Perfuração de Profundidade Controlada (Back Drilling)

A furação com profundidade controlada (CDD), também conhecida como back drilling, é uma técnica usada para remover a porção não utilizada, ou stub, do cilindro de cobre de um furo passante em uma placa de circuito impresso. Quando um sinal de alta velocidade passa entre as camadas da PCB por um cilindro de cobre, ele pode sofrer distorção. Se as camadas usadas pelo sinal resultarem na presença de um stub e ele for longo, essa distorção pode se tornar significativa.

Esses stubs podem ser removidos perfurando novamente os furos com uma broca ligeiramente maior após a conclusão da fabricação. O back drilling dos furos é realizado até uma profundidade controlada próxima à última camada usada pela via, mas sem tocá-la. Considerando as variações de fabricação e dos materiais, um bom fabricante consegue realizar o back drilling deixando um stub de 7 mil; idealmente, o stub remanescente deve ter menos de 10 mil.

A via é usada para conectar as duas camadas internas, deixando trechos não utilizados do cilindro de cobre (stubs) acima e abaixo.
Esses stubs podem ser removidos usando furação com profundidade controlada.

Para remover os stubs, a via à esquerda recebe back drilling pelo lado superior; a via à direita recebe back drilling pelos dois lados. Observe que ambas as vias ainda apresentam um pequeno stub remanescente.

Mais comumente usado em vias e também em conectores press-fit de backplane, o back drilling oferece uma solução econômica para ajudar a controlar a qualidade do sinal em caminhos de sinais de alta velocidade. Seu custo é menor que o da técnica de laminação sequencial usada para vias cegas e enterradas.

O back drilling é realizado por meio das seguintes etapas:

• Definir uma regra de projeto de Comprimento máximo do stub de via (Back drilling), que especifica as nets de interesse e o comprimento máximo permitido para o stub. Observe que esse comprimento do stub não é uma configuração de furação; é o valor que o software usa para verificar os stubs remanescentes durante uma DRC em lote.
• A profundidade do back drilling é definida pela configuração de um par de furação que especifica as camadas inicial e final para o back drilling. Quaisquer camadas de cobre podem ser definidas como camadas inicial e final para o back drilling.
• O diâmetro da broca usada no back drilling é definido pela configuração Via/Pad hole size + 2 x Oversize na regra de projeto Maximum Via Stub Length (Back drilling) aplicável.
• Conectar objetos de roteamento com net atribuída a um pad ou a uma via para definir um par de camadas usadas para rotear um sinal.

Selecionando os furos para back drilling

Indique ao software que há furos a serem submetidos a back drilling adicionando uma regra de projeto de Comprimento máximo do stub de via (Back drilling). O escopo da regra de projeto define quais vias ou pads devem ser perfurados. Normalmente, o back drilling é realizado apenas em nets selecionadas, como as nets de alta velocidade. Nesse caso, o escopo poderia ser algo como InNet('Clock') ou InNetClass('HighSpeedNets').

O escopo da regra define a quais objetos ela deve ser aplicada. Esta regra se aplica às vias da classe de nets IO.

Por exemplo, se o escopo for InNetClass('IO'), todas as vias e pads dessas nets poderão, potencialmente, receber back drilling. Os furos que efetivamente receberão back drilling dependerão das camadas em que esses sinais são roteados e dos pares de back drilling definidos. Se um furo não tiver conexões nas camadas dentro do intervalo de camadas do back drilling, ele receberá back drilling.

Para limitar ainda mais a operação de back drilling, restrinja o escopo da regra. Por exemplo, se você quiser aplicar back drilling apenas às vias e não aos pads de furos passantes, poderá alterar o escopo da regra para InNetClass('IO') and IsVia.

Definindo as propriedades do back drilling

Ao realizar back drilling no cilindro de cobre de um furo passante, usa-se uma broca de diâmetro maior para remover o cobre indesejado.

    
Ao perfurar novamente o furo com uma broca de diâmetro maior até uma profundidade específica, a porção não utilizada do cilindro de cobre da via é removida, melhorando a integridade desse caminho de sinal.

Todas as operações de furação entre camadas são definidas adicionando uma definição de furação com camada inicial e camada final na aba Back Drills do Gerenciador de empilhamento de camadas. A aba só fica disponível quando o recurso Back Drill é habilitado no Gerenciador de empilhamento de camadas. Selecione Tools » Features » Back Drills para habilitá-lo ou clique no botão  e escolha Back Drills.

Depois de habilitar o recurso, acesse a aba Back Drills e clique no botão  para adicionar uma nova definição de back drilling.

A próxima etapa é configurar as camadas que receberão back drilling, conforme descrito abaixo.

Profundidade de furação

A profundidade do back drilling é um valor calculado, não um número inserido em uma caixa de diálogo. Você define a primeira e a última camada, e o software calcula a profundidade de furação necessária para atravessar todas as camadas entre elas, incluindo a espessura da primeira camada, mas não a da última (o back drilling para nessa camada). Os valores de First layer e Last layer são definidos no painel Propriedades no modo Gerenciador de empilhamento de camadas (com a aba Back Drills selecionada). É necessário haver definições de back drilling no empilhamento de camadas para acessar a região Back Drill do painel Properties , conforme mostrado abaixo.

O furo é perfurado até próximo da última camada especificada no campo Last layer , mas sem tocá-la. A profundidade da operação de furação é definida por:

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

As espessuras das camadas são os valores inseridos no Gerenciador de empilhamento de camadas.

Painel Propriedades

Quando a aba Back Drills do documento de empilhamento de camadas está ativa, o painel Properties é usado para definir os intervalos de camadas que precisam de retrofuração.

• Back Drill
  • Name – o nome da retrofuração.
  • First layer – a primeira camada abrangida pela retrofuração.
  • Last layer – a última camada abrangida pela retrofuração.
  • Mirror – quando habilitada, cria uma retrofuração espelhada em relação à atual, abrangendo as camadas simétricas no empilhamento de camadas. Esta opção só está disponível se a opção Stack Symmetry estiver habilitada.
• Board
  • Stack Symmetry – habilite para adicionar camadas em pares correspondentes, centrados na camada dielétrica central. Quando habilitada, o empilhamento de camadas é imediatamente verificado quanto à simetria em relação à camada dielétrica central. Se algum par de camadas equidistantes da camada dielétrica central de referência não for idêntico, a caixa de diálogo O empilhamento não é simétrico será aberta.

• Library Compliance – quando habilitada, as propriedades atuais de cada camada selecionada na Biblioteca de Materiais são verificadas em relação aos valores da definição desse material na biblioteca.

• Substack – estas informações se referem ao subempilhamento atualmente selecionado (camadas, dielétrico, espessuras etc.). Ao alternar de um subempilhamento para outro, estas informações serão atualizadas de acordo com o subempilhamento selecionado.

• Stack Name – insira o nome do subempilhamento. Nomear o subempilhamento é útil ao atribuir um subempilhamento de camadas à região X/Y do empilhamento.
• Is Flex – habilite se o subempilhamento for flexível.
• Layers – o número de camadas condutoras.
• Dielectrics – o número de dielétricos.
• Conductive Thickness – a soma das espessuras de todas as camadas de sinal e de plano (todas as camadas de cobre ou condutoras).
• Dielectric Thickness – a espessura da(s) camada(s) dielétrica(s).
• Total Thickness – a espessura total da placa acabada.

Diâmetro da broca

O diâmetro da broca é calculado a partir de:

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

Em vez de inserir um diâmetro específico de broca para a retrofuração, defina quanto a broca de retrofuração deve ser maior que o diâmetro original do furo da via ou do pad. O sobremetal é especificado como um valor radial na regra de projeto, juntamente com os requisitos de tolerância dos furos de retrofuração, conforme mostrado abaixo.

O diâmetro da broca usada para a retrofuração é igual ao diâmetro original do furo da via ou do pad, mais duas vezes o sobremetal de retrofuração especificado na regra de projeto. Observe que o sobremetal é especificado como um valor radial.

Exibição de furos retrofurados na tela

A exibição dos furos retrofurados inclui um anel bicolor adicional com as seguintes propriedades:

• O círculo interno corresponde ao diâmetro original do furo da via (marrom) ou do pad (verde/azul).
• O anel bicolor indica a cor da primeira camada e a cor da última camada da retrofuração.
• A largura do arco colorido corresponde ao valor de BackDrill OverSize definido na regra de projeto. O diâmetro externo do círculo definido pelos dois arcos coloridos é o diâmetro real do furo de retrofuração, que será listado como um diâmetro de broca no modo Editor de Diâmetros de Furos do painel PCB. 
• A exibição do anel colorido depende da camada atualmente ativa no editor de PCB. Por exemplo, a primeira imagem abaixo mostra a camada superior ativa, e a segunda imagem mostra a camada inferior ativa. Se a camada ativa não for retrofurada (por exemplo, se a camada ativa fosse a Camada Intermediária 2 ou a Camada Intermediária 3 na via mostrada abaixo), a retrofuração não seria exibida. Você veria apenas o furo da via em marrom, cercado pela área de conexão multicamada.

  
A mesma via mostrada à esquerda com a camada superior ativa, na imagem central com a camada inferior ativa e à direita no modo 3D.

Verificação da retrofuração no Editor de Diâmetros de Furos

As retrofurações também podem ser localizadas e visualizadas pelo Editor de Diâmetros de Furos ao definir esse modo no painel PCB.

Na imagem abaixo, a retrofuração de 14 mils foi selecionada no painel. A visualização é ampliada para esses furos retrofurados, destacando-os com as camadas inicial e final. Observe que há sete vias retrofuradas listadas no painel, mas apenas cinco são mostradas na área de projeto. Isso ocorre porque a segunda e a terceira vias são retrofuradas tanto pelo lado superior quanto pelo inferior e, como a camada superior é a camada ativa, essas vias são exibidas no momento como retrofurações pelo lado superior.

Verificação de stubs

A regra de projeto Comprimento máximo do stub da via (retrofuração) é usada tanto para localizar possíveis pontos de retrofuração quanto para verificar os stubs remanescentes.

Durante uma verificação das regras de projeto, todas as vias e pads aplicáveis são verificados quanto à presença de stubs com comprimento maior que o valor de Max Stub Length configurado na regra de projeto. Observe que todos os pads e vias abrangidos pelas regras de projeto Maximum Via Stub Length (Back drilling) são verificados, não apenas aqueles que foram retrofurados ou aqueles que não foram retrofurados.

A regra verifica o comprimento de qualquer stub remanescente. Na imagem abaixo, embora a via tenha sido retrofurada (de acordo com as retrofurações definidas), o stub remanescente é maior que os 7 mils permitidos pela regra de projeto aplicável, portanto uma violação da regra é sinalizada.

Uma verificação das regras de projeto sinaliza qualquer stub que seja maior que o comprimento máximo de stub permitido pela regra de projeto.
Esta via não passa na verificação, pois o stub remanescente é maior que 7 mils.

Geração dos arquivos de saída

A geração dos arquivos de saída para retrofuração é transparente. Se forem necessários arquivos de saída adicionais do tipo furação, eles serão gerados automaticamente.

A retrofuração é muito semelhante ao uso de vias cegas (que também exigem a definição de um par de camadas inicial/final no Gerenciador de Empilhamento de Camadas), que especifica os requisitos de furação entre esse par. A diferença é que as vias cegas são metalizadas, enquanto a retrofuração de vias ou pads é uma operação de furação não metalizada. Os furos não metalizados são essencialmente um processo de pós-fabricação, ou seja, a furação ocorre após a corrosão, a laminação, a furação e a metalização dos furos passantes. 

Relatório de retrofuração

Para gerar um relatório resumido de todas as operações de retrofuração no projeto, clique com o botão direito na região Unique Holes do painel PCB no modo Editor de Tamanhos de Furos e selecione Backdrill Report no menu de contexto.

Gere um relatório de todas as operações de retrofuração na PCB atual.

A caixa de diálogo Report Preview será aberta. Clique no botão Export para selecionar o tipo de arquivo e o local onde deseja salvá-lo e, em seguida, insira o nome do arquivo.

Símbolos de furação, tabela de furação e desenho de furação

Os símbolos de furação são atribuídos automaticamente e podem ser reconfigurados na caixa de diálogo Drill Symbols. Os símbolos são exibidos na camada de desenho de furação no espaço de projeto da PCB se a opção Show Drill Symbols estiver habilitada na caixa de diálogo Drill Symbols. Essa caixa de diálogo pode ser acessada clicando com o botão direito na região Unique Holes do painel ou na aba da camada Drill Drawing, conforme mostrado abaixo.

Configure a atribuição dos símbolos de furação e habilite sua exibição na caixa de diálogo Drill Symbols.

Como a retrofuração envolve perfurar o mesmo local com brocas de tamanhos diferentes, os símbolos de furação aparecerão sobrepostos nesses locais. Use o seletor de pares de camadas para controlar qual par de camadas está sendo exibido, conforme mostrado nas imagens abaixo.

  
Clique com o botão esquerdo no ícone de triângulo para selecionar o par de furação que deseja exibir.

Uma tabela de furação inserida pode ser configurada para mostrar todos os pares de camadas de furação ou um par de camadas específico. A imagem abaixo é de um projeto com retrofuração pelos lados superior e inferior da placa; por isso, foram inseridas três tabelas. Observe a coluna Drill Layer Pair; ela indica a função de cada tabela.

Foram inseridas três tabelas de furação: a primeira mostra os furos passantes, a segunda mostra as retrofurações pelo lado superior e a terceira mostra as retrofurações pelo lado inferior.

Furação NC

Para cada par de furação definido, a saída de furação NC produzirá um arquivo de furação exclusivo. Observe que ela também produz um arquivo separado para cada formato de furo (redondo, retangular ou oblongo).

O arquivo de relatório de furação (<ProjectName>.DRR) inclui um resumo das atribuições das ferramentas de furação, seus tamanhos e a função e o nome de cada um dos diversos arquivos de furação gerados.

A caixa de diálogo Configuração de Furação NC inclui uma opção Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes . Os arquivos de saída de furação NC sempre incluem todas as operações de furação. Se essa opção estiver habilitada, as operações de furação metalizadas e não metalizadas serão exportadas em arquivos separados. Eles são identificados por uma string adicional no nome do arquivo, no formato <DesignName>-Plated ou <DesignName>-NonPlated.

As operações de retrofuração são sempre exportadas para arquivos próprios, cada um identificado por uma extensão de arquivo exclusiva. Por exemplo, eles podem ser nomeados <DesignName>-BackDrill.TX3 para as operações de retrofuração pelo lado superior e <DesignName>-BackDrill.TX4 para as operações de retrofuração pelo lado inferior.

O relatório de furação resume a atribuição das furações às ferramentas, a quantidade de cada tamanho e os arquivos de furação em que elas são detalhadas.

Gerber X2

Em vez de ser apenas um padrão para exportar dados de fabricação de um conjunto de camadas de PCB (que exige a adição de arquivos de furação NC para a fabricação da placa nua), o Gerber X2 exporta todos os dados necessários para inserir o projeto no processo CAM do fabricante. O Gerber X2 é configurado na caixa de diálogo Configuração do Gerber X2.

Isso inclui:

• Função do arquivo Gerber: camada de cobre superior, máscara de solda superior etc.
• Peça: PCB individual, painel etc.
• Função do objeto: pad SMD, pad de via etc.
• Tolerâncias de furação
• Localização de trilhas com impedância controlada
• Vias preenchidas

Se houver furos com retrofuração no projeto, a saída Gerber X2 incluirá automaticamente arquivos de furação adicionais com nomes como:

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

Esses arquivos de retrofuração incluem instruções no formato Gerber X2, como:

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

Esta linha instrui o software CAM a tratar o conteúdo deste arquivo como operações de furação cega não metalizada entre as camadas de sinal 1 e 3.

Os tamanhos dos furos são definidos por meio de aberturas, cuja definição é precedida por uma instrução que as declara como tamanhos de furação.

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

Na saída ODB++, será criada uma pasta de furação adicional para cada par de camadas de retrofuração definido. Elas terão nomes como \drill1, \drill2. Essas pastas incluem os arquivos de furação ODB padrão.

IPC-2581

O suporte a IPC-2581 será adicionado em uma atualização futura.

Draftsman

O Draftsman é uma ferramenta ideal para criar documentação de alta qualidade para seu projeto. Se houver pares de camadas do tipo retrofuração definidos no projeto, a Legenda do Empilhamento de Camadas os exibirá, facilitando a identificação rápida de sua presença.

Insira uma Legenda do Empilhamento de Camadas para exibir os pares de camadas usados na retrofuração e tabelas de furação para os conjuntos de furação de cada par de camadas.

Você também pode configurar a tabela de furação para mostrar cada par de camadas de retrofuração, facilitando a identificação rápida dos tamanhos e da quantidade de furos necessários para a retrofuração.