제어된 깊이 드릴링(백 드릴링)

백 드릴링이라고도 하는 제어 깊이 드릴링(Controlled Depth Drilling, CDD)은 인쇄 회로 기판의 스루홀에서 사용하지 않는 구리 배럴 부분, 즉 스터브를 제거하는 기법입니다. 고속 신호가 구리 배럴을 통해 PCB 레이어 사이를 이동하면 신호가 왜곡될 수 있습니다. 신호 레이어 사용 방식에 따라 스터브가 생기고 그 길이가 길면 왜곡이 심해질 수 있습니다.

이러한 스터브는 제작이 완료된 후 약간 더 큰 드릴로 해당 홀을 다시 드릴링하여 제거할 수 있습니다. 비아가 사용하는 마지막 레이어에 가깝지만 닿지는 않는 깊이까지 제어하여 홀을 백 드릴링합니다. 제작 및 재료의 편차를 고려하더라도 숙련된 제조업체는 스터브가 7mil만 남도록 홀을 백 드릴링할 수 있습니다. 이상적으로는 남은 스터브가 10mil 미만이어야 합니다.

비아가 두 내부 레이어를 연결하므로 위아래에 사용하지 않는 배럴 부분(스터브)이 남습니다.
이러한 스터브는 제어 깊이 드릴링으로 제거할 수 있습니다.

스터브를 제거하기 위해 왼쪽 비아는 윗면에서 백 드릴링하고, 오른쪽 비아는 양면에서 백 드릴링합니다. 두 비아 모두 스터브가 일부 남아 있다는 점에 유의하십시오.

백 드릴링은 주로 비아에 사용되며 압입식 백플레인 커넥터에도 사용됩니다. 고속 신호 경로의 신호 품질을 관리하는 데 도움이 되는 비용 효율적인 솔루션으로, 블라인드 비아와 매립 비아에 사용되는 순차 적층 기법보다 비용이 적게 듭니다.

백 드릴링은 다음과 같이 구현합니다.

• 대상 Net과 최대 허용 스터브 길이를 지정하는 최대 비아 스터브 길이(백 드릴링) Design Rule을 정의합니다. 이 스터브 길이는 드릴 설정값이 아니라, 소프트웨어가 일괄 DRC 중 남아 있는 스터브를 검사하는 데 사용하는 값입니다.
• 홀의 백 드릴링 깊이는 백 드릴링의 시작 및 종료 레이어를 지정하는 드릴 쌍을 구성하여 정의합니다. 어떤 구리 레이어든 백 드릴링의 시작 및 종료 레이어로 정의할 수 있습니다.
• 백 드릴링에 사용하는 드릴의 직경은 해당 Maximum Via Stub Length (Back drilling) Design Rule의 Via/Pad hole size + 2 x Oversize 설정으로 정의합니다.
• Net을 인식하는 라우팅 객체를 Pad 또는 비아에 연결하여 신호 라우팅에 사용되는 레이어 쌍을 정의합니다.

백 드릴링할 홀 지정

최대 비아 스터브 길이(백 드릴링) Design Rule을 추가하여 백 드릴링할 홀이 있음을 소프트웨어에 알립니다. Design Rule의 적용 범위는 드릴링할 비아 또는 Pad를 정의합니다. 일반적으로 고속 Net과 같은 특정 Net만 백 드릴링하며, 이 경우 적용 범위는 InNet('Clock') 또는 InNetClass('HighSpeedNets')와 같이 지정할 수 있습니다.

Rule의 적용 범위는 이 Rule을 적용할 객체를 정의합니다. 이 Rule은 IO Net 클래스에 속한 비아를 대상으로 합니다.

예를 들어 적용 범위가 InNetClass('IO')이면 해당 Net의 모든 비아와 Pad가 백 드릴링 대상이 될 수 있습니다. 실제로 백 드릴링되는 홀은 해당 신호가 라우팅된 레이어와 정의된 백 드릴 쌍에 따라 달라집니다. 백 드릴 레이어 범위 내의 레이어에 연결이 없는 홀은 백 드릴링됩니다.

백 드릴링 작업을 더 제한하려면 Rule의 적용 범위를 좁히십시오. 예를 들어 스루홀 Pad는 제외하고 비아만 백 드릴링하려면 Rule의 적용 범위를 InNetClass('IO') and IsVia로 변경할 수 있습니다.

백 드릴 속성 정의

스루홀 배럴을 백 드릴링할 때는 원래 홀보다 큰 드릴 비트를 사용하여 불필요한 구리를 제거합니다.

    
원래 홀보다 큰 드릴 비트로 특정 깊이까지 홀을 다시 드릴링하면 비아 배럴의 사용하지 않는 부분이 제거되어 해당 신호 경로의 무결성이 향상됩니다.

모든 레이어 간 드릴링 작업은 Layer Stack Manager의 Back Drills 탭에서 시작 레이어와 종료 레이어를 지정하는 드릴 정의를 추가하여 정의합니다. 이 탭은 Layer Stack Manager에서 Back Drill 기능을 활성화해야 사용할 수 있습니다. Tools » Features » Back Drills를 선택하여 활성화하거나,  버튼을 클릭하고 Back Drills를 선택하십시오.

기능이 활성화되면 Back Drills 탭으로 전환하고  버튼을 클릭하여 새 백 드릴 정의를 추가합니다.

다음 단계는 아래 설명에 따라 백 드릴링할 레이어를 구성하는 것입니다.

드릴 깊이

백 드릴링 깊이는 대화 상자에 입력하는 숫자가 아니라 계산된 값입니다. 첫 번째 레이어와 마지막 레이어를 정의하면 소프트웨어가 그 사이의 모든 레이어를 백 드릴링하는 데 필요한 드릴 깊이를 계산합니다. 이때 첫 번째 레이어의 두께는 포함하지만 마지막 레이어의 두께는 포함하지 않습니다(백 드릴링은 해당 레이어에서 멈춥니다). First layer 및 Last layer는 Back Drills 탭을 선택한 상태에서 Layer Stack Manager 모드의 Properties 패널에 정의합니다. 아래와 같이 Properties 패널의 Back Drill 영역에 접근하려면 레이어 스택에 백 드릴이 정의되어 있어야 합니다.

홀은 Last layer 필드에 지정된 마지막 레이어에 닿지 않는 지점까지 드릴링됩니다. 드릴링 깊이는 다음을 기준으로 정의됩니다.

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

레이어 두께는 Layer Stack Manager에 입력된 값입니다.

속성 Panel

레이어 스택 문서의 Back Drills 탭이 활성화되어 있을 때, Properties 패널에서 백드릴이 필요한 레이어 범위를 정의합니다.

• Back Drill
  • Name – 백드릴의 이름입니다.
  • First layer – 백드릴 범위의 첫 번째 레이어입니다.
  • Last layer – 백드릴 범위의 마지막 레이어입니다.
  • Mirror – 활성화하면 레이어 스택에서 대칭을 이루는 레이어 범위에 현재 백드릴의 미러 사본이 생성됩니다. 이 옵션은 Stack Symmetry 옵션이 활성화된 경우에만 사용할 수 있습니다.
• Board
  • Stack Symmetry – 중앙 유전체 레이어를 기준으로 서로 대응하는 레이어를 쌍으로 추가하려면 활성화합니다. 활성화하면 레이어 스택이 중앙 유전체 레이어를 기준으로 대칭인지 즉시 검사합니다. 중앙 유전체 기준 레이어에서 같은 거리에 있는 레이어 쌍 중 하나라도 서로 동일하지 않으면 스택이 대칭이 아님 대화 상자가 열립니다.

• Library Compliance – 활성화하면 재료 라이브러리에서 선택한 각 레이어의 현재 속성을 라이브러리의 해당 재료 정의 값과 비교하여 검사합니다.

• Substack – 현재 선택된 서브스택에 대한 정보입니다(레이어, 유전체, 두께 등). 다른 서브스택으로 전환하면 현재 선택된 서브스택에 맞게 이 정보가 업데이트됩니다.

• Stack Name – 서브스택 이름을 입력합니다. X/Y 스택업 영역에 레이어 서브스택을 할당할 때 서브스택에 이름을 지정해 두면 유용합니다.
• Is Flex – 서브스택이 플렉스인 경우 활성화합니다.
• Layers – 전도성 레이어의 개수입니다.
• Dielectrics – 유전체의 개수입니다.
• Conductive Thickness – 모든 신호 및 플레인 레이어(모든 구리 또는 전도성 레이어)의 두께를 합한 값입니다.
• Dielectric Thickness – 유전체 레이어의 두께입니다.
• Total Thickness – 완성된 보드의 전체 두께입니다.

드릴 크기

드릴 직경은 다음을 기준으로 계산됩니다.

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

백드릴에 사용할 특정 드릴 크기를 입력하는 대신, 원래 비아 또는 패드 홀 크기보다 백드릴을 얼마나 크게 할지 정의합니다. 아래와 같이 설계 규칙에서 백드릴 홀의 공차 요구 사항과 함께 확대량을 반경 방향의 값으로 지정합니다.

백드릴에 사용되는 드릴 크기는 원래 비아 또는 패드 홀 크기에 설계 규칙에서 지정한 Backdrill Oversize의 두 배를 더한 값입니다. Oversize는 반경 방향의 값으로 지정된다는 점에 유의하세요.

백드릴 홀의 화면 표시

백드릴된 홀에는 다음과 같은 속성을 가진 2색 링이 추가로 표시됩니다.

• 내부 원은 원래 비아(갈색) 또는 패드(녹색/파란색)의 홀 크기를 나타냅니다.
• 2색 링은 백드릴의 첫 번째 레이어 색상과 마지막 레이어 색상을 나타냅니다.
• 색상이 있는 원호의 너비는 설계 규칙에서 정의한 BackDrill OverSize 값입니다. 두 개의 색상 원호가 형성하는 원의 외경은 실제 백드릴 홀 크기이며, PCB 패널의 홀 크기 Editor 모드에서 드릴 크기로 나열됩니다. 
• 색상 링의 표시는 PCB 편집기에서 현재 활성화된 레이어에 따라 달라집니다. 예를 들어 아래 첫 번째 이미지는 상단 레이어가 활성화된 상태이고, 두 번째 이미지는 하단 레이어가 활성화된 상태입니다. 활성 레이어가 백드릴되지 않은 경우 (예: 아래 비아에서 활성 레이어가 Mid Layer 2 또는 Mid layer 3인 경우) 백드릴은 전혀 표시되지 않습니다. 다층 랜드 영역으로 둘러싸인 갈색 비아 홀만 표시됩니다.

  
동일한 비아를 왼쪽에는 상단 레이어가 활성화된 상태로, 가운데에는 하단 레이어가 활성화된 상태로, 오른쪽에는 3D 모드로 표시했습니다.

홀 크기 Editor에서 백드릴 확인

PCB 패널의 모드를 홀 크기 Editor로 설정하여 백드릴을 찾고 확인할 수도 있습니다.

아래 이미지는 패널에서 크기가 14mil인 백드릴을 클릭한 상태입니다. 해당 백드릴 홀로 화면이 확대되고 시작 및 종료 레이어와 함께 강조 표시됩니다. 패널에는 백드릴된 비아가 7개 표시되지만, 설계 공간에는 5개만 표시된다는 점에 유의하세요. 이는 두 번째와 세 번째 비아가 상단과 하단 양쪽에서 백드릴되었기 때문입니다. 현재 상단 레이어가 활성화되어 있으므로 해당 비아는 상단 백드릴로 표시됩니다.

스텁 검사

최대 비아 스텁 길이(백드릴) 설계 규칙은 백드릴이 필요할 수 있는 위치를 찾고 잔여 스텁을 검사하는 데 사용됩니다.

설계 규칙 검사 중에는 해당하는 모든 비아와 패드에 대해 스텁 길이가 설계 규칙에 설정된 Max Stub Length보다 긴지 검사합니다. 백드릴된 항목이나 백드릴되지 않은 항목만 검사하는 것이 아니라, Maximum Via Stub Length (Back drilling) 설계 규칙의 적용 대상인 모든 패드와 비아를 검사한다는 점에 유의하세요.

이 규칙은 남아 있는 스텁의 길이를 검사합니다. 아래 이미지에서는 정의된 백드릴에 따라 비아가 백드릴되었지만, 잔여 스텁이 해당 설계 규칙에서 허용하는 7mil보다 길기 때문에 규칙 위반으로 표시됩니다.

설계 규칙 검사는 설계 규칙에서 허용하는 최대 스텁 길이보다 긴 모든 스텁을 위반으로 표시합니다.
이 비아는 잔여 스텁이 7mil보다 길기 때문에 검사에 실패합니다.

출력 생성

백드릴용 출력은 별도의 작업 없이 생성됩니다. 추가 드릴 유형 출력 파일이 필요한 경우 자동으로 생성됩니다.

백 드릴링은 블라인드 비아를 사용하는 것과 매우 유사합니다. 블라인드 비아 역시 Layer Stack Manager에서 시작/끝 레이어 쌍을 정의해야 하며, 이를 통해 해당 레이어 쌍 사이의 드릴링 요구 사항을 지정합니다. 차이점은 블라인드 비아는 도금되는 반면, 백 드릴링된 비아나 Pad는 도금되지 않는 드릴 가공이라는 점입니다. 비도금 홀 가공은 본질적으로 제작 후 공정입니다. 즉, 에칭, 적층, 드릴링 및 스루홀 도금이 완료된 후에 드릴링이 수행됩니다. 

백 드릴 보고서

설계 내 모든 백 드릴 가공에 대한 요약 보고서를 생성하려면, 홀 크기 Editor 모드에서 PCB Panel의 Unique Holes 영역을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭한 다음 컨텍스트 메뉴에서 Backdrill Report을 선택합니다.

현재 PCB의 모든 백 드릴 가공에 대한 보고서를 생성합니다.

Report Preview 대화 상자가 열립니다. Export 버튼을 클릭하여 파일 형식과 파일을 저장할 위치를 선택한 다음 파일 이름을 입력합니다.

드릴 심볼, 드릴 테이블 및 드릴 도면

드릴 심볼은 자동으로 할당되며, Drill Symbols 대화 상자에서 다시 구성할 수 있습니다. Drill Symbols 대화 상자에서 Show Drill Symbols 옵션을 활성화하면 PCB 설계 공간의 드릴 도면 레이어에 심볼이 표시됩니다. 아래와 같이 Panel의 Unique Holes 영역이나 Drill Drawing 레이어 탭을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하여 이 대화 상자를 열 수 있습니다.

Drill Symbols 대화 상자에서 드릴 심볼 할당을 구성하고 표시를 활성화합니다.

백 드릴링은 동일한 위치를 서로 다른 크기의 드릴 비트로 가공하므로, 해당 위치에 드릴 심볼이 겹쳐 표시됩니다. 아래 이미지와 같이 레이어 쌍 선택기를 사용하여 현재 표시할 레이어 쌍을 지정합니다.

  
삼각형 아이콘을 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하여 표시할 드릴 쌍을 선택합니다.

배치된 드릴 테이블은 모든 드릴 레이어 쌍을 표시하거나 특정 레이어 쌍만 표시하도록 구성할 수 있습니다. 아래 이미지는 보드의 상단과 하단 양쪽에서 백 드릴링을 수행하는 설계이므로 테이블 세 개가 배치되어 있습니다. Drill Layer Pair 열에 주목하십시오. 이 열은 각 테이블의 용도를 나타냅니다.

드릴 테이블 세 개가 배치되어 있습니다. 첫 번째는 스루홀을, 두 번째는 상단에서 수행하는 백 드릴링을, 세 번째는 하단에서 수행하는 백 드릴링을 보여줍니다.

NC 드릴

NC 드릴 출력은 정의된 각 드릴 쌍에 대해 별도의 드릴 파일을 생성합니다. 또한 각 홀 형상 유형(원형, 직사각형 또는 슬롯형)별로 별도의 파일을 생성합니다.

드릴 보고서 파일(<ProjectName>.DRR)에는 드릴 공구 할당, 공구 크기, 생성된 각 드릴 파일의 역할과 이름에 대한 요약이 포함됩니다.

NC 드릴 설정 대화 상자에는 Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes 옵션이 있습니다. NC 드릴 출력 파일에는 항상 모든 드릴 가공이 포함됩니다. 이 옵션을 활성화하면 도금 드릴 가공과 비도금 드릴 가공이 별도의 파일로 출력됩니다. 이러한 파일은 파일 이름에 <DesignName>-Plated 또는 <DesignName>-NonPlated 형식의 문자열이 추가되어 구분됩니다.

백 드릴 가공은 항상 별도의 파일로 출력되며, 각 파일은 고유한 파일 확장자로 식별됩니다. 예를 들어 상단 백 드릴 가공 파일의 이름은 <DesignName>-BackDrill.TX3, 하단 백 드릴 가공 파일의 이름은 <DesignName>-BackDrill.TX4일 수 있습니다.

드릴 보고서에는 드릴의 공구 할당, 각 크기별 수량, 해당 정보가 상세히 기록된 드릴 파일이 요약되어 있습니다.

Gerber X2

Gerber X2는 단순히 PCB 레이어 세트의 제작 데이터를 출력하는 표준에 그치지 않고, 설계를 제조업체의 CAM 공정에 입력하는 데 필요한 모든 데이터를 출력합니다. 기존 방식에서는 베어 보드 제작을 위해 NC 드릴 파일을 추가해야 합니다. Gerber X2는 Gerber X2 설정 대화 상자에서 구성합니다.

여기에는 다음이 포함됩니다.

• Gerber 파일 기능: 상단 구리 레이어, 상단 솔더 마스크 등
• 부품: 싱글 PCB, 패널 등
• 객체 기능: SMD Pad, 비아 Pad 등
• 드릴 공차
• 임피던스 제어 트랙의 위치
• 충전 비아

설계에 백 드릴링된 홀이 있으면 Gerber X2 출력에 다음과 같은 파일 이름의 추가 드릴 파일이 자동으로 포함됩니다. 

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

이러한 백 드릴 파일에는 다음과 같은 Gerber X2 형식의 명령이 포함됩니다. 

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

이 줄은 CAM 소프트웨어에 이 파일의 내용을 신호 레이어 1과 3 사이의 비도금 블라인드 드릴 가공으로 처리하도록 지시합니다.

드릴 크기는 애퍼처를 사용하여 정의되며, 애퍼처 정의 앞에는 이를 드릴 크기로 선언하는 명령이 옵니다.

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

ODB++ 출력에서는 정의된 각 백 드릴 레이어 쌍에 대해 추가 드릴 폴더가 생성됩니다. 이러한 폴더의 이름은 \drill1, \drill2 등으로 지정됩니다. 이 폴더에는 표준 ODB 드릴 파일이 포함됩니다.

IPC-2581

IPC-2581 지원은 향후 업데이트에서 추가될 예정입니다.

Draftsman

Draftsman은 설계를 위한 고품질 문서를 작성하는 데 적합한 도구입니다. 설계에 백 드릴 유형의 레이어 쌍이 정의되어 있으면 레이어 스택 범례에 표시되므로, 해당 레이어 쌍의 존재 여부를 빠르고 쉽게 확인할 수 있습니다.

레이어 스택 범례를 배치하여 백 드릴링에 사용되는 레이어 쌍을 표시하고, 각 레이어 쌍의 드릴 세트에 대한 드릴 테이블을 배치합니다.

또한 각 백 드릴 레이어 쌍을 표시하도록 드릴 테이블을 구성하면 백 드릴링에 필요한 드릴 크기와 홀 수를 빠르고 쉽게 파악할 수 있습니다.