Wiercenie z kontrolowaną głębokością (wiercenie wsteczne)

Wiercenie o kontrolowanej głębokości (CDD), znane również jako back drilling, to technika stosowana do usuwania niewykorzystanej części, czyli „kikuta” (stub), miedzianej tulei (barrel) z otworu przelotowego w płytce drukowanej. Gdy sygnał o wysokiej szybkości przechodzi między warstwami PCB przez miedzianą tuleję, może ulec zniekształceniu. Jeśli wykorzystanie warstw sygnałowych powoduje pozostawienie kikuta i kikut jest długi, zniekształcenia mogą stać się istotne.

Te kikuty można usunąć, wykonując ponowne przewiercenie tych otworów wiertłem o nieco większej średnicy po zakończeniu procesu wytwarzania. Otwory są przewiercane od strony przeciwnej (back drilled) do kontrolowanej głębokości blisko, ale bez dotykania, ostatniej warstwy użytej przez przelotkę. Uwzględniając tolerancje produkcyjne i zmienność materiałów, dobry producent potrafi wykonać back drilling tak, aby pozostawić kikut 7 mil; idealnie, pozostały kikut będzie mniejszy niż 10 mil.

Przelotka służy do połączenia dwóch warstw wewnętrznych, co skutkuje niewykorzystaną tuleją (kikutami) powyżej i poniżej.
Te kikuty można usunąć, stosując wiercenie o kontrolowanej głębokości.

Aby usunąć kikuty, przelotka po lewej jest przewiercana od góry; przelotka po prawej jest przewiercana z obu stron. Zwróć uwagę, że obie przelotki mają pewien pozostały kikut.

Najczęściej stosowane dla przelotek, a także dla wciskanych (press-fit) złączy backplane, back drilling stanowi opłacalne rozwiązanie pomagające kontrolować jakość sygnału dla szybkich ścieżek sygnałowych. Jest tańsze niż technika sekwencyjnej laminacji stosowana dla przelotek ślepych i zagrzebanych.

Back drilling realizuje się poprzez:

• Zdefiniowanie reguły projektowej Maximum Via Stub Length (Back drilling), która określa interesujące sieci (nety) oraz maksymalną dopuszczalną długość kikuta. Zwróć uwagę, że ta długość kikuta nie jest ustawieniem wiercenia; to wartość, której oprogramowanie używa do sprawdzania pozostałych kikutów podczas zbiorczego DRC.
• Głębokość, do której otwór jest przewiercany, definiuje się przez skonfigurowanie pary wierceń (drill pair) określającej warstwy startową i końcową dla back drill. Jako warstwy startową i końcową dla back drill można zdefiniować dowolne warstwy miedzi.
• Średnica wiertła używanego do back drill jest definiowana przez ustawienie Via/Pad hole size + 2 x Oversize w odpowiedniej regule projektowej Maximum Via Stub Length (Back drilling).
• Łączenie obiektów trasowania świadomych sieci (net-aware) z padem lub przelotką w celu zdefiniowania pary warstw używanych do prowadzenia sygnału.

Wskazywanie otworów do back drill

Poinformuj oprogramowanie, że istnieją otwory do back drill, dodając regułę projektową Maximum Via Stub Length (Back drilling). Zakres (scope) reguły projektowej określa, które przelotki lub pady mają być wiercone. Zwykle back drill wykonuje się selektywnie dla wybranych sieci, np. sieci wysokich prędkości; w takim przypadku zakres może wyglądać np. jak InNet('Clock') lub InNetClass('HighSpeedNets').

Zakres reguły określa, do których obiektów reguła ma zostać zastosowana. Ta reguła wskazuje przelotki w klasie sieci IO.

Na przykład, jeśli zakres to InNetClass('IO'), wtedy wszystkie przelotki i pady w tych sieciach potencjalnie mogą zostać poddane back drill. Otwory, które faktycznie zostaną przewiercone, zależą od tego, na jakich warstwach poprowadzono te sygnały oraz jakie pary back drill zostały zdefiniowane. Jeśli otwór nie ma połączeń na warstwach w zakresie warstw back drill, ten otwór zostanie poddany back drill.

Aby dodatkowo ograniczyć operację back drill, zawęź zakres reguły. Na przykład, jeśli chcesz wykonywać back drill tylko dla przelotek, a nie dla padów przelotowych, możesz zmienić zakres reguły na InNetClass('IO') and IsVia.

Definiowanie właściwości back drill

Podczas back drill tulei otworu przelotowego używa się wiertła o większej średnicy, aby usunąć niepożądaną miedź.

    
Poprzez ponowne przewiercenie otworu wiertłem o większej średnicy do określonej głębokości usuwa się niewykorzystaną część tulei przelotki, poprawiając integralność tej ścieżki sygnałowej.

Wszystkie działania wiercenia warstwa-warstwa definiuje się, dodając definicję wiercenia start layer–stop layer w zakładce Back Drills w Layer Stack Manager. Zakładka nie jest dostępna, dopóki funkcja Back Drill nie zostanie włączona w Layer Stack Manager; wybierz Tools » Features » Back Drills, aby ją włączyć, lub kliknij przycisk  i wybierz Back Drills.

Po włączeniu funkcji przejdź do zakładki Back Drills i kliknij przycisk  , aby dodać nową definicję Back Drill.

Następnym krokiem jest skonfigurowanie warstw, które mają być poddane back drill, jak opisano poniżej.

Głębokość wiercenia

Głębokość back drill jest wartością obliczaną, a nie liczbą wprowadzaną w oknie dialogowym. Definiujesz pierwszą i ostatnią warstwę, a oprogramowanie oblicza wymaganą głębokość wiercenia, aby przewiercić wszystkie warstwy pomiędzy pierwszą i ostatnią, uwzględniając grubość pierwszej warstwy, ale nie grubość ostatniej warstwy (back drill zatrzymuje się na tej warstwie). First layer i Last layer są definiowane w panelu Properties panel in Layer Stack Manager mode (z wybraną zakładką Back Drills tab). Aby uzyskać dostęp do obszaru Back Drill w Properties panelu, jak pokazano poniżej, w stosie warstw muszą być zdefiniowane back drill.

Otwór jest wiercony do ostatniej warstwy wskazanej w polu Last layer , ale bez jej dotykania. Głębokość operacji wiercenia jest określana przez:

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

Grubości warstw to wartości wprowadzone w Layer Stack Manager.

Panel właściwości

Gdy aktywna jest zakładka Back Drills dokumentu Layer Stack, panel Properties służy do definiowania zakresów warstw (layer-spans), które mają być poddane back drill.

• Back Drill
  • Name – nazwa back drill.
  • First layer – pierwsza warstwa, którą obejmuje back drill.
  • Last layer – ostatnia warstwa, którą obejmuje back drill.
  • Mirror – po włączeniu tworzona jest lustrzana kopia bieżącego back drill obejmująca warstwy symetryczne w stosie warstw. Ta opcja jest dostępna tylko wtedy, gdy włączona jest opcja Stack Symmetry.
• Board
  • Stack Symmetry – włącz, aby dodawać warstwy w dopasowanych parach, wyśrodkowanych względem środkowej warstwy dielektrycznej. Po włączeniu stos warstw jest natychmiast sprawdzany pod kątem symetrii względem centralnej warstwy dielektrycznej. Jeśli jakakolwiek para warstw w równej odległości od centralnej warstwy odniesienia dielektryka nie jest identyczna, otworzy się okno dialogowe Stack is not symmetric dialog.

• Library Compliance – po włączeniu, dla każdej warstwy wybranej z Material Library, bieżące właściwości warstwy są porównywane z wartościami definicji tego materiału w bibliotece.

• Substack – te informacje dotyczą aktualnie wybranego podstosu (warstwy, dielektryk, grubości itp.). Podczas przełączania między podstosami informacje te będą się odpowiednio aktualizować (dla aktualnie wybranego podstosu).

• Stack Name – wprowadź nazwę podstosu. Nadanie nazwy podstosowi jest przydatne, gdy w obszarze X/Y stackup przypisywany jest podstos warstw.
• Is Flex – włącz, jeśli podstos jest elastyczny (flex).
• Layers – liczba warstw przewodzących.
• Dielectrics – liczba dielektryków.
• Conductive Thickness – suma grubości wszystkich warstw sygnałowych i płaszczyzn (wszystkich warstw miedzi/przewodzących).
• Dielectric Thickness – grubość warstwy (warstw) dielektrycznej.
• Total Thickness – całkowita grubość gotowej płytki.

Rozmiar wiertła

Średnica wiertła obliczana na podstawie:

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

Zamiast wprowadzać konkretny rozmiar wiertła dla back drill, zdefiniuj, o ile back drill ma być większy od pierwotnego rozmiaru otworu przelotki lub pada. Naddatek (oversize) jest określany jako wartość promieniowa w regule projektowej, wraz z wymaganiami tolerancji dla otworów back drill, jak pokazano poniżej.

Rozmiar wiertła używanego do back drill to pierwotny rozmiar otworu przelotki lub pada plus dwukrotność wartości Backdrill Oversize określonej w regule projektowej. Zwróć uwagę, że Oversize jest podawany jako wartość promieniowa.

Wyświetlanie na ekranie otworów po back drill

Wyświetlanie otworów poddanych back drilling obejmuje dodatkowy dwukolorowy pierścień o następujących właściwościach:

• Wewnętrzny okrąg odpowiada pierwotnemu rozmiarowi otworu przelotki (brązowy) lub pada (zielony/niebieski).
• Dwukolorowy pierścień oznacza kolor pierwszej warstwy oraz kolor ostatniej warstwy back drillingu.
• Szerokość kolorowego łuku to wartość BackDrill OverSize zdefiniowana w regule projektowej. Zewnętrzna średnica okręgu wyznaczonego przez dwa kolorowe łuki to rzeczywisty rozmiar otworu back drill, który będzie widoczny jako rozmiar wiercenia w trybie Hole Size Editor w panelu PCB. 
• Wyświetlanie kolorowego pierścienia zależy od tego, która warstwa jest aktualnie aktywna w edytorze PCB. Na przykład pierwszy obraz poniżej pokazuje sytuację z aktywną warstwą górną, a drugi — z aktywną warstwą dolną. Jeśli aktywna warstwa nie jest objęta back drillingiem (na przykład gdyby aktywną warstwą była Mid Layer 2 lub Mid layer 3 w pokazanej poniżej przelotce), wówczas back drill nie byłby w ogóle wyświetlany. Zobaczysz po prostu brązowy otwór przelotki otoczony wielowarstwowym obszarem pola lutowniczego (land).

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

Sprawdzanie back drillingu w Hole Size Editor

Back drille można również lokalizować i przeglądać w trybie Hole Size Editor ustawionym w panelu PCB.

Na poniższym obrazie w panelu kliknięto back drill o rozmiarze 14 mil. Widok przybliża się do tych otworów poddanych back drillingowi, podświetlając je wraz z warstwami start i stop. Zwróć uwagę, że w panelu widać siedem przelotek z back drillingiem, ale w przestrzeni projektu pokazanych jest tylko pięć. Wynika to z faktu, że druga i trzecia przelotka są poddane back drillingowi zarówno od strony górnej, jak i dolnej, a ponieważ aktywna jest warstwa górna, te przelotki są obecnie pokazywane jako back drill od strony górnej.

Sprawdzanie stubów

Reguła projektowa Maximum Via Stub Length (Back drilling) służy zarówno do lokalizowania potencjalnych miejsc back drillingu, jak i do testowania pozostałych stubów.

Podczas sprawdzania reguł projektowych wszystkie odpowiednie przelotki i pady są testowane pod kątem stubów o długości większej niż Max Stub Length skonfigurowana w regule projektowej. Zwróć uwagę, że testowane są wszystkie pady i przelotki objęte regułami Maximum Via Stub Length (Back drilling), a nie tylko te, które są poddane back drillingowi lub te, które nie zostały poddane back drillingowi.

Reguła sprawdza długość dowolnego pozostałego stuba. Na poniższym obrazie, mimo że przelotka została poddana back drillingowi (zgodnie ze zdefiniowanymi back drillami), pozostały stub jest większy niż 7 mil dozwolone przez odpowiednią regułę projektową, więc zgłaszane jest naruszenie reguły.

Sprawdzenie reguł projektowych (DRC) zgłasza każdy stub, który jest większy niż maksymalna długość stuba dozwolona przez regułę projektową.
Ta przelotka nie przechodzi kontroli, ponieważ pozostały stub jest większy niż 7 mil.

Generowanie wyjść

Generowanie danych wyjściowych dla back drillingu jest transparentne. Jeśli potrzebne są dodatkowe pliki wyjściowe typu drill, są one generowane automatycznie.

Back drilling jest bardzo podobny do użycia przelotek ślepych (blind vias) (one również wymagają zdefiniowania pary pierwsza/ostatnia warstwa w Layer Stack Manager), co określa wymagania wiercenia pomiędzy tą parą. Różnica polega na tym, że przelotki ślepe są metalizowane, natomiast przelotki lub pady poddane back drillingowi są zdarzeniem wiercenia niemetalizowanego. Otwory niemetalizowane są zasadniczo procesem post-fabrykacyjnym, tzn. wiercenie odbywa się po trawieniu, laminacji, wierceniu oraz metalizacji otworów przelotowych. 

Raport back drill

Aby wygenerować raport podsumowujący wszystkie zdarzenia back drill w projekcie, kliknij prawym przyciskiem myszy w obszarze Unique Holes panelu PCB w trybie Hole Size Editor , a następnie wybierz Backdrill Report z menu kontekstowego.

Wygeneruj raport wszystkich zdarzeń back drill w bieżącym PCB.

Otworzy się okno dialogowe Report Preview. Kliknij przycisk Export, aby wybrać typ pliku, lokalizację, w której ma zostać zapisany, a następnie wprowadź nazwę pliku.

Symbole wierceń, tabela wierceń i rysunek wierceń

Symbole wierceń są przypisywane automatycznie i można je ponownie skonfigurować w oknie dialogowym Drill Symbols. Symbole są wyświetlane na warstwie Drill Drawing w przestrzeni projektu PCB jeśli opcja Show Drill Symbols jest włączona w oknie dialogowym Drill Symbols. Do okna dialogowego można przejść, klikając prawym przyciskiem myszy w obszarze Unique Holes panelu lub na zakładce warstwy Drill Drawing, jak pokazano poniżej.

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

Ponieważ back drilling polega na wierceniu w tym samym miejscu wiertłami o różnych średnicach, symbole wierceń będą się w tych lokalizacjach nakładać (będą „ułożone w stos”). Użyj selektora par warstw, aby kontrolować, która para warstw jest aktualnie wyświetlana, jak pokazano na obrazach poniżej.

  
Kliknij lewym przyciskiem ikonę trójkąta, aby wybrać, którą parę wierceń chcesz wyświetlić.

Umieszczoną tabelę wierceń można skonfigurować tak, aby pokazywała wszystkie pary warstw wierceń, albo tak, aby pokazywała konkretną parę warstw. Poniższy obraz pochodzi z projektu z back drillingiem zarówno od strony górnej, jak i dolnej płytki, dlatego umieszczono trzy tabele. Zwróć uwagę na kolumnę Drill Layer Pair; wskazuje ona funkcję każdej tabeli.

Umieszczono trzy tabele wierceń: pierwsza pokazuje otwory przelotowe, druga back drille od strony górnej, a trzecia back drille od strony dolnej.

NC Drill

Dla każdej zdefiniowanej pary wierceń wyjście NC drill wygeneruje unikalny plik wierceń. Zwróć uwagę, że generowany jest także osobny plik dla każdego typu kształtu otworu (okrągły, prostokątny lub szczelinowy).

Plik raportu wierceń (<ProjectName>.DRR) zawiera podsumowanie przypisań narzędzi wiertarskich, ich rozmiarów oraz roli i nazwy każdego z różnych wygenerowanych plików wierceń.

Okno dialogowe NC Drill Setup zawiera opcję Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes . Pliki wyjściowe NC drill zawsze zawierają wszystkie zdarzenia wiercenia. Jeśli ta opcja jest włączona, zdarzenia wiercenia metalizowane i niemetalizowane są zamiast tego zapisywane do oddzielnych plików. Są one identyfikowane dodatkowym ciągiem w nazwie pliku w formacie <DesignName>-Plated lub <DesignName>-NonPlated.

Zdarzenia back drill są zawsze zapisywane do własnych plików, z których każdy jest identyfikowany unikalnym rozszerzeniem pliku. Na przykład mogą one mieć nazwy <DesignName>-BackDrill.TX3 dla zdarzeń back drill od strony górnej oraz <DesignName>-BackDrill.TX4 dla zdarzeń back drill od strony dolnej.

Raport wierceń podsumowuje przypisanie wierceń do narzędzi, liczbę otworów dla każdego rozmiaru oraz pliki wierceń, w których są one wyszczególnione.

Gerber X2

Gerber X2 nie jest jedynie standardem do generowania danych produkcyjnych dla zestawu warstw PCB (co wymaga dodania plików NC drill do produkcji „gołej” płytki), lecz generuje wszystkie dane potrzebne do wprowadzenia projektu do procesu CAM producenta. Gerber X2 konfiguruje się w oknie dialogowym Gerber X2 Setup.

Obejmuje to:

• Funkcję pliku Gerber: górna warstwa miedzi, górna maska lutownicza itd.
• Część: pojedyncze PCB, panel itd.
• Funkcję obiektu: pad SMD, pad przelotki itd.
• Tolerancje wierceń
• Lokalizacje ścieżek o kontrolowanej impedancji
• Wypełnione przelotki

Jeśli w projekcie występują otwory poddane back drillingowi, wyjście Gerber X2 automatycznie dołączy dodatkowe pliki wierceń z nazwą pliku, taką jak:

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

Te pliki back drill zawierają instrukcje w formacie Gerber X2, takie jak:

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

Ta linia instruuje oprogramowanie CAM, aby traktowało zawartość tego pliku jako niemetalizowane zdarzenia wiercenia ślepego, pomiędzy warstwami sygnałowymi 1 i 3.

Rozmiary wierceń są definiowane za pomocą apertur, których definicja jest poprzedzona instrukcją deklarującą je jako rozmiary wierceń.

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

Dla wyjścia ODB++ zostanie utworzony dodatkowy folder drill dla każdej zdefiniowanej pary warstw back drill. Będą one miały nazwy takie jak \drill1, \drill2. Foldery te zawierają standardowe pliki wierceń ODB.

IPC-2581

Obsługa IPC-2581 zostanie dodana w przyszłej aktualizacji.

Draftsman

Draftsman to idealne narzędzie do tworzenia wysokiej jakości dokumentacji dla Twojego projektu. Jeśli w projekcie zdefiniowano pary warstw typu back drill, legenda stosu warstw (Layer Stack Legend) wyświetli je, co ułatwia szybkie potwierdzenie ich obecności.

Umieść Layer Stack Legend, aby wyświetlić pary warstw używane do back drillingu, oraz tabele wierceń dla każdego zestawu wierceń par warstw.

Możesz także skonfigurować tabelę wierceń tak, aby pokazywała każdą parę warstw back drill, co ułatwia szybkie zidentyfikowanie rozmiarów wierteł i liczby otworów wymaganych dla back drillingu.