制御深さドリリング（バックドリル加工）

深さ制御穴あけ（Controlled Depth Drilling：CDD）は、バックドリルとも呼ばれ、プリント基板のスルーホールにある銅バレルの未使用部分（スタブ）を除去する技術です。高速信号が銅バレルを通ってPCBの層間を伝わると、信号に歪みが生じることがあります。信号層の使用状況によってスタブが残り、 そのスタブが長い場合、歪みが大きくなる可能性があります。

これらのスタブは、基板製造後に少し大きい径のドリルで穴を再加工することで除去できます。ビアが使用する最後の層に近づきつつも接触しないように、 深さを制御してバックドリル加工を行います。製造や材料のばらつきを考慮しても、優れた基板メーカーであれば、残るスタブを7milに抑えるバックドリル加工が可能です。 理想的には、残存スタブの長さは10mil未満にします。

ビアは2つの内層間の接続に使用されているため、その上下に未使用のバレル（スタブ）が残っています。
これらのスタブは、深さ制御穴あけによって除去できます。

スタブを除去するため、左のビアは上面から、 右のビアは両面からバックドリル加工されています。どちらのビアにもスタブが一部残っている点に注意してください。

バックドリルは主にビアに使用され、プレスフィット式バックプレーンコネクタにも使用されます。高速信号経路の信号品質を管理するうえで、コスト効率の高いソリューションとなります。ブラインドビアやベリードビアに使用される逐次積層技術よりも低コストです。

バックドリル加工は、次の設定によって実現します。

• 対象ネットと許容される最大スタブ長を指定する、Maximum Via Stub Length (Back drilling)設計ルールを定義します。このスタブ長はドリルの設定値ではなく、 バッチDRCで残存スタブをチェックする際にソフトウェアが使用する値であることに注意してください。
• バックドリル加工の深さは、バックドリルの開始層と終了層を指定するドリルペアを設定することで定義します。 どの銅箔層でも、バックドリルの開始層および終了層として指定できます。
• バックドリルに使用するドリル径は、該当するMaximum Via Stub Length (Back drilling)設計ルールのVia/Pad hole size + 2 x Oversize設定で定義します。
• ネット情報を持つ配線オブジェクトをパッドまたはビアに接続し、信号の配線に使用する層のペアを定義します。

バックドリル加工する穴の指定

Maximum Via Stub Length (Back drilling)設計ルールを追加して、バックドリル加工する穴があることをソフトウェアに指示します。設計ルールの適用範囲によって、加工対象のビアまたはパッドが決まります。通常、バックドリル加工は高速ネットなどの特定のネットに対してのみ行います。その場合、適用範囲はInNet('Clock')やInNetClass('HighSpeedNets')のように指定できます。

ルールの適用範囲は、そのルールを適用するオブジェクトを定義します。このルールは、IOネットクラス内のビアを対象としています。

たとえば、適用範囲がInNetClass('IO')の場合、それらのネットに含まれるすべてのビアとパッドがバックドリル加工の候補になります。実際にバックドリル加工される穴は、信号が配線されている層と、定義されているバックドリルペアによって決まります。バックドリルの層範囲内にある層に接続がない穴は、バックドリル加工されます。

バックドリル加工の対象をさらに限定するには、ルールの適用範囲を絞り込みます。たとえば、 スルーホールパッドは対象とせず、ビアだけをバックドリル加工したい場合は、ルールの適用範囲をInNetClass('IO') and IsViaに変更できます。

バックドリルのプロパティの定義

スルーホールのバレルをバックドリル加工する際は、元の穴より大きい径のドリルビットを使用して不要な銅を除去します。

    
大きい径のドリルビットで指定の深さまで穴を再加工することで、ビアバレルの未使用部分が除去され、この信号経路のシグナルインテグリティが向上します。

層間の穴あけ加工はすべて、レイヤースタックマネージャーのBack Drillsタブで、開始層と終了層を指定するドリル定義を追加して定義します。このタブは、レイヤースタックマネージャーでバックドリル機能を有効にするまで表示されません。有効にするには、Tools » Features » Back Drillsを選択するか、  ボタンをクリックしてBack Drillsを選択します。

機能を有効にしたら、Back Drillsタブに切り替え、  ボタンをクリックして新しいバックドリル定義を追加します。

次に、以下の説明に従って、バックドリル加工する層を設定します。

穴あけ深さ

バックドリルの深さは計算によって求められる値であり、ダイアログに数値を入力するものではありません。最初の層と最後の層を指定すると、ソフトウェアが、その間にあるすべての層をバックドリル加工するために必要な深さを計算します。この深さには最初の層の厚さが含まれますが、最後の層の厚さは含まれません（バックドリル加工はその層の手前で停止します）。First layerとLast layerは、 レイヤースタックマネージャーモードのPropertiesパネルで定義します（Back Drillsタブを選択した状態）。下図のようにProperties パネルのBack Drill領域にアクセスするには、レイヤースタック内にバックドリルが定義されている必要があります。

穴は、Last layer フィールドで指定した最後の層に接触しない位置まで加工されます。穴あけ加工の深さは、次のように定義されます。

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

層の厚さには、レイヤースタックマネージャーに入力した値が使用されます。

Propertiesパネル

Layer Stackドキュメントの Back Drills タブがアクティブな場合、 Properties パネルを使用して、バックドリル加工が必要な層範囲を定義します。

• Back Drill
  • Name – バックドリルの名前。
  • First layer – バックドリルが及ぶ最初の層。
  • Last layer – バックドリルが及ぶ最後の層。
  • Mirror – 有効にすると、現在のバックドリルに対し、レイヤースタック内の対称な層に及ぶミラーのバックドリルが作成されます。このオプションは、Stack Symmetryオプションが有効な場合にのみ使用できます。
• Board
  • Stack Symmetry – 有効にすると、中央の誘電体層を中心に、対応する層をペアで追加します。有効にした時点で、中央の誘電体層に対するレイヤースタックの対称性がチェックされます。基準となる中央の誘電体層から等距離にある層のペアが同一でない場合は、Stack is not symmetricダイアログが開きます。

• Library Compliance – 有効にすると、Material Libraryから選択された各層について、現在の層プロパティがライブラリ内の材料定義の値と照合されます。

• Substack – 現在選択されているサブスタックの情報（層、誘電体、厚さなど）です。別のサブスタックに切り替えると、その時点で選択されているサブスタックに応じて情報が更新されます。

• Stack Name – サブスタック名を入力します。サブスタックに名前を付けておくと、X/Yスタックアップ領域にレイヤーサブスタックを割り当てる際に便利です。
• Is Flex – サブスタックがフレックスの場合に有効にします。
• Layers – 導電層の数。
• Dielectrics – 誘電体層の数。
• Conductive Thickness – すべての信号層とプレーン層（すべての銅層または導電層）の厚さの合計。
• Dielectric Thickness – 誘電体層の厚さ。
• Total Thickness – 完成した基板の総厚。

ドリル径

ドリル径は次のように算出されます。

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

バックドリル加工用の具体的なドリル径を入力するのではなく、元のビアやパッドの穴径に対して、バックドリル径をどれだけ大きくするかを定義します。この拡大量は、以下に示すように、バックドリル穴に必要な公差とともに、デザインルール内で半径方向の値として指定します。

バックドリル加工に使用するドリル径は、元のビアまたはパッドの穴径に、デザインルールで指定したBackdrill Oversizeの2倍を加えた値です。Oversizeは半径方向の値として指定される点に注意してください。

バックドリル穴の画面表示

バックドリル加工された穴には、以下の特性を持つ 2色のリング が追加表示されます。

• 内側の円は、元のビア（茶色）またはパッド（緑色／青色）の穴径を示します。
• 2色のリングは、バックドリルの最初の層と最後の層の色を示します。
• 色付き円弧の幅は、デザインルールで定義されたBackDrill OverSizeの値です。2つの色付き円弧で形成される円の外径が実際のバックドリル穴径であり、PCBパネルの Hole Size Editor モードではドリル径として表示されます。 
• 色付きリングの表示は、PCBエディターで現在アクティブな層によって異なります。たとえば、以下の最初の画像ではトップ層がアクティブで、2番目の画像ではボトム層がアクティブです。アクティブな層がバックドリル加工の対象でない場合（たとえば、以下のビアでMid Layer 2またはMid Layer 3がアクティブな場合）、バックドリルは一切表示されません。多層ランド領域に囲まれた茶色のビア穴のみが表示されます。

  
同じビアを、左はトップ層がアクティブな状態、中央はボトム層がアクティブな状態、右は3Dモードで表示しています。

Hole Size Editorでのバックドリルの確認

PCBパネルのモードをHole Size Editor に設定することでも、バックドリルの位置を特定して表示できます。

以下の画像では、パネル内で14 milのバックドリルをクリックしています。表示が該当するバックドリル穴にズームし、開始層と終了層とともにハイライト表示されます。パネルには7つのバックドリルビアが表示されていますが、設計スペースには5つしか表示されていない点に注意してください。これは、2番目と3番目のビアがトップ側とボトム側の両方からバックドリル加工されており、現在はトップ層がアクティブなため、これらのビアがトップ側のバックドリルとして表示されているためです。

スタブのチェック

Maximum Via Stub Length (Back drilling)デザインルールは、バックドリル加工の候補箇所の特定と、残存スタブのチェックの両方に使用されます。

デザインルールチェックでは、対象となるすべてのビアとパッドについて、デザインルールで設定されたMax Stub Lengthを超える長さのスタブがないかチェックされます。バックドリル加工の有無にかかわらず、Maximum Via Stub Length (Back drilling)デザインルールの対象となるすべてのパッドとビアがチェックされる点に注意してください。

このルールでは、残存するスタブの長さをチェックします。以下の画像では、ビアは定義されたバックドリルに従って加工されていますが、残存スタブが適用対象のデザインルールで許容される7 milを超えているため、ルール違反として報告されます。

デザインルールチェックでは、デザインルールで許容されるMax Stub Lengthを超えるすべてのスタブが違反として報告されます。
このビアは、残存スタブが7 milを超えているため、チェックに合格しません。

出力の生成

バックドリル加工用の出力は、特別な操作なしで生成されます。追加のドリル関連出力ファイルが必要な場合は、自動的に生成されます。

バックドリルは、ブラインドビアの使用と非常によく似ています（ブラインドビアでも、Layer Stack Managerで開始層と終了層のペアを定義する必要があります）。この層ペアによって、層間の穴あけ要件が指定されます。違いは、ブラインドビアにはめっきが施されるのに対し、ビアやパッドのバックドリルは非めっきの穴あけ加工であることです。非めっき穴の加工は基本的に製造後の工程であり、エッチング、積層、穴あけ、スルーホールめっきの後に行われます。 

バックドリルレポート

設計内のすべてのバックドリル加工のサマリーレポートを生成するには、 Hole Size Editor モードのPCB パネルでUnique Holes領域を右クリックし、コンテキストメニューからBackdrill Reportを選択します。

現在のPCB内のすべてのバックドリル加工に関するレポートを生成します。

Report Previewダイアログが開きます。Exportボタンをクリックしてファイル形式と保存先を選択し、ファイル名を入力します。

ドリルシンボル、ドリルテーブル、ドリル図面

ドリルシンボルは自動的に割り当てられ、Drill Symbolsダイアログで再設定できます。Drill SymbolsダイアログでShow Drill Symbolsオプションを有効にすると、PCB設計スペースのDrill Drawingレイヤーにシンボルが表示されます。以下に示すように、パネルのUnique Holes領域、またはDrill Drawingレイヤータブを右クリックすると、このダイアログにアクセスできます。

Drill Symbolsダイアログでドリルシンボルの割り当てを設定し、表示を有効にします。

バックドリルでは同じ位置に異なるサイズのドリルビットで穴をあけるため、その位置にはドリルシンボルが重なって表示されます。以下の画像に示すように、層ペアセレクターを使用して、表示する層ペアを切り替えます。

  
三角形のアイコンを左クリックして、表示するドリルペアを選択します。

配置したドリルテーブルは、すべてのドリル層ペアを表示するようにも、特定の層ペアのみを表示するようにも設定できます。以下の画像は、基板の上面と下面の両方からバックドリルを行う設計のため、3つのテーブルが配置されています。Drill Layer Pair列に注目してください。この列は各テーブルの役割を示しています。

3つのドリルテーブルが配置されています。1つ目はスルーホール、2つ目は上面からのバックドリル、3つ目は下面からのバックドリルを示しています。

NCドリル

NCドリル出力では、定義されたドリルペアごとに個別のドリルファイルが生成されます。また、穴形状（丸形、長方形、長穴）ごとにも別のファイルが生成されます。

ドリルレポートファイル（<ProjectName>.DRR）には、ドリル工具の割り当て、サイズ、および生成された各ドリルファイルの役割と名前の概要が含まれます。

NC Drill Setupダイアログには、 Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes オプションがあります。NCドリル出力ファイルには、常にすべての穴あけ加工が含まれます。このオプションを有効にすると、めっき穴と非めっき穴の加工が別々のファイルに出力されます。これらのファイルは、ファイル名に追加される<DesignName>-Platedまたは<DesignName>-NonPlated形式の文字列で識別されます。

バックドリル加工は常に専用のファイルに出力され、それぞれ固有のファイル拡張子で識別されます。たとえば、上面からのバックドリル加工には<DesignName>-BackDrill.TX3、下面からのバックドリル加工には<DesignName>-BackDrill.TX4という名前が付けられます。

ドリルレポートには、工具へのドリルの割り当て、各サイズの穴数、およびその詳細が記載されたドリルファイルの概要が示されます。

Gerber X2

Gerber X2は、PCBの各レイヤーの製造データを出力するだけの規格ではありません（そのような規格では、ベアボードの製造にNCドリルファイルを追加する必要があります）。Gerber X2は、設計を基板メーカーのCAM工程に取り込むために必要なすべてのデータを出力します。Gerber X2は、Gerber X2 Setupダイアログで設定します。

これには、以下の情報が含まれます。

• Gerberファイルの機能：上面銅箔層、上面ソルダーマスクなど
• 対象：単体PCB、パネルなど
• オブジェクトの機能：SMDパッド、ビアパッドなど
• 穴径公差
• インピーダンス制御配線の位置
• 充填ビア

設計にバックドリル穴がある場合、Gerber X2出力には、次のようなファイル名の追加ドリルファイルが自動的に含まれます。

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

これらのバックドリルファイルには、次のようなGerber X2形式の命令が含まれます。

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

この行は、このファイルの内容を信号層1と3の間の非めっきブラインド穴加工として扱うよう、CAMソフトウェアに指示します。

ドリルサイズはアパーチャを使用して定義され、その定義の前には、それらがドリルサイズであることを宣言する命令が置かれます。

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

ODB++出力では、定義されたバックドリル層ペアごとに追加のドリルフォルダーが作成されます。これらには、\drill1、\drill2などの名前が付けられます。これらのフォルダーには、標準のODBドリルファイルが含まれます。

IPC-2581

IPC-2581のサポートは、今後のアップデートで追加される予定です。

Draftsman

Draftsmanは、設計の高品質なドキュメントを作成するための最適なツールです。設計にバックドリルタイプの層ペアが定義されている場合、レイヤースタック凡例にそれらが表示されるため、その有無をすばやく簡単に確認できます。

レイヤースタック凡例を配置してバックドリルに使用する層ペアを表示し、各層ペアのドリルセットに対応するドリルテーブルを配置します。

各バックドリル層ペアを表示するようにドリルテーブルを設定することもできるため、バックドリルに必要なドリルサイズと穴数をすばやく簡単に確認できます。