Perçage à profondeur contrôlée (contre-perçage)

Le perçage à profondeur contrôlée (CDD), également appelé contre-perçage, est une technique utilisée pour supprimer la portion inutilisée, ou tronçon résiduel (stub), du fût en cuivre d’un trou traversant dans un circuit imprimé. Lorsqu’un signal à haute vitesse passe d’une couche du PCB à une autre par un fût en cuivre, il peut subir une distorsion. Si les couches utilisées par le signal laissent un tronçon résiduel et que celui-ci est long, cette distorsion peut devenir importante.

Ces tronçons résiduels peuvent être supprimés en reperçant les trous avec un foret légèrement plus grand une fois la fabrication terminée. Les trous sont contre-percés à une profondeur contrôlée qui s’approche de la dernière couche utilisée par le via, sans toutefois la toucher. En tenant compte des variations de fabrication et des matériaux, un bon fabricant peut contre-percer les trous en ne laissant qu’un tronçon résiduel de 7 mils ; idéalement, le tronçon restant doit être inférieur à 10 mils.

Le via sert à relier les deux couches internes, ce qui laisse des portions inutilisées du fût (tronçons résiduels) au-dessus et en dessous.
Ces tronçons résiduels peuvent être supprimés par perçage à profondeur contrôlée.

Pour supprimer les tronçons résiduels, le via de gauche est contre-percé depuis la face supérieure ; le via de droite est contre-percé depuis les deux faces. Notez qu’un tronçon résiduel subsiste sur les deux vias.

Principalement utilisé pour les vias, ainsi que pour les connecteurs de fond de panier à insertion en force, le contre-perçage offre une solution économique pour maîtriser la qualité des signaux sur les chemins à haute vitesse. Son coût est inférieur à celui de la technique de stratification séquentielle utilisée pour les vias borgnes et enterrés.

La mise en œuvre du contre-perçage nécessite les opérations suivantes :

• Définir une règle de conception Longueur maximale du tronçon résiduel de via (contre-perçage) qui précise les nets concernés ainsi que la longueur maximale autorisée du tronçon résiduel. Notez que cette longueur n’est pas un paramètre de perçage ; il s’agit de la valeur utilisée par le logiciel pour vérifier les tronçons résiduels lors d’un contrôle DRC par lot.
• La profondeur de contre-perçage du trou est définie en configurant une paire de perçage qui indique les couches de départ et d’arrêt du contre-perçage. N’importe quelle couche de cuivre peut être définie comme couche de départ ou d’arrêt.
• Le diamètre du foret utilisé pour le contre-perçage est défini par le paramètre Via/Pad hole size + 2 x Oversize dans la règle de conception Maximum Via Stub Length (Back drilling) applicable.
• Connecter des objets de routage associés à un net à une pastille ou à un via pour définir une paire de couches utilisées pour router un signal.

Cibler les trous à contre-percer

Indiquez au logiciel les trous à contre-percer en ajoutant une règle de conception Longueur maximale du tronçon résiduel de via (contre-perçage). Le périmètre d’application de cette règle définit les vias ou les pastilles à percer. En général, seuls certains nets sont contre-percés, par exemple les nets à haute vitesse ; le périmètre peut alors être défini par une expression telle que InNet('Clock') ou InNetClass('HighSpeedNets').

Le périmètre de la règle définit les objets auxquels elle doit s’appliquer. Cette règle cible les vias de la classe de nets IO.

Par exemple, si le périmètre est InNetClass('IO'), tous les vias et toutes les pastilles de ces nets peuvent potentiellement être contre-percés. Les trous effectivement contre-percés dépendent des couches sur lesquelles ces signaux sont routés et des paires de contre-perçage définies. Si un trou ne présente aucune connexion sur les couches comprises dans la plage de contre-perçage, il sera contre-percé.

Pour limiter davantage l’opération de contre-perçage, restreignez le périmètre de la règle. Par exemple, si vous souhaitez contre-percer uniquement les vias et non les pastilles traversantes, vous pouvez remplacer le périmètre de la règle par InNetClass('IO') and IsVia.

Définir les propriétés du contre-perçage

Lors du contre-perçage du fût d’un trou traversant, un foret de diamètre supérieur est utilisé pour supprimer le cuivre indésirable.

    
Le reperçage du trou avec un foret de diamètre supérieur jusqu’à une profondeur donnée supprime la portion inutilisée du fût du via, ce qui améliore l’intégrité du signal sur ce chemin.

Toutes les opérations de perçage entre couches sont définies en ajoutant une définition de perçage précisant une couche de départ et une couche d’arrêt dans l’onglet Back Drills du Gestionnaire d’empilage des couches. Cet onglet n’est disponible qu’après l’activation de la fonction de contre-perçage dans le Gestionnaire d’empilage des couches. Sélectionnez Tools » Features » Back Drills pour l’activer, ou cliquez sur le bouton  et choisissez Back Drills.

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

L’étape suivante consiste à configurer les couches à contre-percer, comme décrit ci-dessous.

Profondeur de perçage

La profondeur de contre-perçage est une valeur calculée, et non un nombre à saisir dans une boîte de dialogue. Vous définissez la première et la dernière couche, puis le logiciel calcule la profondeur nécessaire pour contre-percer toutes les couches comprises entre elles, en incluant l’épaisseur de la première couche, mais pas celle de la dernière (le contre-perçage s’arrête à cette couche). Les paramètres First layer et Last layer sont définis dans le panneau Propriétés en mode Gestionnaire d’empilage des couches (avec l’onglet Contre-perçages sélectionné). Des contre-perçages doivent être définis dans l’empilage des couches pour pouvoir accéder à la section Back Drill du panneau Properties , comme illustré ci-dessous.

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

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

Les épaisseurs des couches correspondent aux valeurs saisies dans le Gestionnaire d’empilage des couches.

Panneau Propriétés

Lorsque l’onglet Back Drills du document d’empilage des couches est actif, le panneau Properties permet de définir les plages de couches à contre-percer.

• Back Drill
  • Name – le nom du contre-perçage.
  • First layer – la première couche couverte par le contre-perçage.
  • Last layer – la dernière couche couverte par le contre-perçage.
  • Mirror – lorsque cette option est activée, un contre-perçage symétrique à celui actuellement sélectionné est créé sur les couches symétriques de l’empilage. 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 sur la couche diélectrique médiane. Lorsqu’elle est activée, la symétrie de l’empilage par rapport à la couche diélectrique centrale est immédiatement vérifiée. Si deux couches équidistantes de la couche diélectrique centrale de référence ne sont pas identiques, la boîte de dialogue L’empilage n’est pas symétrique s’ouvre.

• Library Compliance – lorsque cette option est activée, les propriétés actuelles de chaque couche dont le matériau a été sélectionné dans la bibliothèque de matériaux sont comparées aux valeurs définies pour ce matériau dans la bibliothèque.

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

• Stack Name – saisissez le nom du sous-empilage. Nommer le sous-empilage est utile lors de l’affectation d’un sous-empilage de couches à une zone d’empilage X/Y.
• Is Flex – activez cette option si le sous-empilage est flexible.
• Layers – le nombre de couches conductrices.
• Dielectrics – le nombre de couches diélectriques.
• Conductive Thickness – la somme des épaisseurs de toutes les couches de signal et de plan (toutes les couches de cuivre ou conductrices).
• Dielectric Thickness – l’épaisseur de la ou des couches diélectriques.
• Total Thickness – l’épaisseur totale du circuit imprimé fini.

Diamètre de perçage

Le diamètre de perçage est calculé à partir des éléments suivants :

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

Plutôt que de saisir un diamètre de perçage spécifique pour le contre-perçage, définissez de combien son diamètre doit dépasser celui du trou d’origine du via ou de la pastille. Ce surdimensionnement est spécifié sous forme de valeur radiale dans la règle de conception, avec les exigences de tolérance applicables aux trous contre-percés, comme illustré ci-dessous.

Le diamètre du foret utilisé pour le contre-perçage correspond au diamètre du trou d’origine du via ou de la pastille, augmenté de deux fois le surdimensionnement du contre-perçage défini dans la règle de conception. Notez que ce surdimensionnement est spécifié sous forme de valeur radiale.

Affichage à l’écran des trous contre-percés

L’affichage des trous contre-percés comprend un anneau bicolore supplémentaire présentant les caractéristiques suivantes :

• Le cercle intérieur correspond au diamètre du trou d’origine du via (marron) ou de la pastille (vert/bleu).
• L’anneau bicolore représente les couleurs de la première et 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 correspond au diamètre réel du trou de contre-perçage, qui figurera parmi les diamètres de perçage dans le mode Éditeur des diamètres de trous du panneau PCB. 
• L’affichage de l’anneau coloré dépend de la couche actuellement active dans l’éditeur de PCB. Par exemple, dans la première image ci-dessous, la couche supérieure est active, tandis que dans la seconde, la couche inférieure est 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), 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 est représenté à gauche avec la couche supérieure active, au centre avec la couche inférieure active et à droite en mode 3D.

Vérification des contre-perçages dans l’éditeur des diamètres de trous

Les contre-perçages peuvent également être localisés et visualisés en sélectionnant le mode Éditeur des diamètres de trous dans le panneau PCB.

Dans l’image ci-dessous, le contre-perçage de 14 mils a été sélectionné dans le panneau. L’affichage effectue un zoom sur les trous contre-percés correspondants et les met en surbrillance avec leurs couches de début et de fin. Notez que sept vias contre-percés figurent dans le panneau, mais que seuls cinq sont visibles dans l’espace de conception. En effet, les deuxième et troisième vias sont contre-percés à la fois depuis la face supérieure et depuis la face inférieure. Comme la couche supérieure est active, ces vias sont actuellement représentés avec un contre-perçage depuis la face supérieure.

Vérification des tronçons résiduels

La règle de conception Longueur maximale du tronçon résiduel de via (contre-perçage) permet à la fois de repérer les emplacements potentiels de contre-perçage et de vérifier les tronçons résiduels restants.

Lors d’une vérification des règles de conception, tous les vias et toutes les pastilles concernés sont contrôlés afin de détecter les tronçons résiduels dont la longueur dépasse 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 contrôlés, qu’ils soient contre-percés ou non.

La règle vérifie la longueur de tout tronçon résiduel restant. Dans l’image ci-dessous, bien que le via ait été contre-percé conformément aux contre-perçages définis, le tronçon résiduel dépasse les 7 mils autorisés par la règle de conception applicable. Une violation de règle est donc signalée.

Une vérification des règles de conception signale tout tronçon résiduel dont la longueur dépasse la longueur maximale autorisée par la règle de conception.
Ce via n’est pas conforme, car son tronçon résiduel dépasse 7 mils.

Génération des fichiers de sortie

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

Le contre-perçage est très similaire à l’utilisation de vias borgnes (qui nécessitent également de définir une paire de couches initiale/finale dans le gestionnaire d’empilage des couches), laquelle spécifie les exigences de perçage entre ces deux couches. La différence est que les vias borgnes sont métallisés, tandis que le contre-perçage des vias ou des pastilles est une opération de perçage non métallisé. Les trous non métallisés sont essentiellement réalisés lors d’un processus de post-fabrication : le perçage intervient après la gravure, la stratification, le perçage et la métallisation des trous traversants. 

Rapport de contre-perçage

Pour générer un rapport récapitulatif de toutes les opérations de contre-perçage de la conception, faites un clic droit dans la zone Unique Holes du panneau PCB en mode Éditeur de tailles de trous, puis sélectionnez Backdrill Report dans le menu contextuel.

Générez un rapport de toutes les opérations de contre-perçage du PCB actuel.

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

Symboles de perçage, table de perçage et plan 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 de plan de perçage dans l’espace de conception du PCB si l’option Show Drill Symbols est activée dans la boîte de dialogue Drill Symbols. Vous pouvez accéder à cette boîte de dialogue en faisant un clic droit dans la zone 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 endroit avec des forets de diamètres différents, les symboles de perçage apparaissent superposés à ces emplacements. Utilisez le sélecteur de paires de couches pour choisir la paire de couches affichée, comme illustré dans les images ci-dessous.

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

Une table de perçage placée peut être configurée pour afficher toutes les paires de couches de perçage ou une paire de couches spécifique. L’image ci-dessous provient d’une conception comportant des contre-perçages depuis les faces supérieure et inférieure de la carte ; trois tables ont donc été placées. Notez la colonne Drill Layer Pair ; elle indique la fonction de chaque table.

Trois tables de perçage ont été placées : la première affiche les trous traversants, la deuxième les contre-perçages depuis la face supérieure et la troisième les contre-perçages depuis la face inférieure.

Perçage à commande numérique

Pour chaque paire de couches de perçage définie, la sortie de perçage à commande numérique génère un fichier de perçage distinct. Notez qu’elle génère également un fichier distinct pour chaque forme de trou (rond, rectangulaire ou oblong).

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

La boîte de dialogue Configuration du perçage à commande numérique comprend une option Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes . Les fichiers de sortie de perçage à commande numérique incluent toujours toutes les opérations de perçage. Si cette option est activée, les opérations de perçage métallisé et non métallisé sont exportées dans des fichiers distincts. Ces fichiers sont identifiés par une chaîne supplémentaire dans leur nom, au format <DesignName>-Plated ou <DesignName>-NonPlated.

Les opérations de contre-perçage sont toujours exportées dans leurs propres fichiers, chacun étant identifié par une extension de fichier unique. Par exemple, ces fichiers peuvent être nommés <DesignName>-BackDrill.TX3 pour les opérations de contre-perçage depuis la face supérieure et <DesignName>-BackDrill.TX4 pour celles depuis la face inférieure.

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

Gerber X2

Plutôt que d’être simplement une norme d’exportation des données de fabrication d’un ensemble de couches de PCB (qui nécessite l’ajout de fichiers de perçage à commande numérique pour la fabrication de la carte nue), Gerber X2 exporte toutes les données nécessaires pour intégrer la conception au processus de FAO du fabricant. Gerber X2 se configure dans la boîte de dialogue Configuration Gerber X2.

Ces données comprennent :

• La fonction du fichier Gerber : couche de cuivre supérieure, masque de soudure supérieur, etc.
• Le type de pièce : PCB unique, panneau, etc.
• La fonction de l’objet : pastille CMS, pastille de via, etc.
• Les tolérances de perçage
• Les emplacements des pistes à impédance contrôlée
• Les vias remplis

Si la conception comporte des trous contre-percés, la sortie Gerber X2 inclut automatiquement des fichiers de perçage supplémentaires dont le nom se présente, par exemple, comme suit :

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

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

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

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

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

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

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

IPC-2581

La prise en charge d’IPC-2581 sera ajoutée dans une prochaine 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 d’empilage des couches les affiche, ce qui permet de repérer rapidement leur présence.

Placez une légende d’empilage des couches pour afficher les paires de couches utilisées pour le contre-perçage, ainsi que des tables de perçage pour les ensembles de perçages de chaque paire de couches.

Vous pouvez également configurer la table de perçage pour afficher chaque paire de couches de contre-perçage, ce qui permet d’identifier rapidement les diamètres de perçage et le nombre de trous nécessaires au contre-perçage.