite est back-drillé des deux côtés. Notez que les deux vias conservent un stub résiduel.

Le plus souvent utilisé pour les vias, ainsi que pour les connecteurs de fond de panier press-fit, le back drilling constitue une solution économique pour aider à maîtriser la qualité du signal sur les trajets de signaux haute vitesse. Il offre un coût inférieur à celui de la technique de stratification séquentielle utilisée pour les vias borgnes et enterrés.

Le back drilling est réalisé en :

• Définissant une règle de conception Maximum Via Stub Length (Back drilling) qui définit les nets concernés, ainsi que la longueur maximale de stub autorisée. Notez que cette longueur de stub n’est pas un paramètre de perçage; c’est la valeur utilisée par le logiciel pour vérifier les stubs restants lors d’un DRC par lot.
• La profondeur à laquelle le trou est back-drillé est définie en configurant une paire de perçage qui spécifie les couches de début et de fin pour les back drills. N’importe quelles couches de cuivre peuvent être définies comme couches de début et de fin pour les back drills.
• Le diamètre du foret utilisé pour le back drilling est défini par le paramètre Via/Pad hole size + 2 x Oversize dans la règle de conception applicable Maximum Via Stub Length (Back drilling).
• Connexion d’objets de routage conscients du net à un pad ou à un via afin de définir une paire de couches utilisée pour router un signal.

Ciblage des trous à back-driller

Indiquez au logiciel qu’il existe des trous à back-driller en ajoutant une règle de conception Maximum Via Stub Length (Back drilling). La portée de la règle de conception définit quels vias ou pads doivent être percés. En général, on ne back-drille que certains nets, par exemple les nets haute vitesse, auquel cas la portée pourrait être quelque chose comme InNet('Clock'), ou InNetClass('HighSpeedNets').

La portée de la règle définit à quels objets cette règle doit s’appliquer. Cette règle cible les vias de la classe de nets IO.

Par exemple, si la portée est InNetClass('IO'), alors tous les vias et pads de ces nets peuvent potentiellement être back-drillés. Les trous effectivement back-drillés dépendront des couches sur lesquelles ces signaux sont routés et des paires de back drill qui ont été définies. Si un trou n’a aucune connexion sur les couches comprises dans la plage de couches du back drill, ce trou sera back-drillé.

Pour limiter davantage l’opération de back drilling, resserrez la portée de la règle. Par exemple, si vous souhaitez uniquement back-driller les vias et non les pads traversants, vous pouvez modifier la portée de la règle en InNetClass('IO') and IsVia.

Définition des propriétés de back drill

Lorsque vous back-drillez le fût d’un trou traversant, un foret surdimensionné est utilisé pour retirer le cuivre indésirable.

    
En reperçant le trou avec un foret surdimensionné jusqu’à une profondeur spécifique, la partie inutilisée du fût du via est supprimée, ce qui améliore l’intégrité de ce trajet de signal.

Toutes les opérations de perçage de couche à couche sont définies en ajoutant une définition de perçage couche de début-couche de fin dans l’onglet Back Drills du Layer Stack Manager. L’onglet n’est pas disponible tant que la fonction Back Drill n’est pas activée dans le Layer Stack Manager ; sélectionnez Tools » Features » Back Drills pour l’activer, ou cliquez sur le bouton  et choisissez Back Drills.

Une fois la fonction activée, passez à l’onglet Back Drills et cliquez sur le bouton  pour ajouter une nouvelle définition de Back Drill.

L’étape suivante consiste à configurer les couches qui doivent être back-drillées, comme décrit ci-dessous.

Profondeur de perçage

La profondeur de back drilling est une valeur calculée, et non un nombre saisi dans une boîte de dialogue. Vous définissez les première et dernière couches, et le logiciel calcule la profondeur de perçage nécessaire pour back-driller toutes les couches entre la première et la dernière, y compris l’épaisseur de la première couche, mais pas celle de la dernière (le back drilling s’arrête à cette couche). Les champs First layer et Last layer sont définis dans le panneau Properties en mode Layer Stack Manager (avec l’onglet Back Drills sélectionné). Des back drills doivent être définis dans l’empilement de couches pour pouvoir accéder à la région Back Drill du Properties panneau, comme illustré ci-dessous.

Le trou est percé jusqu’à la dernière couche spécifiée dans le champ Last layer , sans toutefois l’atteindre. La profondeur de l’opération de perçage est définie par :

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

Les épaisseurs de couche sont les valeurs saisies dans le Layer Stack Manager.

Panneau Properties

Lorsque l’onglet Back Drills du document Layer Stack est actif, le panneau Properties est utilisé pour définir les portées de couches qui doivent être back-drillées.

• Back Drill
  • Name – le nom du back drill.
  • First layer – la première couche couverte par le back drill.
  • Last layer – la dernière couche couverte par le back drill.
  • Mirror – lorsqu’elle est activée, un miroir du back drill actuel couvrant les couches symétriques dans l’empilement est créé. Cette option n’est disponible que si l’option Stack Symmetry est activée.
• Board
  • Stack Symmetry – activez cette option pour ajouter des couches par paires correspondantes, centrées autour de la couche diélectrique médiane. Lorsqu’elle est activée, l’empilement de couches est immédiatement vérifié pour confirmer sa symétrie autour de la couche diélectrique centrale. Si une paire de couches équidistantes de la couche diélectrique centrale de référence n’est pas identique, la boîte de dialogue Stack is not symmetric dialog s’ouvre.

• Library Compliance – lorsqu’elle est activée, pour chaque couche sélectionnée dans la bibliothèque de matériaux, les propriétés actuelles de la couche sont vérifiées par rapport aux valeurs de cette définition de matériau dans la bibliothèque.

• Substack – ces informations concernent le sous-empilement actuellement sélectionné (couches, diélectrique, épaisseurs, etc.). Lorsque vous passez d’un sous-empilement à un autre, ces informations sont mises à jour en conséquence (pour le sous-empilement actuellement sélectionné).

• Stack Name – saisissez le nom du sous-empilement. Nommer le sous-empilement est utile lorsque la région d’empilage X/Y se voit attribuer un sous-empilement de couches.
• Is Flex – activez cette option si le sous-empilement est flexible.
• Layers – le nombre de couches conductrices.
• Dielectrics – le nombre de diélectriques.
• Conductive Thickness – il s’agit de la somme des épaisseurs de toutes les couches de signal et de plan (toutes les couches en cuivre ou conductrices).
• Dielectric Thickness – l’épaisseur de la ou des couches diélectriques.
• Total Thickness – l’épaisseur totale de la carte finie.

Taille du perçage

Le diamètre de perçage est calculé à partir de :

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

Au lieu de saisir une taille de foret spécifique pour le back drilling, définissez de combien le back drill est plus grand que la taille d’origine du trou du via ou du pad. Le surdimensionnement est spécifié comme une valeur radiale dans la règle de conception, avec toutes les exigences de tolérance pour les trous back-drillés, comme illustré ci-dessous.

La taille du foret utilisé pour le back drilling correspond à la taille d’origine du trou du via ou du pad, plus deux fois le surdimensionnement de back drill spécifié dans la règle de conception. Notez que le surdimensionnement est spécifié comme une valeur radiale.

Affichage à l’écran des trous back-drillésL’affichage des trous qui sont contre-percés comprend un anneau bicolore supplémentaire présentant les propriétés suivantes :

• Le cercle intérieur correspond à la taille d’origine du trou de via (marron) ou de pastille (vert/bleu).
• L’anneau bicolore indique la couleur de la première couche et celle de la dernière couche du contre-perçage.
• La largeur de l’arc coloré correspond à la valeur BackDrill OverSize définie dans la règle de conception. Le diamètre extérieur du cercle défini par les deux arcs colorés est la taille réelle du trou de contre-perçage, qui sera indiquée comme taille de perçage dans le mode Hole Size Editor du panneau PCB. 
• L’affichage de l’anneau coloré dépend de la couche actuellement active dans l’éditeur PCB. Par exemple, la première image ci-dessous montre la couche supérieure active et la seconde image la couche inférieure active. Si la couche active n’est pas contre-percée (par exemple, si la couche active était Mid Layer 2 ou Mid Layer 3 dans le via illustré ci-dessous), alors le contre-perçage ne serait pas affiché du tout. Vous verriez simplement le trou du via en marron entouré de la zone de pastille multicouche.

  
Le même via affiché à gauche avec la couche supérieure active, au centre avec la couche inférieure active, et à droite en mode 3D.

Vérification du contre-perçage dans le Hole Size Editor

Les contre-perçages peuvent également être localisés et visualisés via le mode Hole Size Editor défini dans le panneau PCB.

Dans l’image ci-dessous, le contre-perçage de 14 mil a été sélectionné dans le panneau. L’affichage zoome sur ces trous contre-percés et les met en évidence avec les couches de début et de fin. Notez que sept vias contre-percés sont affichés dans le panneau, mais seulement cinq apparaissent dans l’espace de conception. Cela s’explique par le fait que les deuxième et troisième vias sont contre-percés à la fois depuis la face supérieure et depuis la face inférieure, et comme la couche supérieure est la couche active, ces vias sont actuellement affichés comme un contre-perçage côté supérieur.

Vérification des moignons

La règle de conception Maximum Via Stub Length (Back drilling) est utilisée à la fois pour localiser les emplacements potentiels de contre-perçage et pour vérifier les moignons restants.

Lors d’une vérification des règles de conception, tous les vias et pastilles applicables sont testés pour détecter des moignons d’une longueur supérieure à la valeur Max Stub Length configurée dans la règle de conception. Notez que toutes les pastilles et tous les vias ciblés par les règles de conception Maximum Via Stub Length (Back drilling) sont testés, et pas seulement ceux qui sont contre-percés ou ceux qui ne l’ont pas été.

La règle vérifie la longueur de tout moignon restant. Dans l’image ci-dessous, même si le via a été contre-percé (conformément aux contre-perçages définis), le moignon restant est supérieur aux 7 mil autorisés par la règle de conception applicable ; une violation de règle est donc signalée.

Une vérification des règles de conception signale tout moignon supérieur à la longueur maximale de moignon autorisée par la règle de conception.
Ce via échoue, car le moignon restant est supérieur à 7 mil.

Génération des sorties

La génération des sorties pour le contre-perçage est transparente. Si des fichiers de sortie supplémentaires de type perçage sont nécessaires, ils sont générés automatiquement.

Le contre-perçage est très similaire à l’utilisation de vias borgnes (qui nécessitent eux aussi la définition d’une paire première/dernière couche dans le Layer Stack Manager), ce qui spécifie les exigences de perçage entre cette paire. La différence est que les vias borgnes sont métallisés, tandis que les vias ou pastilles contre-percés correspondent à une opération de perçage non métallisé. Les trous non métallisés relèvent essentiellement d’un processus post-fabrication, c’est-à-dire que le perçage a lieu après la gravure, la stratification, le perçage et la métallisation traversante. 

Rapport de contre-perçage

Pour générer un rapport récapitulatif de tous les événements de contre-perçage dans la conception, cliquez avec le bouton droit dans la région Unique Holes du panneau PCB en mode Hole Size Editor puis sélectionnez Backdrill Report dans le menu contextuel.

Générez un rapport de tous les événements de contre-perçage dans le PCB actuel.

La boîte de dialogue Report Preview s’ouvre. Cliquez sur le bouton Export pour sélectionner le type de fichier, l’emplacement où vous souhaitez enregistrer le fichier, puis saisissez le nom du fichier.

Symboles de perçage, tableau de perçage et dessin de perçage

Les symboles de perçage sont attribués automatiquement et peuvent être reconfigurés dans la boîte de dialogue Drill Symbols. Les symboles sont affichés sur la couche Drill Drawing dans l’espace de conception PCB si l’option Show Drill Symbols est activée dans la boîte de dialogue Drill Symbols. Cette boîte de dialogue est accessible en cliquant avec le bouton droit dans la région Unique Holes du panneau ou sur l’onglet de couche Drill Drawing, comme illustré ci-dessous.

Configurez l’attribution des symboles de perçage et activez leur affichage dans la boîte de dialogue Drill Symbols.

Comme le contre-perçage implique de percer au même emplacement avec des forets de tailles différentes, les symboles de perçage apparaissent empilés à ces emplacements. Utilisez le sélecteur de paire de couches pour contrôler la paire de couches actuellement affichée, comme montré dans les images ci-dessous.

  
Cliquez avec le bouton gauche sur l’icône en forme de triangle pour sélectionner la paire de perçage que vous souhaitez afficher.

Un tableau de perçage placé peut être configuré pour afficher toutes les paires de couches de perçage, ou une paire de couches spécifique. L’image ci-dessous provient d’une conception avec contre-perçage depuis les faces supérieure et inférieure de la carte ; trois tableaux ont donc été placés. Notez la colonne Drill Layer Pair ; elle indique la fonction de chaque tableau.

Trois tableaux de perçage ont été placés : le premier montre les trous traversants, le deuxième les contre-perçages depuis la face supérieure, et le troisième les contre-perçages depuis la face inférieure.

NC Drill

Pour chaque paire de perçage définie, la sortie NC Drill produit un fichier de perçage unique. Notez qu’elle produit également un fichier distinct pour chaque type de forme de trou (rond, rectangulaire ou oblong).

Le fichier de rapport de perçage (<ProjectName>.DRR) comprend un récapitulatif des affectations des outils de perçage, de leurs tailles, ainsi que du rôle et du nom de chacun des différents fichiers de perçage générés.

La boîte de dialogue NC Drill Setup comprend une option Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes . Les fichiers de sortie NC Drill incluent toujours tous les événements de perçage. Si cette option est activée, les événements de perçage métallisés et non métallisés sont alors générés dans des fichiers séparés. Ils sont identifiés par une chaîne supplémentaire dans leur nom de fichier au format <DesignName>-Plated, ou <DesignName>-NonPlated.

Les événements de contre-perçage sont toujours générés dans leurs propres fichiers, chacun étant identifié par une extension de fichier unique. Par exemple, ils pourraient être nommés <DesignName>-BackDrill.TX3 pour les événements de contre-perçage côté supérieur et <DesignName>-BackDrill.TX4 pour les événements de contre-perçage côté inférieur.

Le rapport de perçage récapitule l’affectation des perçages aux outils, le nombre de chaque taille et les fichiers de perçage dans lesquels ils sont détaillés.

Gerber X2

Au lieu d’être simplement une norme de sortie des données de fabrication pour un ensemble de couches PCB (ce qui nécessite l’ajout de fichiers NC Drill pour la fabrication de la carte nue), Gerber X2 produit toutes les données nécessaires pour intégrer la conception dans le processus CAM du fabricant. Gerber X2 se configure dans la boîte de dialogue Gerber X2 Setup.

Cela comprend :

• Fonction du fichier Gerber : couche cuivre supérieure, masque de soudure supérieur, etc.
• Pièce : PCB unique, panneau, etc.
• Fonction de l’objet : pastille CMS, pastille de via, etc.
• Tolérances de perçage
• Emplacements des pistes à impédance contrôlée
• Vias remplis

S’il y a des trous contre-percés dans la conception, la sortie Gerber X2 inclura automatiquement des fichiers de perçage supplémentaires avec un nom de fichier tel que :

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

Ces fichiers de contre-perçage incluent des instructions au format Gerber X2, telles que :

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

Cette ligne indique au logiciel CAM de traiter le contenu de ce fichier comme des événements de perçage borgne non métallisé, entre les couches de signal 1 et 3.

Les tailles de perçage sont définies à l’aide d’ouvertures, dont la définition est précédée d’une instruction les déclarant comme tailles de perçage.

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

Pour la sortie ODB++, un dossier de perçage supplémentaire sera créé pour chaque paire de couches de contre-perçage définie. Ces dossiers porteront des noms tels que \drill1, \drill2. Ces dossiers incluent les fichiers de perçage ODB standard.

IPC-2581

La prise en charge d’IPC-2581 sera ajoutée dans une future mise à jour.

Draftsman

Draftsman est un outil idéal pour créer une documentation de haute qualité pour votre conception. Si des paires de couches de type contre-perçage sont définies dans la conception, la légende de l’empilement des couches les affichera, ce qui permet d’en constater rapidement la présence.

Placez une légende d’empilement des couches pour afficher les paires de couches utilisées pour le contre-perçage, ainsi que les tableaux de perçage pour chaque ensemble de perçage par paire de couches.

Vous pouvez également configurer le tableau de perçage pour afficher chaque paire de couches de contre-perçage, ce qui permet d’identifier rapidement les tailles de perçage et le nombre de trous requis pour le contre-perçage.