제어된 깊이 드릴링(백 드릴링)

Controlled Depth Drilling(CDD, 제어 깊이 드릴링)은 백 드릴링(back drilling)이라고도 하며, 인쇄회로기판(PCB)의 관통홀(thru-hole)에서 사용되지 않는 구리 배럴(copper barrel) 구간, 즉 스텁(stub)을 제거하는 데 사용되는 기법입니다. 고속 신호가 구리 배럴을 통해 PCB 레이어 사이를 이동할 때 신호가 왜곡될 수 있습니다. 신호 레이어 사용 방식 때문에 스텁이 남게 되고 그 스텁이 길면, 그 왜곡이 상당해질 수 있습니다.

이러한 스텁은 제작이 완료된 후, 약간 더 큰 드릴로 해당 홀을 다시 드릴링하여 제거할 수 있습니다. 홀은 비아가 사용된 마지막 레이어에 닿지는 않되, 그 레이어에 매우 가깝도록 제어된 깊이까지 백 드릴링됩니다. 제작 및 재료 편차를 고려하더라도, 숙련된 제작업체는 7mil 스텁이 남도록 백 드릴링할 수 있으며; 이상적으로는 남는 스텁이 10mil 미만이어야 합니다.

비아는 두 내부 레이어를 연결하는 데 사용되며, 그 결과 위아래로 사용되지 않는 배럴(스텁)이 남게 됩니다.
이러한 스텁은 제어 깊이 드릴링을 사용해 제거할 수 있습니다.

스텁을 제거하기 위해, 왼쪽의 비아는 상면에서 백 드릴링되며; 오른쪽의 비아는 양면에서 백 드릴링됩니다. 두 비아 모두 일부 스텁이 남아 있음을 확인할 수 있습니다.

비아에 가장 흔히 사용되며, 프레스-핏(backplane) 커넥터에도 사용되는 백 드릴링은 고속 신호 경로의 신호 품질을 관리하는 데 도움이 되는 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다. 블라인드/버리드 비아에 사용되는 순차 적층(sequential lamination) 기법보다 비용이 낮습니다.

백 드릴링은 다음을 통해 구현됩니다:

• Maximum Via Stub Length (Back drilling) 설계 규칙을 정의하여 관심 넷(nets)과 허용 가능한 최대 스텁 길이를 지정합니다. 이 스텁 길이는 드릴 설정값이 아니라, 소프트웨어가 배치 DRC 수행 중 잔여 스텁을 검사하는 데 사용하는 값입니다.
• 홀을 백 드릴링할 깊이는 백 드릴의 시작/종료 레이어를 지정하는 드릴 페어(drill pair)를 구성하여 정의합니다. 백 드릴의 시작 및 종료 레이어로는 어떤 구리 레이어든 지정할 수 있습니다.
• 백 드릴링에 사용되는 드릴의 직경은 해당 Via/Pad hole size + 2 x Oversize 설정을 통해, 적용되는 Maximum Via Stub Length (Back drilling) 설계 규칙에서 정의됩니다.
• 넷 인지(net-aware) 라우팅 객체를 패드 또는 비아에 연결하여, 신호 라우팅에 사용되는 레이어 쌍을 정의합니다.

백 드릴링할 홀 지정하기

Maximum Via Stub Length (Back drilling) 설계 규칙을 추가하여 백 드릴링할 홀이 있음을 소프트웨어에 지시합니다. 설계 규칙의 스코프(scope)는 어떤 비아 또는 패드를 드릴링할지 정의합니다. 일반적으로는 고속 넷과 같은 선택된 넷만 백 드릴링하므로, 스코프는 InNet('Clock') 또는 InNetClass('HighSpeedNets') 같은 형태가 될 수 있습니다.

규칙의 스코프는 이 규칙을 어떤 객체에 적용해야 하는지를 정의합니다. 이 규칙은 IO 넷 클래스의 비아를 대상으로 합니다.

예를 들어 스코프가 InNetClass('IO')라면, 해당 넷에 속한 모든 비아와 패드는 잠재적으로 백 드릴링될 수 있습니다. 실제로 백 드릴링되는 홀은 그 신호가 어떤 레이어에서 라우팅되었는지, 그리고 어떤 백 드릴 페어가 정의되었는지에 따라 달라집니다. 백 드릴 레이어 범위 내 레이어들에 연결이 없는 홀은 백 드릴링됩니다.

백 드릴링 작업을 더 제한하려면 규칙 스코프를 더 엄격하게 설정하십시오. 예를 들어 관통홀 패드가 아니라 비아만 백 드릴링하려면, 규칙 스코프를 InNetClass('IO') and IsVia로 변경할 수 있습니다.

백 드릴 속성 정의하기

관통홀 배럴을 백 드릴링할 때는, 원치 않는 구리를 제거하기 위해 더 큰(오버사이즈) 드릴 비트를 사용합니다.

    
오버사이즈 드릴 비트로 홀을 특정 깊이까지 재드릴링함으로써, 비아 배럴의 사용되지 않는 구간이 제거되어 이 신호 경로의 무결성이 향상됩니다.

모든 레이어 간 드릴 동작은 Back Drills 탭에서 시작 레이어-종료 레이어 드릴 정의를 추가하여 정의합니다. 이 탭은 Layer Stack Manager에서 Back Drill 기능이 활성화되기 전까지는 사용할 수 없습니다. 활성화하려면 Tools » Features » Back Drills을 선택하거나,  버튼을 클릭한 다음 Back Drills를 선택하십시오.

기능을 활성화한 후 Back Drills 탭으로 전환하고  버튼을 클릭하여 새 Back Drill 정의를 추가합니다.

다음 단계는 아래에 설명된 대로 백 드릴링할 레이어를 구성하는 것입니다.

드릴 깊이

백 드릴링 깊이는 사용자가 대화상자에 입력하는 숫자가 아니라 계산값입니다. 첫 레이어와 마지막 레이어를 정의하면, 소프트웨어가 첫 레이어 두께는 포함하되 마지막 레이어 두께는 포함하지 않는(해당 레이어에서 백 드릴링이 멈춤) 방식으로, 첫 레이어부터 마지막 레이어 사이의 모든 레이어를 관통하도록 필요한 드릴 깊이를 계산합니다. First layer 및 Last layer는 Properties panel in Layer Stack Manager mode에서 정의됩니다(Back Drills tab 선택). 아래와 같이 Back Drill 영역을 Properties panel에서 접근하려면, 레이어 스택에 백 드릴 정의가 존재해야 합니다.

홀은 Last layer field에 지정된 마지막 레이어에 닿지 않도록, 그 직전까지 드릴링됩니다. 드릴 동작의 깊이는 다음에 의해 정의됩니다:

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

레이어 두께는 Layer Stack Manager에 입력된 값입니다.

속성 패널

Layer Stack 문서의 Back Drills 탭이 활성화되어 있을 때, Properties 패널을 사용하여 백 드릴링이 필요한 레이어 스팬(layer-span)을 정의합니다.

• Back Drill
  • Name – 백 드릴 이름.
  • First layer – 백 드릴이 시작되는 첫 레이어.
  • Last layer – 백 드릴이 끝나는 마지막 레이어.
  • Mirror – 활성화하면, 레이어 스택에서 대칭 레이어를 스팬하는 현재 백 드릴의 미러가 생성됩니다. 이 옵션은 Stack Symmetry 옵션이 활성화된 경우에만 사용할 수 있습니다.
• Board
  • Stack Symmetry – 중앙 유전체 레이어를 기준으로 매칭되는 쌍으로 레이어를 추가하려면 활성화합니다. 활성화하면 레이어 스택이 중앙 유전체 레이어를 기준으로 대칭인지 즉시 검사합니다. 중앙 유전체 기준 레이어로부터 같은 거리에 있는 레이어 쌍이 동일하지 않으면 Stack is not symmetric dialog가 열립니다.

• Library Compliance – 활성화하면, Material Library에서 선택된 각 레이어에 대해 현재 레이어 속성이 라이브러리의 해당 재료 정의 값과 일치하는지 검사합니다.

• Substack – 이 정보는 현재 선택된 서브스택(레이어, 유전체, 두께 등)에 대한 것입니다. 한 서브스택에서 다른 서브스택으로 전환하면, 이 정보도 그에 맞게 업데이트됩니다(현재 선택된 서브스택 기준).

• Stack Name – 서브스택 이름을 입력합니다. X/Y 스택업 영역에 레이어 서브스택을 할당할 때 서브스택 이름을 지정해 두면 유용합니다.
• Is Flex – 서브스택이 플렉스(flex)인 경우 활성화합니다.
• Layers – 도전층(컨덕티브 레이어) 수.
• Dielectrics – 유전체 수.
• Conductive Thickness – 모든 신호 및 플레인 레이어(모든 구리/도전층)의 두께 합입니다.
• Dielectric Thickness – 유전체 레이어(들)의 두께.
• Total Thickness – 완성된 보드의 총 두께.

드릴 크기

드릴 직경은 다음으로부터 계산됩니다:

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

백 드릴링을 위한 특정 드릴 크기를 직접 입력하는 대신, 원래 비아 또는 패드 홀 크기보다 백 드릴이 얼마나 더 큰지 정의합니다. 오버사이즈는 아래와 같이 설계 규칙에서 반경 방향(radial) 값으로 지정하며, 백 드릴 홀에 대한 공차 요구사항도 함께 지정합니다.

백 드릴링에 사용되는 드릴 크기는 원래 비아/패드 홀 크기에, 설계 규칙에 지정된 Backdrill Oversize의 2배를 더한 값입니다. 오버사이즈는 반경 방향 값으로 지정된다는 점에 유의하십시오.

백 드릴링된 홀의 화면 표시

백드릴(back drill)된 홀의 표시는 다음과 같은 속성을 가진 추가 2색 링을 포함합니다:

• 내부 원은 원래 비아(갈색) 또는 패드(녹색/파란색)의 홀 크기입니다.
• 2색 링은 백드릴의 시작 레이어 색상과 마지막 레이어 색상을 나타냅니다.
• 색상 아크의 폭은 디자인 룰에 정의된 BackDrill OverSize 값입니다. 두 개의 색상 아크로 정의되는 원의 외경은 실제 백드릴 홀 크기이며, 이는 Hole Size Editor 모드의 PCB 패널에 드릴 크기로 표시됩니다. 
• 색상 링의 표시는 PCB 편집기에서 현재 활성화된 레이어가 무엇인지에 따라 달라집니다. 예를 들어 아래 첫 번째 이미지는 Top Layer가 활성일 때이고, 두 번째 이미지는 Bottom Layer가 활성일 때입니다. 활성 레이어가 백드릴 대상이 아니라면(예: 아래에 표시된 비아에서 활성 레이어가 Mid Layer 2 또는 Mid Layer 3인 경우) 백드릴은 전혀 표시되지 않습니다. 이 경우 갈색 비아 홀만 다층 랜드 영역에 둘러싸인 형태로 보입니다.

  
왼쪽은 Top Layer 활성, 가운데는 Bottom Layer 활성, 오른쪽은 3D 모드에서 동일한 비아를 보여줍니다.

Hole Size Editor에서 백드릴 확인하기

백드릴은 Hole Size Editor 모드로 PCB 패널을 설정하여 찾아보고 확인할 수도 있습니다.

아래 이미지에서는 패널에서 14mil 크기의 백드릴을 클릭한 상태입니다. 표시가 해당 백드릴 홀로 확대되며, 시작/종료 레이어와 함께 강조 표시됩니다. 패널에는 백드릴된 비아가 7개로 표시되지만, 설계 공간에는 5개만 보입니다. 이는 두 번째와 세 번째 비아가 Top과 Bottom 양쪽에서 모두 백드릴되어 있고, 현재 활성 레이어가 Top Layer이므로 해당 비아들이 현재는 Top-side 백드릴로 표시되기 때문입니다.

스텁(Stub) 확인

Maximum Via Stub Length (Back drilling) 디자인 룰은 잠재적인 백드릴 위치를 찾는 데에도, 남아 있는 스텁을 테스트하는 데에도 사용됩니다.

디자인 룰 체크(DRC) 중에는 적용 대상인 모든 비아와 패드에 대해, 스텁 길이가 디자인 룰에 Max Stub Length 설정된 값보다 큰지 검사합니다. Maximum Via Stub Length (Back drilling) 디자인 룰의 대상이 되는 모든 패드와 비아가 검사되며, 백드릴된 것 또는 백드릴되지 않은 것만을 대상으로 하는 것이 아니라는 점에 유의하십시오.

이 룰은 남아 있는 스텁의 길이를 검사합니다. 아래 이미지에서는 비아가 정의된 백드릴에 따라 백드릴되었음에도 불구하고, 남은 스텁이 해당 디자인 룰에서 허용하는 7mil보다 크기 때문에 룰 위반으로 표시됩니다.

디자인 룰 체크는 디자인 룰에서 허용하는 최대 스텁 길이(Max Stub Length)보다 큰 모든 스텁을 위반으로 표시합니다.
이 비아는 남은 스텁이 7mil보다 크므로 실패합니다.

출력 생성

백드릴에 대한 출력 생성은 별도의 작업 없이 자동으로 처리됩니다. 추가적인 드릴 유형 출력 파일이 필요하면 자동으로 생성됩니다.

백드릴은 블라인드 비아 사용과 매우 유사합니다(블라인드 비아도 Layer Stack Manager에서 시작/마지막 레이어 쌍을 정의해야 하며, 이 레이어 쌍 사이의 드릴링 요구사항을 지정합니다). 차이점은 블라인드 비아는 도금(plated)되는 반면, 백드릴된 비아 또는 패드는 비도금(unplated) 드릴 공정이라는 점입니다. 비도금 홀은 본질적으로 후가공(post-fabrication) 공정으로, 에칭, 적층, 드릴링, 관통홀 도금(thru-hole plating) 이후에 드릴링이 수행됩니다. 

Back Drill Report

설계 내 모든 백드릴 이벤트의 요약 보고서를 생성하려면, Unique Holes 영역에서 PCB 패널을 Hole Size Editor 모드로 둔 상태에서 마우스 오른쪽 버튼을 클릭한 다음, 컨텍스트 메뉴에서 Backdrill Report를 선택합니다.

현재 PCB의 모든 백드릴 이벤트에 대한 보고서를 생성합니다.

Report Preview 대화상자가 열립니다. Export 버튼을 클릭하여 파일 형식과 저장 위치를 선택한 다음 파일 이름을 입력합니다.

드릴 심볼, 드릴 테이블 및 드릴 도면

드릴 심볼은 자동으로 할당되며 Drill Symbols 대화상자에서 재구성할 수 있습니다. Show Drill Symbols 옵션이 Drill Symbols 대화상자에서 활성화되어 있으면, 심볼이 PCB 설계 공간의 Drill Drawing 레이어에 표시됩니다. 이 대화상자는 아래와 같이 패널의 Unique Holes 영역 또는 Drill Drawing 레이어 탭에서 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하여 열 수 있습니다.

Drill Symbols 대화상자에서 드릴 심볼 할당을 구성하고 표시를 활성화합니다.백드릴은 동일한 위치를 서로 다른 크기의 드릴 비트로 가공하는 것을 포함하므로, 해당 위치에는 드릴 심볼이 겹쳐서 표시됩니다. 아래 이미지와 같이 레이어-페어 선택기를 사용해 현재 표시할 레이어 쌍을 제어하십시오.

  
삼각형 아이콘을 왼쪽 클릭하여 표시할 드릴 페어를 선택합니다.

배치된 드릴 테이블은 모든 드릴 레이어 쌍을 표시하도록 구성할 수도 있고, 특정 레이어 쌍만 표시하도록 구성할 수도 있습니다. 아래 이미지는 보드의 Top과 Bottom 양쪽에서 백드릴이 있는 설계의 예로, 테이블이 3개 배치되어 있습니다. Drill Layer Pair 열에 주목하십시오. 각 테이블의 용도를 나타냅니다.

드릴 테이블 3개가 배치되었습니다: 첫 번째는 관통홀(thru-hole), 두 번째는 Top-side 백드릴, 세 번째는 Bottom-side 백드릴을 표시합니다.

NC Drill

정의된 각 드릴 페어마다 NC drill 출력은 고유한 드릴 파일을 생성합니다. 또한 홀 형상 유형(원형, 사각형, 슬롯형)마다 별도의 파일도 생성합니다.

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

NC Drill Setup 대화상자에는 Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes  옵션이 있습니다. NC drill 출력 파일은 항상 모든 드릴 이벤트를 포함합니다. 이 옵션을 활성화하면 도금(plated)과 비도금(non-plated) 드릴 이벤트가 각각 별도의 파일로 출력됩니다. 파일명에는 <DesignName>-Plated 또는 <DesignName>-NonPlated 형식의 추가 문자열로 구분 표시됩니다.

백드릴 이벤트는 항상 전용 파일로 출력되며, 각각 고유한 파일 확장자로 식별됩니다. 예를 들어 Top-side 백드릴 이벤트는 <DesignName>-BackDrill.TX3로, Bottom-side 백드릴 이벤트는 <DesignName>-BackDrill.TX4로 이름이 지정될 수 있습니다.

드릴 리포트는 드릴을 툴에 할당한 내용, 각 크기별 개수, 그리고 어떤 드릴 파일에 상세가 포함되어 있는지를 요약합니다.

Gerber X2

Gerber X2는 PCB 레이어 세트에 대한 제작 데이터 출력 표준(베어보드 제작을 위해 NC drill 파일을 추가해야 함)에 그치지 않고, 제작사의 CAM 프로세스에 설계를 입력하는 데 필요한 모든 데이터를 출력합니다. Gerber X2는 Gerber X2 Setup 대화상자에서 설정합니다.

여기에는 다음이 포함됩니다:

• Gerber 파일 기능: Top copper layer, Top solder mask 등
• Part: 단일 PCB, 패널 등
• Object function: SMD pad, via pad 등
• 드릴 공차
• 임피던스 제어 트랙의 위치
• 필드 비아(Filled vias)

설계에 백드릴 홀이 있으면 Gerber X2 출력은 다음과 같은 파일명을 가진 추가 드릴 파일을 자동으로 포함합니다:

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

이 백드릴 파일에는 다음과 같은 Gerber X2 형식 지시문이 포함됩니다:

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

이 라인은 CAM 소프트웨어에 이 파일의 내용을 신호 레이어 1과 3 사이의 비도금 블라인드 드릴 이벤트로 처리하라고 지시합니다.

드릴 크기는 어퍼처(aperture)로 정의되며, 그 정의 앞에는 이를 드릴 크기로 선언하는 지시문이 붙습니다.

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

ODB++ 출력의 경우, 정의된 각 백드릴 레이어 쌍마다 추가 드릴 폴더가 생성됩니다. 폴더 이름은 \drill1, \drill2와 같은 형태입니다. 이 폴더에는 표준 ODB 드릴 파일이 포함됩니다.

IPC-2581

IPC-2581 지원은 향후 업데이트에서 추가될 예정입니다.

Draftsman

Draftsman은 설계에 대한 고품질 문서를 생성하기에 이상적인 도구입니다. 설계에 백드릴 유형 레이어-페어가 정의되어 있으면 Layer Stack Legend에 표시되어, 존재 여부를 빠르게 확인할 수 있습니다.

Layer Stack Legend를 배치하여 백드릴에 사용되는 레이어 쌍을 표시하고, 각 레이어-페어 드릴 세트에 대한 드릴 테이블을 배치하십시오.

또한 드릴 테이블을 각 백드릴 레이어-페어를 표시하도록 구성할 수 있어, 백드릴에 필요한 드릴 크기와 홀 개수를 빠르게 식별할 수 있습니다.