Controlled Depth Drilling (Back Drilling)

La foratura a profondità controllata (CDD), nota anche come back drilling, è una tecnica utilizzata per rimuovere la porzione inutilizzata, o stub, del barrel in rame da un foro passante in un circuito stampato. Quando un segnale ad alta velocità viaggia tra gli strati del PCB attraverso un barrel in rame, può subire distorsioni. Se l’utilizzo degli strati di segnale comporta la presenza di uno stub e lo stub è lungo, tale distorsione può diventare significativa.

Questi stub possono essere rimossi riforando tali fori con una punta leggermente più grande dopo il completamento della fabbricazione. I fori vengono back-drilled fino a una profondità controllata vicina, ma senza toccare, l’ultimo layer utilizzato dal via. Tenendo conto delle variazioni di fabbricazione e dei materiali, un buon produttore può eseguire il back drilling dei fori lasciando uno stub di 7 mil; idealmente, lo stub residuo sarà inferiore a 10 mil.

Il via viene utilizzato per collegare i due layer interni, con conseguente barrel inutilizzato (stub) sopra e sotto.
Questi stub possono essere rimossi mediante foratura a profondità controllata.

Per rimuovere gli stub, il via a sinistra viene back-drilled dal lato superiore; il via a destra viene back-drilled da entrambi i lati. Si noti che entrambi i via presentano ancora un certo stub residuo.

Utilizzato più comunemente per i via, e anche per i connettori backplane press-fit, il back drilling fornisce una soluzione economicamente vantaggiosa per contribuire alla gestione della qualità del segnale nei percorsi di segnale ad alta velocità. Offre un costo inferiore rispetto alla tecnica di laminazione sequenziale utilizzata per i via ciechi e interrati.

Il back drilling si ottiene mediante:

• La definizione di una regola di progettazione Maximum Via Stub Length (Back drilling), che definisce le net di interesse e anche la lunghezza massima consentita dello stub. Si noti che questa lunghezza dello stub non è un’impostazione di foratura; è il valore che il software utilizza per verificare gli stub residui durante un DRC batch.
• La profondità alla quale il foro viene back-drilled è definita configurando una coppia di foratura che specifica i layer di inizio e fine per i back drill. Qualsiasi layer di rame può essere definito come layer di inizio e fine per i back drill.
• Il diametro della punta utilizzata per il back drilling è definito dall’impostazione Via/Pad hole size + 2 x Oversize nell’applicabile regola di progettazione Maximum Via Stub Length (Back drilling).
• Collegando oggetti di routing consapevoli della net a un pad o a un via per definire una coppia di layer utilizzati per instradare un segnale.

Individuazione dei fori da sottoporre a back drilling

Istruire il software che ci sono fori da sottoporre a back drilling aggiungendo una regola di progettazione Maximum Via Stub Length (Back drilling). L’ambito della regola di progettazione definisce quali via o pad devono essere forati. In genere si esegue il back drilling solo su net selettive, come le net ad alta velocità, nel qual caso l’ambito potrebbe essere qualcosa come InNet('Clock'), oppure InNetClass('HighSpeedNets').

L’ambito della regola definisce a quali oggetti questa regola deve essere applicata. Questa regola si applica ai via nella classe di net IO.

Ad esempio, se l’ambito è InNetClass('IO'), allora tutti i via e i pad in quelle net possono potenzialmente essere sottoposti a back drilling. I fori che vengono effettivamente back-drilled dipenderanno dai layer su cui tali segnali sono instradati e da quali coppie di back drill sono state definite. Se un foro non ha connessioni sui layer all’interno dell’intervallo di layer del back drill, quel foro verrà back-drilled.

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

Definizione delle proprietà del back drill

Quando si esegue il back drilling di un barrel passante, viene utilizzata una punta sovradimensionata per rimuovere il rame indesiderato.

    
Riforando il foro con una punta sovradimensionata fino a una profondità specifica, la porzione inutilizzata del barrel del via viene rimossa, migliorando l’integrità di questo percorso di segnale.

Tutte le azioni di foratura da layer a layer sono definite aggiungendo una definizione di foratura layer iniziale-layer finale nella scheda Back Drills del Layer Stack Manager. La scheda non è disponibile finché la funzione Back Drill non viene abilitata nel Layer Stack Manager; selezionare Tools » Features » Back Drills per abilitarla, oppure fare clic sul pulsante  e scegliere Back Drills.

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

Il passaggio successivo consiste nel configurare i layer che devono essere sottoposti 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 layer e il software calcola la profondità di foratura necessaria per eseguire il back drilling attraverso tutti i layer compresi tra il primo e l’ultimo, incluso lo spessore del primo layer ma non quello dell’ultimo layer (il back drilling si arresta a quel layer). I campi First layer e Last layer sono definiti nel Properties panel in modalità Layer Stack Manager (con la scheda Back Drills selezionata). Devono essere definiti dei back drill nello stackup dei layer per poter accedere alla sezione Back Drill del pannello Properties , come mostrato di seguito.

Il foro viene forato fino a raggiungere, ma senza toccare, l’ultimo layer specificato nel campo Last layer . La profondità dell’azione di foratura è definita da:

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

Gli spessori dei layer sono i valori inseriti nel Layer Stack Manager.

Pannello Properties

Quando la scheda Back Drills del documento Layer Stack è attiva, il pannello Properties viene utilizzato per definire gli intervalli di layer che devono essere sottoposti a back drilling.

• Back Drill
  • Name – il nome del back drill.
  • First layer – il primo layer coperto dal back drill.
  • Last layer – l’ultimo layer coperto dal back drill.
  • Mirror – quando abilitato, viene creato un mirror del back drill corrente che copre i layer simmetrici nello stackup dei layer. Questa opzione è disponibile solo se l’opzione Stack Symmetry è abilitata.
• Board
  • Stack Symmetry – abilitare per aggiungere layer in coppie corrispondenti, centrate attorno al layer dielettrico centrale. Quando abilitata, la simmetria dello stackup dei layer attorno al layer dielettrico centrale viene verificata immediatamente. Se una qualsiasi coppia di layer equidistanti dal layer dielettrico centrale di riferimento non è identica, si apre la finestra di dialogo Stack is not symmetric dialog.

• Library Compliance – quando abilitato, per ogni layer selezionato dalla Material Library, le proprietà correnti del layer vengono confrontate con i valori della definizione di quel materiale nella libreria.

• Substack – queste informazioni si riferiscono al substack attualmente selezionato (layer, dielettrico, spessori, ecc.). Quando si passa da un substack a un altro, queste informazioni si aggiornano di conseguenza (per il substack attualmente selezionato).

• Stack Name – inserire il nome del substack. Assegnare un nome al substack è utile quando alla regione di stackup X/Y viene assegnato un layer substack.
• Is Flex – abilitare se il substack è flex.
• Layers – il numero di layer conduttivi.
• Dielectrics – il numero di dielettrici.
• Conductive Thickness – questa è la somma degli spessori di tutti i layer di segnale e di piano (tutti i layer in rame o conduttivi).
• Dielectric Thickness – lo spessore del/dei layer dielettrico/i.
• Total Thickness – lo spessore totale della scheda finita.

Dimensione della foratura

Il diametro della punta è calcolato da:

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

Invece di inserire una dimensione specifica della punta per il back drilling, definire di quanto il back drill è più grande rispetto alla dimensione originale del foro del via o del pad. Il sovradimensionamento è specificato come valore radiale nella regola di progettazione, insieme a eventuali requisiti di tolleranza per i fori back-drilled, come mostrato di seguito.

La dimensione della punta utilizzata per il back drilling è la dimensione originale del foro del via o del pad, più il doppio del Backdrill Oversize specificato nella regola di progettazione. Si noti che l’Oversize è specificato come valore radiale.

Visualizzazione a schermo dei fori back-drilled

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

• Il cerchio interno corrisponde alla dimensione originale del foro della via (marrone) o del pad (verde/blu).
• L’anello bicolore indica il colore del primo layer e dell’ultimo layer del back drill.
• La larghezza dell’arco colorato è il valore di BackDrill OverSize definito nella regola di progettazione. Il diametro esterno del cerchio definito dai due archi colorati è la dimensione reale del foro di back drill, che verrà elencata come dimensione di foratura nella modalità Hole Size Editor del pannello PCB. 
• La visualizzazione dell’anello colorato dipende dal layer attualmente attivo nell’editor PCB. Ad esempio, la prima immagine qui sotto mostra il top layer attivo e la seconda immagine il bottom layer attivo. Se il layer attivo non è sottoposto a back drilling (ad esempio, se il layer attivo fosse Mid Layer 2 o Mid Layer 3 nella via mostrata sotto), il back drill non verrebbe visualizzato affatto. Si vedrebbe semplicemente il foro della via in marrone circondato dall’area di rame multilayer.

  
La stessa via mostrata a sinistra con il top layer attivo, nell’immagine centrale con il bottom layer attivo e in modalità 3D a destra.

Verifica del back drilling nell’Hole Size Editor

I back drill possono anche essere individuati e visualizzati tramite la modalità Hole Size Editor impostata nel pannello PCB.

Nell’immagine seguente, il back drill da 14 mil è stato selezionato nel pannello. La visualizzazione esegue lo zoom su quei fori sottoposti a back drilling, evidenziandoli con i layer di inizio e fine. Si noti che nel pannello sono mostrate sette vias sottoposte a back drilling, ma nello spazio di progettazione ne vengono mostrate solo cinque. Questo perché la seconda e la terza via sono sottoposte a back drilling sia dal lato superiore sia dal lato inferiore e, poiché il top layer è il layer attivo, tali vias sono attualmente mostrate come back drill dal lato superiore.

Verifica degli stub

La regola di progettazione Maximum Via Stub Length (Back drilling) viene utilizzata sia per individuare potenziali punti di back drill, sia per verificare la presenza di stub residui.

Durante un controllo delle regole di progettazione, tutte le vias e i pad applicabili vengono verificati per individuare stub con una lunghezza superiore al valore Max Stub Length configurato nella regola di progettazione. Si noti che vengono verificati tutti i pad e le vias interessati dalle regole di progettazione Maximum Via Stub Length (Back drilling), non solo quelli sottoposti a back drilling o quelli che non lo sono stati.

La regola controlla la lunghezza di qualsiasi stub residuo. Nell’immagine seguente, anche se la via è stata sottoposta a back drilling (in conformità ai back drill definiti), lo stub residuo è maggiore dei 7 mil consentiti dalla regola di progettazione applicabile, quindi viene segnalata una violazione della regola.

Un controllo delle regole di progettazione segnala qualsiasi stub che superi la lunghezza massima dello stub consentita dalla regola di progettazione.
Questa via non supera il controllo, poiché lo stub residuo è maggiore di 7 mil.

Generazione degli output

La generazione dell’output per il back drilling è trasparente. Se sono necessari file di output aggiuntivi di tipo drill, questi vengono generati automaticamente.

Il back drilling è molto simile all’uso delle blind vias (che richiedono anch’esse la definizione di una coppia primo/ultimo layer nel Layer Stack Manager), che specifica i requisiti di foratura tra questa coppia. La differenza è che le blind vias sono metallizzate, mentre le vias o i pad sottoposti a back drilling costituiscono un evento di foratura non metallizzata. I fori non metallizzati sono essenzialmente un processo post-fabbricazione, cioè la foratura avviene dopo incisione, laminazione, foratura e metallizzazione dei fori passanti. 

Report di back drill

Per generare un report riepilogativo di tutti gli eventi di back drill nel progetto, fare clic con il pulsante destro del mouse nell’area Unique Holes del pannello PCB in modalità Hole Size Editor e quindi selezionare Backdrill Report dal menu contestuale.

Genera un report di tutti gli eventi di back drill nel PCB corrente.

Si aprirà la finestra di dialogo Report Preview. Fare clic sul pulsante Export per selezionare il tipo di file, il percorso in cui si desidera salvare il file, quindi immettere 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 nello spazio di progettazione PCB se l’opzione Show Drill Symbols è abilitata nella finestra di dialogo Drill Symbols. È possibile 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.

Configurare l’assegnazione dei simboli di foratura e abilitarne la visualizzazione nella finestra di dialogo Drill Symbols.

Poiché il back drilling comporta la foratura nella stessa posizione con punte di dimensioni diverse, i simboli di foratura appariranno sovrapposti in queste posizioni. Utilizzare il selettore delle coppie di layer per controllare quale coppia di layer è attualmente visualizzata, come mostrato nelle immagini seguenti.

  
Fare clic con il pulsante sinistro sull’icona a triangolo per selezionare quale coppia di foratura si desidera visualizzare.

Una tabella di foratura inserita può essere configurata per mostrare tutte le coppie di layer di foratura oppure una coppia di layer specifica. L’immagine seguente proviene da un progetto con back drilling sia dal lato superiore sia dal lato inferiore della scheda, quindi sono state inserite tre tabelle. Si noti la colonna Drill Layer Pair; indica la funzione di ciascuna tabella.

Sono state inserite tre tabelle di foratura: la prima mostra i fori passanti, la seconda i back drill dal lato superiore e la terza i back drill dal lato inferiore.

NC Drill

Per ogni coppia di foratura definita, l’output NC drill produrrà un file di foratura univoco. Si noti che produce anche un file separato per ciascun tipo di forma del foro (rotondo, rettangolare o asolato).

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

La finestra di dialogo NC Drill Setup include un’opzione Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes . I file di output NC drill includono sempre tutti gli eventi di foratura. Se questa opzione è abilitata, gli eventi di foratura metallizzati e non metallizzati vengono invece esportati in file separati. Sono identificati da una stringa aggiuntiva nel nome file nel formato <DesignName>-Plated, oppure <DesignName>-NonPlated.

Gli eventi di back drill vengono sempre esportati in file dedicati, ciascuno identificato da un’estensione file univoca. Ad esempio, potrebbero essere denominati <DesignName>-BackDrill.TX3 per gli eventi di back drill dal lato superiore e <DesignName>-BackDrill.TX4 per gli eventi di back drill dal lato inferiore.

Il report di foratura riepiloga l’assegnazione delle forature agli utensili, il numero di ciascuna dimensione e i file di foratura in cui sono dettagliate.

Gerber X2

Piuttosto che essere solo uno standard per l’output dei dati di fabbricazione per un insieme di layer PCB (che richiede l’aggiunta di file NC drill per la fabbricazione della scheda nuda), Gerber X2 esporta tutti i dati necessari per immettere il progetto nel processo CAM del fabbricante. Gerber X2 viene configurato nella finestra di dialogo Gerber X2 Setup.

Questo include:

• Funzione del file Gerber: layer rame superiore, solder mask superiore, ecc.
• Parte: PCB singolo, pannello, ecc.
• Funzione dell’oggetto: pad SMD, pad via, ecc.
• Tolleranze di foratura
• Posizioni delle tracce a impedenza controllata
• Vias riempite

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

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

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

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

Questa riga istruisce il software CAM a trattare il contenuto di questo file come eventi di foratura cieca non metallizzata, tra i layer di segnale 1 e 3.

Le dimensioni di foratura sono definite mediante 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 drill definita. Queste avranno nomi come \drill1, \drill2. Queste cartelle includono 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 progetto. Se nel progetto sono definite coppie di layer di tipo back drill, la legenda del layer stack le visualizzerà, rendendo semplice verificarne rapidamente la presenza.

Inserire una legenda del layer stack per visualizzare le coppie di layer utilizzate per il back drilling e le tabelle di foratura per ciascun set di coppie di layer di foratura.

È inoltre possibile configurare la tabella di foratura in modo da mostrare ciascuna coppia di layer di back drill, rendendo semplice identificare rapidamente le dimensioni di foratura e il numero di fori richiesti per il back drilling.