Foratura a profondità controllata (Back Drilling)

La foratura a profondità controllata (Controlled Depth Drilling, CDD), nota anche come back drilling, è una tecnica utilizzata per rimuovere la porzione inutilizzata, o stub, del cilindro di rame di un foro passante in un circuito stampato. Quando un segnale ad alta velocità passa da uno strato all'altro del PCB attraverso un cilindro di rame, può subire distorsioni. Se gli strati utilizzati dal segnale lasciano uno stub e questo è lungo, la distorsione può diventare significativa.

Questi stub possono essere rimossi forando nuovamente i fori con una punta leggermente più grande al termine della fabbricazione. Il back drilling viene eseguito fino a una profondità controllata, vicina all'ultimo strato utilizzato dal via, ma senza toccarlo. Tenendo conto delle variazioni di fabbricazione e dei materiali, un buon produttore può eseguire il back drilling lasciando uno stub di 7 mil; idealmente, lo stub residuo dovrebbe essere inferiore a 10 mil.

Il via viene utilizzato per collegare i due strati interni, lasciando porzioni inutilizzate del cilindro di rame (stub) al di sopra e al di sotto.
Questi stub possono essere rimossi mediante foratura a profondità controllata.

Per rimuovere gli stub, il via a sinistra viene sottoposto a back drilling dal lato superiore; il via a destra viene sottoposto a back drilling da entrambi i lati. Si noti che in entrambi i via rimane una parte dello stub.

Utilizzato principalmente per i via e per i connettori press-fit dei backplane, il back drilling offre una soluzione conveniente per gestire la qualità del segnale nei percorsi ad alta velocità. Ha un costo inferiore rispetto alla tecnica di laminazione sequenziale utilizzata per i via ciechi e interrati.

Il back drilling si realizza:

• Definendo una regola di progettazione Lunghezza massima dello stub del via (back drilling) che specifichi le net interessate e la lunghezza massima consentita dello stub. Si noti che questa lunghezza dello stub non è un'impostazione di foratura; è il valore utilizzato dal software per verificare la presenza di stub residui durante un controllo DRC batch.
• La profondità del back drilling viene definita configurando una coppia di foratura che specifichi gli strati iniziale e finale del back drilling. Qualsiasi strato di rame può essere definito come strato iniziale o finale del back drilling.
• Il diametro della punta utilizzata per il back drilling è definito dall'impostazione Via/Pad hole size + 2 x Oversize nella regola di progettazione Maximum Via Stub Length (Back drilling) applicabile.
• Collegando oggetti di routing con net assegnata a un pad o a un via per definire una coppia di strati utilizzati per instradare un segnale.

Individuazione dei fori da sottoporre a back drilling

Per indicare al software che alcuni fori devono essere sottoposti a back drilling, aggiungere una regola di progettazione Lunghezza massima dello stub del via (back drilling). L'ambito della regola di progettazione definisce quali via o pad devono essere forati. In genere, il back drilling viene eseguito solo su determinate net, ad esempio quelle ad alta velocità; in questo caso, l'ambito potrebbe essere qualcosa come InNet('Clock') o InNetClass('HighSpeedNets').

L'ambito della regola definisce gli oggetti a cui deve essere applicata. Questa regola si applica ai via della classe di net IO.

Ad esempio, se l'ambito è InNetClass('IO'), tutti i via e i pad di quelle net possono potenzialmente essere sottoposti a back drilling. I fori effettivamente sottoposti a back drilling dipenderanno dagli strati su cui sono instradati i segnali e dalle coppie di back drilling definite. Se un foro non presenta connessioni sugli strati compresi nell'intervallo di back drilling, verrà sottoposto a back drilling.

Per limitare ulteriormente l'operazione di back drilling, restringere l'ambito della regola. Ad esempio, se si desidera eseguire il back drilling solo sui via e non sui pad passanti, è possibile modificare l'ambito della regola in InNetClass('IO') and IsVia.

Definizione delle proprietà del back drilling

Quando si esegue il back drilling del cilindro di rame di un foro passante, si utilizza una punta di diametro maggiore per rimuovere il rame indesiderato.

    
Forando nuovamente il foro con una punta di diametro maggiore fino a una profondità specifica, si rimuove la porzione inutilizzata del cilindro di rame del via, migliorando l'integrità del segnale lungo questo percorso.

Tutte le operazioni di foratura tra strati vengono definite aggiungendo una definizione di foratura con strato iniziale e strato finale nella scheda Back Drills del Gestore dello stack dei layer. La scheda non è disponibile finché non viene abilitata la funzionalità Back Drill nel Gestore dello stack dei layer; selezionare Tools » Features » Back Drills per abilitarla oppure fare clic sul pulsante  e scegliere Back Drills.

Una volta abilitata la funzionalità, passare alla scheda Back Drills e fare clic sul pulsante  per aggiungere una nuova definizione di back drilling.

Il passaggio successivo consiste nel configurare gli strati da sottoporre a back drilling, come descritto di seguito.

Profondità di foratura

La profondità di back drilling è un valore calcolato, non un numero da inserire in una finestra di dialogo. Si definiscono il primo e l'ultimo strato e il software calcola la profondità di foratura necessaria per attraversare tutti gli strati compresi tra il primo e l'ultimo, incluso lo spessore del primo strato ma non quello dell'ultimo (il back drilling si arresta in corrispondenza di tale strato). First layer e Last layer vengono definiti nel pannello Proprietà in modalità Gestore dello stack dei layer (con la scheda Back Drills selezionata). Per accedere alla sezione Back Drill del pannello Properties , come mostrato di seguito, devono essere presenti definizioni di back drilling nello stack dei layer.

Il foro viene eseguito fino in prossimità dell'ultimo strato specificato nel campo Last layer , senza toccarlo. La profondità dell'operazione di foratura è definita da:

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

Gli spessori degli strati sono i valori inseriti nel Gestore dello stack dei layer.

Pannello Proprietà

Quando la scheda Back Drills del documento Stack dei layer è attiva, il pannello Properties viene utilizzato per definire gli intervalli di layer da sottoporre a back drilling.

• Back Drill
  • Name – il nome del back drilling.
  • First layer – il primo layer interessato dal back drilling.
  • Last layer – l'ultimo layer interessato dal back drilling.
  • Mirror – se abilitato, viene creato un back drilling speculare a quello corrente, che interessa i layer simmetrici nello stack. Questa opzione è disponibile solo se l'opzione Stack Symmetry è abilitata.
• Board
  • Stack Symmetry – abilitare per aggiungere layer in coppie corrispondenti, centrate sul layer dielettrico centrale. Quando l'opzione è abilitata, viene immediatamente verificata la simmetria dello stack rispetto al layer dielettrico centrale. Se due layer equidistanti dal layer dielettrico centrale di riferimento non sono identici, si apre la finestra di dialogo Lo stack non è simmetrico.

• Library Compliance – se abilitato, per ciascun layer selezionato dalla Libreria dei materiali, le proprietà correnti vengono confrontate con i valori della definizione del materiale presente nella libreria.

• Substack – queste informazioni si riferiscono al sotto-stack attualmente selezionato (layer, dielettrico, spessori, ecc.). Passando da un sotto-stack all'altro, le informazioni vengono aggiornate di conseguenza.

• Stack Name – inserire il nome del sotto-stack. Assegnare un nome al sotto-stack è utile quando si associa un sotto-stack di layer a una regione X/Y dello stackup.
• Is Flex – abilitare se il sotto-stack è flessibile.
• Layers – il numero di layer conduttivi.
• Dielectrics – il numero di dielettrici.
• Conductive Thickness – la somma degli spessori di tutti i layer di segnale e dei piani (tutti i layer in rame o conduttivi).
• Dielectric Thickness – lo spessore dei layer dielettrici.
• Total Thickness – lo spessore totale della scheda finita.

Diametro di foratura

Il diametro della punta viene calcolato a partire da:

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

Anziché inserire un diametro di foratura specifico per il back drilling, definire quanto deve essere più grande il foro di back drilling rispetto al diametro originale del foro del via o del pad. La maggiorazione viene specificata nella regola di progettazione come valore radiale, insieme agli eventuali requisiti di tolleranza per i fori sottoposti a back drilling, come mostrato di seguito.

Il diametro della punta utilizzata per il back drilling è pari al diametro originale del foro del via o del pad, più il doppio della maggiorazione del back drilling specificata nella regola di progettazione. Si noti che la maggiorazione è specificata come valore radiale.

Visualizzazione a schermo dei fori sottoposti a back drilling

La visualizzazione dei fori sottoposti a back drilling include un ulteriore anello bicolore con le seguenti proprietà:

• Il cerchio interno rappresenta il diametro originale del foro del via (marrone) o del pad (verde/blu).
• L'anello bicolore indica il colore del primo e dell'ultimo layer interessati dal back drilling.
• La larghezza dell'arco colorato corrisponde al valore BackDrill OverSize definito nella regola di progettazione. Il diametro esterno del cerchio definito dai due archi colorati è il diametro effettivo del foro di back drilling, che verrà elencato come diametro di foratura nella modalità Editor delle dimensioni dei fori del pannello PCB. 
• La visualizzazione dell'anello colorato dipende dal layer attualmente attivo nell'editor PCB. Ad esempio, nella prima immagine qui sotto è attivo il layer superiore, mentre nella seconda è attivo il layer inferiore. Se il layer attivo non è interessato dal back drilling (ad esempio, se fosse il layer intermedio 2 o il layer intermedio 3 nel via mostrato di seguito), il back drilling non verrebbe visualizzato. Si vedrebbe semplicemente il foro del via in marrone, circondato dall'area di connessione multistrato.

  
Lo stesso via mostrato a sinistra con il layer superiore attivo, al centro con il layer inferiore attivo e a destra in modalità 3D.

Verifica del back drilling nell'Editor delle dimensioni dei fori

I fori di back drilling possono essere individuati e visualizzati anche tramite la modalità Editor delle dimensioni dei fori, impostabile nel pannello PCB.

Nell'immagine seguente, nel pannello è stato selezionato il foro di back drilling da 14 mil. La vista viene ingrandita sui relativi fori, evidenziandoli con i layer iniziali e finali. Si noti che nel pannello sono elencati sette via sottoposti a back drilling, ma nello spazio di progettazione ne sono visibili solo cinque. Questo perché il secondo e il terzo via sono sottoposti a back drilling sia dal lato superiore sia da quello inferiore e, poiché il layer superiore è quello attivo, per questi via viene attualmente mostrato il back drilling dal lato superiore.

Verifica degli stub

La regola di progettazione Lunghezza massima dello stub del via (back drilling) viene utilizzata sia per individuare i potenziali punti in cui eseguire il back drilling sia per verificare la presenza di stub residui.

Durante un controllo delle regole di progettazione, tutti i via e i pad interessati vengono controllati per rilevare stub di lunghezza superiore al valore Max Stub Length configurato nella regola di progettazione. Si noti che vengono controllati tutti i pad e i via a cui si applicano le regole di progettazione Maximum Via Stub Length (Back drilling), non soltanto quelli sottoposti a back drilling o quelli non sottoposti a back drilling.

La regola verifica la lunghezza di qualsiasi stub residuo. Nell'immagine seguente, sebbene il via sia stato sottoposto a back drilling (in conformità con i back drilling definiti), lo stub residuo supera i 7 mil consentiti dalla regola di progettazione applicabile, pertanto viene segnalata una violazione della regola.

Il controllo delle regole di progettazione segnala qualsiasi stub la cui lunghezza superi la lunghezza massima consentita dalla regola di progettazione.
Questo via non supera il controllo, poiché lo stub residuo è più lungo di 7 mil.

Generazione degli output

La generazione degli output per il back drilling è trasparente. Se sono necessari ulteriori file di output di foratura, questi vengono generati automaticamente.

Il back drilling è molto simile all'utilizzo di via ciechi (anche questi richiedono la definizione di una coppia di layer iniziale/finale nel Layer Stack Manager), che specifica i requisiti di foratura tra i due layer. La differenza è che i via ciechi sono metallizzati, mentre il back drilling di via o pad è un'operazione di foratura non metallizzata. I fori non metallizzati sono essenzialmente il risultato di un processo successivo alla fabbricazione: la foratura avviene cioè dopo l'incisione, la laminazione, la foratura e la metallizzazione dei fori passanti. 

Report di back drilling

Per generare un report riepilogativo di tutte le operazioni di back drilling del progetto, fai clic con il pulsante destro del mouse nell'area Unique Holes del pannello PCB in modalità Editor delle dimensioni dei fori quindi seleziona Backdrill Report dal menu contestuale.

Genera un report di tutte le operazioni di back drilling del PCB corrente.

Si aprirà la finestra di dialogo Report Preview. Fai clic sul pulsante Export per selezionare il tipo di file e la posizione in cui salvarlo, quindi inserisci il nome del file.

Simboli di foratura, tabella di foratura e disegno di foratura

I simboli di foratura vengono assegnati automaticamente e possono essere riconfigurati nella finestra di dialogo Drill Symbols. I simboli vengono visualizzati sul layer Drill Drawing nell'area di progettazione PCB se l'opzione Show Drill Symbols è abilitata nella finestra di dialogo Drill Symbols. Puoi accedere alla finestra di dialogo facendo clic con il pulsante destro del mouse nell'area Unique Holes del pannello o sulla scheda del layer Drill Drawing, come mostrato di seguito.

Configura l'assegnazione dei simboli di foratura e abilita la loro visualizzazione nella finestra di dialogo Drill Symbols.

Poiché il back drilling prevede la foratura nella stessa posizione con punte di dimensioni diverse, i simboli di foratura appariranno sovrapposti in queste posizioni. Utilizza il selettore delle coppie di layer per scegliere quale coppia visualizzare, come mostrato nelle immagini seguenti.

  
Fai clic con il pulsante sinistro del mouse sull'icona a triangolo per selezionare la coppia di layer di foratura da visualizzare.

Una tabella di foratura posizionata può essere configurata per mostrare tutte le coppie di layer di foratura oppure una coppia specifica. L'immagine seguente si riferisce a un progetto con back drilling sia dal lato superiore sia da quello inferiore della scheda, perciò sono state posizionate tre tabelle. Nota la colonna Drill Layer Pair: indica la funzione di ciascuna tabella.

Sono state posizionate tre tabelle di foratura: la prima mostra i fori passanti, la seconda le forature di back drilling dal lato superiore e la terza quelle dal lato inferiore.

Foratura NC

Per ogni coppia di layer di foratura definita, l'output di foratura NC produrrà un file di foratura dedicato. Verrà inoltre prodotto un file separato per ciascuna forma di foro (circolare, rettangolare o asolato).

Il file del report di foratura (<ProjectName>.DRR) include un riepilogo delle assegnazioni degli utensili di foratura, delle relative dimensioni e della funzione e del nome di ciascuno dei vari file di foratura generati.

La finestra di dialogo Configurazione della foratura NC include un'opzione Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes . I file di output della foratura NC includono sempre tutte le operazioni di foratura. Se questa opzione è abilitata, le operazioni di foratura metallizzate e non metallizzate vengono invece esportate in file separati. Questi sono identificati da una stringa aggiuntiva nel nome del file nel formato <DesignName>-Plated o <DesignName>-NonPlated.

Le operazioni di back drilling vengono sempre esportate in file dedicati, ciascuno identificato da un'estensione univoca. Ad esempio, questi file potrebbero essere denominati <DesignName>-BackDrill.TX3 per le operazioni di back drilling dal lato superiore e <DesignName>-BackDrill.TX4 per quelle dal lato inferiore.

Il report di foratura riepiloga l'assegnazione delle forature agli utensili, il numero di fori per ciascuna dimensione e i file di foratura in cui sono descritti in dettaglio.

Gerber X2

Anziché essere soltanto uno standard per l'esportazione dei dati di fabbricazione di un insieme di layer PCB (che richiede l'aggiunta di file di foratura NC per la fabbricazione della scheda nuda), Gerber X2 esporta tutti i dati necessari per inserire il progetto nel processo CAM del produttore. Gerber X2 viene configurato nella finestra di dialogo Configurazione Gerber X2.

Questi dati includono:

• Funzione del file Gerber: layer di rame superiore, solder mask superiore, ecc.
• Parte: PCB singolo, pannello, ecc.
• Funzione dell'oggetto: pad SMD, pad di via, ecc.
• Tolleranze di foratura
• Posizioni delle piste a impedenza controllata
• Via riempiti

Se nel progetto sono presenti fori sottoposti a back drilling, l'output Gerber X2 includerà automaticamente file di foratura aggiuntivi con un nome come:

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

Questi file di back drilling includono istruzioni in formato Gerber X2, come:

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

Questa riga indica al software CAM di trattare il contenuto del file come operazioni di foratura cieca non metallizzata tra i layer di segnale 1 e 3.

Le dimensioni di foratura sono definite tramite aperture, la cui definizione è preceduta da un'istruzione che le dichiara come dimensioni di foratura.

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

Per l'output ODB++, verrà creata una cartella di foratura aggiuntiva per ogni coppia di layer di back drilling definita. Queste cartelle avranno nomi come \drill1, \drill2 e includeranno i file di foratura ODB standard.

IPC-2581

Il supporto per IPC-2581 verrà aggiunto in un aggiornamento futuro.

Draftsman

Draftsman è uno strumento ideale per creare documentazione di alta qualità per il tuo progetto. Se nel progetto sono definite coppie di layer di tipo back drilling, la legenda dello stack dei layer le mostrerà, consentendo di rilevarne rapidamente la presenza.

Posiziona una legenda dello stack dei layer per visualizzare le coppie di layer utilizzate per il back drilling e le tabelle di foratura per gli insiemi di fori di ciascuna coppia di layer.

Puoi anche configurare la tabella di foratura in modo da mostrare ciascuna coppia di layer di back drilling, per identificare rapidamente le dimensioni e il numero di fori necessari per il back drilling.