Wiercenie z kontrolowaną głębokością (wiercenie wsteczne)

Wiercenie na kontrolowaną głębokość (Controlled Depth Drilling, CDD), znane również jako wiercenie wsteczne (back drilling), to technika usuwania niewykorzystanego odcinka metalizacji otworu przelotowego na płytce drukowanej. Gdy szybki sygnał przechodzi między warstwami PCB przez metalizację otworu, może ulec zniekształceniu. Jeśli ze względu na wykorzystanie warstw sygnałowych pozostaje niewykorzystany odcinek metalizacji (tzw. stub) i jest on długi, zniekształcenie to może być znaczne.

Takie odcinki można usunąć, ponownie rozwiercając otwory nieco większym wiertłem po zakończeniu produkcji płytki. Wiercenie wsteczne wykonuje się na kontrolowaną głębokość — blisko ostatniej warstwy wykorzystywanej przez przelotkę, lecz bez jej naruszania. Uwzględniając odchyłki produkcyjne i materiałowe, dobry producent potrafi wykonać wiercenie wsteczne tak, aby pozostawić odcinek o długości 7 mil; najlepiej, aby pozostały odcinek miał mniej niż 10 mil.

Przelotka służy do połączenia dwóch warstw wewnętrznych, przez co powyżej i poniżej pozostają niewykorzystane odcinki metalizacji (stuby).
Można je usunąć za pomocą wiercenia na kontrolowaną głębokość.

Aby usunąć niewykorzystane odcinki, przelotka po lewej jest rozwiercana od góry, a przelotka po prawej — z obu stron. Zwróć uwagę, że w obu przelotkach pozostaje niewielki niewykorzystany odcinek metalizacji.

Wiercenie wsteczne, stosowane najczęściej w przelotkach, a także w złączach płyt bazowych typu press-fit, stanowi ekonomiczne rozwiązanie pomagające zachować jakość sygnału w szybkich torach sygnałowych. Jest tańsze niż technika laminowania sekwencyjnego stosowana do wykonywania przelotek ślepych i zagrzebanych.

Aby zastosować wiercenie wsteczne, należy:

• Zdefiniować regułę projektową Maksymalna długość niewykorzystanego odcinka przelotki (wiercenie wsteczne), która określa odpowiednie sieci oraz maksymalną dopuszczalną długość niewykorzystanego odcinka. Pamiętaj, że długość ta nie jest parametrem wiercenia; jest to wartość używana przez oprogramowanie do sprawdzania pozostałych niewykorzystanych odcinków podczas wsadowej kontroli DRC.
• Głębokość wiercenia wstecznego otworu określa się przez skonfigurowanie pary warstw wiercenia, która wskazuje warstwę początkową i końcową dla wiercenia wstecznego. Jako warstwy początkowe i końcowe można wskazać dowolne warstwy miedzi.
• Średnicę wiertła używanego do wiercenia wstecznego określa ustawienie Via/Pad hole size + 2 x Oversize w odpowiedniej regule projektowej Maximum Via Stub Length (Back drilling).
• Połączyć obiekty prowadzenia ścieżek z przypisaną siecią z padem lub przelotką, aby określić parę warstw wykorzystywanych do prowadzenia sygnału.

Wskazywanie otworów do wiercenia wstecznego

Aby wskazać oprogramowaniu otwory przeznaczone do wiercenia wstecznego, dodaj regułę projektową Maksymalna długość niewykorzystanego odcinka przelotki (wiercenie wsteczne). Zakres reguły projektowej określa, które przelotki lub pady mają zostać rozwiercone. Zazwyczaj wiercenie wsteczne stosuje się tylko w wybranych sieciach, np. sieciach szybkich sygnałów. W takim przypadku zakres może mieć postać InNet('Clock') lub InNetClass('HighSpeedNets').

Zakres reguły określa obiekty, do których należy ją zastosować. Ta reguła obejmuje przelotki należące do klasy sieci IO.

Na przykład jeśli zakres ma postać InNetClass('IO'), wszystkie przelotki i pady w tych sieciach mogą potencjalnie zostać poddane wierceniu wstecznemu. To, które otwory zostaną faktycznie rozwiercone, zależy od warstw, na których prowadzone są te sygnały, oraz od zdefiniowanych par warstw wiercenia wstecznego. Jeśli otwór nie ma połączeń na warstwach w zakresie wiercenia wstecznego, zostanie rozwiercony.

Aby dodatkowo ograniczyć operację wiercenia wstecznego, zawęź zakres reguły. Jeśli na przykład chcesz rozwiercać tylko przelotki, a nie pady przewlekane, możesz zmienić zakres reguły na InNetClass('IO') and IsVia.

Definiowanie właściwości wiercenia wstecznego

Podczas wiercenia wstecznego otworu przelotowego do usunięcia niepożądanej miedzi używa się wiertła o większej średnicy.

    
Ponowne rozwiercenie otworu wiertłem o większej średnicy na określoną głębokość usuwa niewykorzystany odcinek metalizacji przelotki, poprawiając integralność sygnału w tym torze.

Wszystkie operacje wiercenia między warstwami definiuje się przez dodanie definicji wiercenia z warstwą początkową i końcową na karcie Back Drills w Menedżerze stosu warstw. Karta jest dostępna dopiero po włączeniu funkcji wiercenia wstecznego w Menedżerze stosu warstw. Aby ją włączyć, wybierz Tools » Features » Back Drills lub kliknij przycisk  i wybierz Back Drills.

Po włączeniu funkcji przejdź na kartę Back Drills i kliknij przycisk  , aby dodać nową definicję wiercenia wstecznego.

Następnym krokiem jest skonfigurowanie warstw objętych wierceniem wstecznym zgodnie z poniższym opisem.

Głębokość wiercenia

Głębokość wiercenia wstecznego jest wartością obliczaną, a nie liczbą wprowadzaną w oknie dialogowym. Użytkownik określa pierwszą i ostatnią warstwę, a oprogramowanie oblicza głębokość wymaganą do rozwiercenia wszystkich warstw między nimi, z uwzględnieniem grubości pierwszej warstwy, ale bez grubości ostatniej (wiercenie wsteczne kończy się przed tą warstwą). Parametry First layer i Last layer definiuje się w panelu Właściwości w trybie Menedżera stosu warstw (przy wybranej karcie Wiercenie wsteczne). Aby uzyskać dostęp do sekcji Back Drill w Properties panelu, pokazanej poniżej, w stosie warstw muszą być zdefiniowane operacje wiercenia wstecznego.

Otwór jest rozwiercany do ostatniej warstwy wskazanej w polu Last layer , ale bez jej naruszania. Głębokość wiercenia jest określana na podstawie:

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

Grubości warstw to wartości wprowadzone w Menedżerze stosu warstw.

Panel właściwości

Gdy aktywna jest karta Back Drills dokumentu stosu warstw, panel Properties służy do określania zakresów warstw, które mają zostać objęte wierceniem wstecznym.

• Back Drill
  • Name – nazwa wiercenia wstecznego.
  • First layer – pierwsza warstwa objęta wierceniem wstecznym.
  • Last layer – ostatnia warstwa objęta wierceniem wstecznym.
  • Mirror – po włączeniu tej opcji tworzony jest lustrzany odpowiednik bieżącego wiercenia wstecznego, obejmujący symetryczne warstwy w stosie. Ta opcja jest dostępna tylko wtedy, gdy włączona jest opcja Stack Symmetry.
• Board
  • Stack Symmetry – włącz tę opcję, aby dodawać warstwy w dopasowanych parach, symetrycznie względem środkowej warstwy dielektrycznej. Po jej włączeniu stos warstw jest natychmiast sprawdzany pod kątem symetrii względem środkowej warstwy dielektrycznej. Jeśli dowolna para warstw znajdujących się w jednakowej odległości od środkowej referencyjnej warstwy dielektrycznej nie jest identyczna, otwiera się okno dialogowe Stos nie jest symetryczny.

• Library Compliance – po włączeniu tej opcji bieżące właściwości każdej warstwy, której materiał wybrano z biblioteki materiałów, są sprawdzane pod kątem zgodności z wartościami definicji tego materiału w bibliotece.

• Substack – informacje te dotyczą aktualnie wybranego podstosu (warstw, dielektryków, grubości itp.). Po przełączeniu na inny podstos informacje są odpowiednio aktualizowane.

• Stack Name – wprowadź nazwę podstosu. Nadanie nazwy podstosowi jest przydatne podczas przypisywania podstosu warstw do obszaru stosu w płaszczyźnie X/Y.
• Is Flex – włącz tę opcję, jeśli podstos jest elastyczny.
• Layers – liczba warstw przewodzących.
• Dielectrics – liczba warstw dielektrycznych.
• Conductive Thickness – suma grubości wszystkich warstw sygnałowych i płaszczyznowych (wszystkich warstw miedzianych lub przewodzących).
• Dielectric Thickness – grubość warstwy lub warstw dielektrycznych.
• Total Thickness – całkowita grubość gotowej płytki.

Średnica wiertła

Średnica wiertła obliczana na podstawie:

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

Zamiast wprowadzać konkretną średnicę wiertła do wiercenia wstecznego, określ, o ile ma być ona większa od pierwotnej średnicy otworu przelotki lub pola lutowniczego. Naddatek określa się w regule projektowej jako wartość promieniową, wraz z wymaganiami dotyczącymi tolerancji otworów wykonywanych przez wiercenie wsteczne, jak pokazano poniżej.

Średnica wiertła używanego do wiercenia wstecznego jest równa pierwotnej średnicy otworu przelotki lub pola lutowniczego powiększonej o dwukrotność naddatku wiercenia wstecznego określonego w regule projektowej. Należy pamiętać, że naddatek jest podawany jako wartość promieniowa.

Wyświetlanie otworów z wierceniem wstecznym na ekranie

Otwory poddane wierceniu wstecznemu są wyświetlane z dodatkowym dwukolorowym pierścieniem o następujących właściwościach:

• Wewnętrzny okrąg odpowiada pierwotnej średnicy otworu przelotki (kolor brązowy) lub pola lutowniczego (kolor zielony/niebieski).
• Dwukolorowy pierścień przedstawia kolor pierwszej i ostatniej warstwy objętej wierceniem wstecznym.
• Szerokość kolorowego łuku odpowiada wartości BackDrill OverSize zdefiniowanej w regule projektowej. Zewnętrzna średnica okręgu wyznaczonego przez dwa kolorowe łuki jest rzeczywistą średnicą otworu wiercenia wstecznego, która będzie widoczna jako średnica wiertła w trybie Edytor średnic otworów panelu PCB. 
• Wyświetlanie kolorowego pierścienia zależy od tego, która warstwa jest aktualnie aktywna w edytorze PCB. Na przykład na pierwszej ilustracji poniżej aktywna jest warstwa górna, a na drugiej — warstwa dolna. Jeśli aktywna warstwa nie jest objęta wierceniem wstecznym (na przykład gdyby w przypadku przelotki pokazanej poniżej aktywna była warstwa Mid Layer 2 lub Mid Layer 3), wiercenie wsteczne nie byłoby w ogóle widoczne. Widoczny byłby jedynie brązowy otwór przelotki otoczony wielowarstwowym polem kontaktowym.

  
Ta sama przelotka pokazana po lewej z aktywną warstwą górną, na środkowej ilustracji z aktywną warstwą dolną oraz po prawej w trybie 3D.

Sprawdzanie wiercenia wstecznego w edytorze średnic otworów

Otwory wiercenia wstecznego można również lokalizować i przeglądać w trybie Edytor średnic otworów ustawionym w panelu PCB.

Na poniższej ilustracji kliknięto w panelu wiercenie wsteczne o średnicy 14 milsów. Widok zostaje przybliżony do otworów poddanych temu wierceniu, a otwory są wyróżnione wraz z warstwami początkowymi i końcowymi. Zauważ, że w panelu widocznych jest siedem przelotek z wierceniem wstecznym, ale w obszarze projektowym widać ich tylko pięć. Wynika to z faktu, że druga i trzecia przelotka są wiercone wstecznie zarówno od góry, jak i od dołu, a ponieważ aktywna jest warstwa górna, przelotki te są obecnie wyświetlane jako wiercone wstecznie od góry.

Sprawdzanie nieużywanych odcinków przelotek

Reguła projektowa Maksymalna długość nieużywanego odcinka przelotki (wiercenie wsteczne) służy zarówno do lokalizowania potencjalnych miejsc wiercenia wstecznego, jak i do sprawdzania pozostałych nieużywanych odcinków.

Podczas kontroli reguł projektowych wszystkie przelotki i pola lutownicze objęte regułą są sprawdzane pod kątem nieużywanych odcinków o długości przekraczającej wartość Max Stub Length ustawioną w regule projektowej. Należy pamiętać, że sprawdzane są wszystkie pola lutownicze i przelotki objęte regułami projektowymi Maximum Via Stub Length (Back drilling), a nie tylko te, które zostały lub nie zostały poddane wierceniu wstecznemu.

Reguła sprawdza długość każdego pozostałego nieużywanego odcinka. Na poniższej ilustracji, mimo że przelotka została poddana wierceniu wstecznemu (zgodnie ze zdefiniowanymi zakresami wiercenia), pozostały nieużywany odcinek jest dłuższy niż 7 milsów dopuszczone przez odpowiednią regułę projektową, dlatego zgłaszane jest naruszenie reguły.

Kontrola reguł projektowych oznacza każdy nieużywany odcinek, którego długość przekracza maksymalną długość dopuszczoną przez regułę projektową.
Ta przelotka nie spełnia wymagań, ponieważ pozostały nieużywany odcinek jest dłuższy niż 7 milsów.

Generowanie plików wyjściowych

Generowanie plików wyjściowych dla wiercenia wstecznego nie wymaga dodatkowych działań. Jeśli potrzebne są dodatkowe pliki wyjściowe dla wierceń, są one generowane automatycznie.

Wiercenie wsteczne jest bardzo podobne do stosowania przelotek nieprzelotowych (które również wymagają zdefiniowania pary warstw początkowej i końcowej w menedżerze stosu warstw), określającej wymagania dotyczące wiercenia między tymi warstwami. Różnica polega na tym, że przelotki nieprzelotowe są metalizowane, natomiast wiercenie wsteczne przelotek lub pól lutowniczych jest operacją wiercenia bez metalizacji. Otwory niemetalizowane wykonuje się zasadniczo po zakończeniu procesu wytwarzania, tj. po trawieniu, laminowaniu, wierceniu i metalizacji otworów przelotowych. 

Raport wiercenia wstecznego

Aby wygenerować raport podsumowujący wszystkie operacje wiercenia wstecznego w projekcie, kliknij prawym przyciskiem myszy obszar Unique Holes panelu PCB w trybie Edytor rozmiarów otworów, a następnie wybierz Backdrill Report z menu kontekstowego.

Wygeneruj raport wszystkich operacji wiercenia wstecznego na bieżącej płytce PCB.

Otworzy się okno dialogowe Report Preview. Kliknij przycisk Export, aby wybrać typ pliku i lokalizację jego zapisu, a następnie wprowadź nazwę pliku.

Symbole otworów, tabela wierceń i rysunek wierceń

Symbole otworów są przypisywane automatycznie i można je zmienić w oknie dialogowym Drill Symbols. Symbole są wyświetlane na warstwie Drill Drawing w obszarze projektowania PCB, jeśli w oknie dialogowym Drill Symbols włączona jest opcja Show Drill Symbols. Okno to można otworzyć, klikając prawym przyciskiem myszy obszar Unique Holes panelu lub kartę warstwy Drill Drawing, jak pokazano poniżej.

Skonfiguruj przypisania symboli otworów i włącz ich wyświetlanie w oknie dialogowym Drill Symbols.

Ponieważ wiercenie wsteczne obejmuje wiercenie w tym samym miejscu wiertłami o różnych średnicach, symbole otworów w tych miejscach będą się nakładać. Użyj selektora pary warstw, aby określić, która para warstw jest aktualnie wyświetlana, jak pokazano na poniższych ilustracjach.

  
Kliknij lewym przyciskiem myszy ikonę trójkąta, aby wybrać parę warstw wiercenia, która ma być wyświetlana.

Umieszczoną tabelę wierceń można skonfigurować tak, aby pokazywała wszystkie pary warstw wiercenia lub tylko określoną parę. Poniższa ilustracja pochodzi z projektu z wierceniem wstecznym zarówno od górnej, jak i dolnej strony płytki, dlatego umieszczono w nim trzy tabele. Zwróć uwagę na kolumnę Drill Layer Pair; wskazuje ona funkcję każdej tabeli.

Umieszczono trzy tabele wierceń: pierwsza przedstawia otwory przelotowe, druga — wiercenie wsteczne od górnej strony, a trzecia — wiercenie wsteczne od dolnej strony.

Wiercenie NC

Dla każdej zdefiniowanej pary warstw wiercenia generowany jest osobny plik wierceń NC. Należy pamiętać, że osobny plik jest również tworzony dla każdego kształtu otworu (okrągłego, prostokątnego lub podłużnego).

Plik raportu wierceń (<ProjectName>.DRR) zawiera podsumowanie przypisań narzędzi wiertniczych, ich rozmiarów oraz funkcji i nazw poszczególnych wygenerowanych plików wierceń.

Okno dialogowe Konfiguracja wiercenia NC zawiera opcję Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes . Pliki wyjściowe wierceń NC zawsze obejmują wszystkie operacje wiercenia. Jeśli ta opcja jest włączona, operacje wiercenia otworów metalizowanych i niemetalizowanych są zapisywane w osobnych plikach. Są one identyfikowane przez dodatkowy ciąg znaków w nazwie pliku w formacie <DesignName>-Plated lub <DesignName>-NonPlated.

Operacje wiercenia wstecznego są zawsze zapisywane w osobnych plikach, z których każdy ma unikatowe rozszerzenie. Na przykład mogą one nosić nazwy <DesignName>-BackDrill.TX3 dla operacji wiercenia wstecznego od górnej strony oraz <DesignName>-BackDrill.TX4 dla operacji od dolnej strony.

Raport wierceń podsumowuje przypisanie wierceń do narzędzi, liczbę otworów o poszczególnych rozmiarach oraz pliki wierceń, w których są one opisane.

Gerber X2

Gerber X2 nie jest jedynie standardem zapisu danych produkcyjnych dla zestawu warstw PCB (który wymaga dodatkowych plików wierceń NC do wyprodukowania płytki bez zamontowanych elementów), lecz dostarcza wszystkie dane potrzebne do wprowadzenia projektu do procesu CAM producenta. Format Gerber X2 konfiguruje się w oknie dialogowym Konfiguracja Gerber X2.

Obejmuje to:

• Funkcję pliku Gerber: górna warstwa miedzi, górna maska lutownicza itp.
• Typ części: pojedyncza płytka PCB, panel itp.
• Funkcję obiektu: pole lutownicze SMD, pole przelotki itp.
• Tolerancje otworów
• Położenie ścieżek o kontrolowanej impedancji
• Wypełnione przelotki

Jeśli projekt zawiera otwory wiercone wstecznie, dane wyjściowe Gerber X2 będą automatycznie obejmować dodatkowe pliki wierceń o nazwach takich jak:

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

Te pliki wiercenia wstecznego zawierają instrukcje w formacie Gerber X2, takie jak:

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

Ten wiersz nakazuje oprogramowaniu CAM traktować zawartość pliku jako operacje wiercenia nieprzelotowych otworów niemetalizowanych między warstwami sygnałowymi 1 i 3.

Rozmiary otworów są definiowane za pomocą apertur, których definicję poprzedza instrukcja deklarująca je jako rozmiary otworów.

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

W przypadku danych wyjściowych ODB++ dla każdej zdefiniowanej pary warstw wiercenia wstecznego zostanie utworzony dodatkowy folder wierceń. Foldery te będą miały nazwy takie jak \drill1, \drill2. Zawierają one standardowe pliki wierceń ODB.

IPC-2581

Obsługa IPC-2581 zostanie dodana w przyszłej aktualizacji.

Draftsman

Draftsman to idealne narzędzie do tworzenia wysokiej jakości dokumentacji projektu. Jeśli w projekcie zdefiniowano pary warstw wiercenia wstecznego, zostaną one wyświetlone w legendzie stosu warstw, co pozwoli szybko stwierdzić ich obecność.

Umieść legendę stosu warstw, aby wyświetlić pary warstw używane do wiercenia wstecznego, oraz tabele wierceń dla zestawów otworów każdej pary warstw.

Tabelę wierceń można również skonfigurować tak, aby pokazywała każdą parę warstw wiercenia wstecznego, co pozwala szybko określić wymagane rozmiary i liczbę otworów do wiercenia wstecznego.