Controlled Depth Drilling (Back Drilling)

A Furação com Profundidade Controlada (CDD), também conhecida como back drilling, é uma técnica utilizada para remover a porção não utilizada, ou stub, do barril de cobre de um furo metalizado numa placa de circuito impresso. Quando um sinal de alta velocidade viaja entre camadas da PCB através de um barril de cobre, pode sofrer distorção. Se a utilização da camada de sinal resultar na presença de um stub e se esse stub for longo, essa distorção pode tornar-se significativa.

Estes stubs podem ser removidos voltando a furar esses furos com uma broca ligeiramente maior após a conclusão do fabrico. Os furos são submetidos a back drilling até uma profundidade controlada próxima, mas sem tocar, da última camada utilizada pela via. Tendo em conta as variações de fabrico e de material, um bom fabricante consegue efetuar back drilling nos furos deixando um stub de 7 mil; idealmente, o stub remanescente será inferior a 10 mil.

A via é utilizada para ligar entre as duas camadas internas, resultando em barril não utilizado (stubs) acima e abaixo.
Estes stubs podem ser removidos utilizando furação com profundidade controlada.

Para remover os stubs, a via à esquerda é submetida a back drilling a partir do lado superior; a via à direita é submetida a back drilling de ambos os lados. Note que ambas as vias têm algum stub remanescente.

Utilizado mais frequentemente em vias, e também em conectores press-fit de backplane, o back drilling fornece uma solução económica para ajudar a gerir a qualidade do sinal em trajetos de sinal de alta velocidade. Oferece um custo inferior ao da técnica de laminação sequencial utilizada para vias cegas e enterradas.

O back drilling é obtido através de:

• Definição de uma regra de desenho Comprimento Máximo do Stub da Via (Back drilling), que define as nets de interesse e também o comprimento máximo permitido do stub. Tenha em atenção que este comprimento do stub não é uma definição da broca; é o valor que o software utiliza para verificar stubs remanescentes durante um DRC em lote.
• A profundidade até à qual o furo é submetido a back drilling é definida através da configuração de um par de furação que especifica as camadas de início e de fim para back drills. Quaisquer camadas de cobre podem ser definidas como camadas de início e de fim para back drills.
• O diâmetro da broca utilizada para back drilling é definido pela opção Via/Pad hole size + 2 x Oversize na regra de desenho Maximum Via Stub Length (Back drilling) aplicável.
• Ligar objetos de routing com reconhecimento de net a um pad ou a uma via para definir um par de camadas utilizado para encaminhar um sinal.

Selecionar os Furos a Submeter a Back Drilling

Instrua o software de que existem furos a submeter a back drilling adicionando uma regra de desenho Comprimento Máximo do Stub da Via (Back drilling). O âmbito da regra de desenho define quais as vias ou pads que devem ser perfurados. Normalmente, o back drilling é aplicado apenas a nets seletivas, como nets de alta velocidade, caso em que o âmbito poderia ser algo como InNet('Clock'), ou InNetClass('HighSpeedNets').

O âmbito da regra define a que objetos esta regra deve ser aplicada. Esta regra aplica-se a vias na classe de net IO.

Por exemplo, se o âmbito for InNetClass('IO'), então todas as vias e pads nessas nets podem potencialmente ser submetidos a back drilling. Os furos que são efetivamente submetidos a back drilling dependerão das camadas em que esses sinais são encaminhados e dos pares de back drill que tiverem sido definidos. Se um furo não tiver ligações nas camadas dentro do intervalo de camadas do back drill, esse furo será submetido a back drilling.

Para limitar ainda mais a operação de back drilling, restrinja o âmbito da regra. Por exemplo, se pretender submeter a back drilling apenas as vias e não os pads de furo metalizado, poderá alterar o âmbito da regra para InNetClass('IO') and IsVia.

Definir as Propriedades do Back Drill

Quando é efetuado back drilling num barril de furo metalizado, é utilizada uma broca sobredimensionada para remover o cobre indesejado.

    
Ao voltar a perfurar o furo com uma broca sobredimensionada até uma profundidade específica, a porção não utilizada do barril da via é removida, melhorando a integridade deste trajeto de sinal.

Todas as ações de furação entre camadas são definidas adicionando uma definição de furação camada inicial-camada final no separador Back Drills do Layer Stack Manager. O separador não está disponível até a funcionalidade Back Drill ser ativada no Layer Stack Manager; selecione Tools » Features » Back Drills para a ativar, ou clique no botão  e escolha Back Drills.

Depois de a funcionalidade estar ativada, mude para o separador Back Drills e clique no botão  para adicionar uma nova definição de Back Drill.

O passo seguinte consiste em configurar as camadas que irão ser submetidas a back drilling, conforme descrito abaixo.

Profundidade de Furação

A profundidade de back drilling é um valor calculado, não um número que introduz numa caixa de diálogo. Define-se a primeira e a última camada, e o software calcula a profundidade de furação necessária para efetuar back drilling através de todas as camadas entre a primeira e a última, incluindo a espessura da primeira camada, mas não a espessura da última camada (o back drilling para nessa camada). Os campos First layer e Last layer são definidos no painel Properties no modo Layer Stack Manager (com o separador Back Drills selecionado). Têm de existir back drills definidos na stackup de camadas para que seja possível aceder à região Back Drill do Properties painel, como mostrado abaixo.

O furo é perfurado até, mas sem tocar, na última camada especificada no campo Last layer . A profundidade da ação 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 introduzidos no Layer Stack Manager.

Painel Properties

Quando o separador Back Drills do documento Layer Stack está ativo, o painel Properties é utilizado para definir os intervalos de camadas que devem ser submetidos a back drilling.

• Back Drill
  • Name – o nome do back drill.
  • First layer – a primeira camada abrangida pelo back drill.
  • Last layer – a última camada abrangida pelo back drill.
  • Mirror – quando ativado, é criado um espelho do back drill atual que abrange as camadas simétricas na stackup de camadas. Esta opção só está disponível se a opção Stack Symmetry estiver ativada.
• Board
  • Stack Symmetry – ativar para adicionar camadas em pares correspondentes, centrados em torno da camada dielétrica intermédia. Quando ativado, a stackup de camadas é imediatamente verificada quanto à simetria em torno da camada dielétrica central. Se algum par de camadas equidistantes da camada de referência dielétrica central não for idêntico, abre-se a caixa de diálogo Stack is not symmetric.

• Library Compliance – quando ativado, para cada camada que tenha sido selecionada da Material Library, as propriedades atuais da camada são verificadas em relação aos valores dessa definição de material na biblioteca.

• Substack – esta informação diz respeito à substack atualmente selecionada (camadas, dielétrico, espessuras, etc.). À medida que muda de uma substack para outra, esta informação será atualizada em conformidade (para a substack atualmente selecionada).

• Stack Name – introduza o nome da substack. Dar um nome à substack é útil quando a região de stackup X/Y recebe a atribuição de uma substack de camadas.
• Is Flex – ativar se a substack for flexível.
• Layers – o número de camadas condutoras.
• Dielectrics – o número de dielétricos.
• Conductive Thickness – esta é 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.

Tamanho 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 introduzir um tamanho de broca específico para back drilling, defina quanto maior é o back drill em relação ao tamanho original do furo da via ou do pad. O sobredimensionamento é especificado como um valor radial na regra de desenho, juntamente com quaisquer requisitos de tolerância para os furos submetidos a back drilling, como mostrado abaixo.

O tamanho da broca utilizada para back drilling é o tamanho original do furo da via ou do pad, mais o dobro do sobredimensionamento de Backdrill especificado na regra de desenho. Note que o sobredimensionamento é especificado como um valor radial.

Apresentação no Ecrã dos furos submetidos a Back Drilling

A apresentação dos furos com furação posterior inclui um anel adicional de duas cores com as seguintes propriedades:

• O círculo interior corresponde ao tamanho original do furo da via (castanho) ou do pad (verde/azul).
• O anel de duas cores indica a cor da primeira camada e a cor da última camada da furação posterior.
• A largura do arco colorido é o valor BackDrill OverSize definido na regra de desenho. O diâmetro exterior do círculo definido pelos dois arcos coloridos é o tamanho real do furo de furação posterior, que será listado como tamanho de furo no modo Hole Size Editor do painel PCB. 
• A apresentação do anel colorido depende da camada que está atualmente ativa no editor 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 tiver furação posterior (por exemplo, se a camada ativa fosse a Mid Layer 2 ou a Mid Layer 3 na via apresentada abaixo), então a furação posterior não seria apresentada de todo. Veria simplesmente o furo da via a castanho, rodeado pela área de cobre multicamada.

  
A mesma via mostrada à esquerda com a camada superior ativa, na imagem central com a camada inferior ativa, e em modo 3D à direita.

Verificar a furação posterior no Hole Size Editor

As furações posteriores também podem ser localizadas e visualizadas através do modo Hole Size Editor definido no painel PCB.

Na imagem abaixo, a furação posterior de 14 mil foi selecionada no painel. A visualização faz zoom para esses furos com furação posterior, destacando-os com as camadas inicial e final. Note que existem sete vias com furação posterior mostradas no painel, mas apenas cinco são mostradas na área de desenho. Isto acontece porque a segunda e a terceira vias têm furação posterior tanto pelo lado superior como pelo lado inferior e, como a camada superior é a camada ativa, essas vias são atualmente mostradas como furação posterior do lado superior.

Verificação de stubs

A regra de desenho Maximum Via Stub Length (Back drilling) é usada tanto para localizar potenciais locais de furação posterior como para testar stubs remanescentes.

Durante uma verificação de regras de desenho, todas as vias e pads aplicáveis são testados quanto à existência de stubs com comprimento superior ao valor Max Stub Length configurado na regra de desenho. Note que todos os pads e vias visados por regras de desenho Maximum Via Stub Length (Back drilling) são testados, não apenas aqueles com furação posterior ou aqueles que não receberam furação posterior.

A regra verifica o comprimento de qualquer stub remanescente. Na imagem abaixo, apesar de a via ter recebido furação posterior (de acordo com as furações posteriores definidas), o stub remanescente é superior aos 7 mil permitidos pela regra de desenho aplicável, pelo que é assinalada uma violação da regra.

Uma verificação de regras de desenho assinala qualquer stub que seja superior ao comprimento máximo de stub permitido pela regra de desenho.
Esta via falha, pois o stub remanescente é superior a 7 mil.

Gerar os outputs

A geração de outputs para furação posterior é transparente. Se forem necessários ficheiros de output adicionais do tipo furação, estes são gerados automaticamente.

A furação posterior é muito semelhante à utilização de vias cegas (estas também requerem a definição de um par de primeira/última camada no Layer Stack Manager), que especifica os requisitos de furação entre esse par. A diferença é que as vias cegas são metalizadas, enquanto as vias ou pads com furação posterior correspondem a um evento de furação não metalizada. Os furos não metalizados são essencialmente um processo pós-fabrico, ou seja, a furação ocorre após a gravação, laminação, furação e metalização dos furos passantes. 

Relatório de furação posterior

Para gerar um relatório de resumo de todos os eventos de furação posterior no desenho, clique com o botão direito na região Unique Holes do painel PCB no modo Hole Size Editor e depois selecione Backdrill Report no menu de contexto.

Gere um relatório de todos os eventos de furação posterior no PCB atual.

A caixa de diálogo Report Preview será aberta. Clique no botão Export para selecionar o tipo de ficheiro, a localização onde pretende guardar o ficheiro e, em seguida, introduza o nome do ficheiro.

Símbolos de furação, a tabela de furação e o desenho de furação

Os símbolos de furação são atribuídos automaticamente e podem ser reconfigurados na caixa de diálogo Drill Symbols. Os símbolos são apresentados na camada Drill Drawing na área de desenho PCB se a opção Show Drill Symbols estiver ativada na caixa de diálogo Drill Symbols. A caixa de diálogo pode ser acedida clicando com o botão direito na região Unique Holes do painel ou no separador da camada Drill Drawing, como mostrado abaixo.

Configure a atribuição dos símbolos de furação e ative a respetiva apresentação na caixa de diálogo Drill Symbols.

Como a furação posterior implica furar no mesmo local com brocas de tamanhos diferentes, os símbolos de furação aparecerão sobrepostos nesses locais. Utilize o seletor de pares de camadas para controlar qual o par de camadas que está atualmente a ser apresentado, como mostrado nas imagens abaixo.

  
Clique com o botão esquerdo no ícone triangular para selecionar que par de furação pretende apresentar.

Uma tabela de furação colocada pode ser configurada para mostrar todos os pares de camadas de furação, ou pode ser configurada para mostrar um par de camadas específico. A imagem abaixo é de um desenho com furação posterior a partir dos lados superior e inferior da placa, pelo que foram colocadas três tabelas. Repare na coluna Drill Layer Pair; esta indica a função de cada tabela.

Foram colocadas três tabelas de furação: a primeira mostra os furos passantes, a segunda as furações posteriores do lado superior e a terceira mostra as furações posteriores do lado inferior.

NC Drill

Para cada par de furação definido, o output NC drill produzirá um ficheiro de furação único. Note que também produz um ficheiro separado para cada tipo de forma de furo (redondo, retangular ou ranhurado).

O ficheiro de relatório de furação (<ProjectName>.DRR) inclui um resumo das atribuições das ferramentas de furação, dos seus tamanhos e da função e nome de cada um dos vários ficheiros de furação gerados.

A caixa de diálogo NC Drill Setup inclui uma opção Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes . Os ficheiros de output NC drill incluem sempre todos os eventos de furação. Se esta opção estiver ativada, os eventos de furação metalizada e não metalizada são, em vez disso, enviados para ficheiros separados. São identificados por uma cadeia adicional no nome do ficheiro no formato <DesignName>-Plated, ou <DesignName>-NonPlated.

Os eventos de furação posterior são sempre enviados para os seus próprios ficheiros, cada um identificado por uma extensão de ficheiro única. Por exemplo, estes podem chamar-se <DesignName>-BackDrill.TX3 para os eventos de furação posterior do lado superior e <DesignName>-BackDrill.TX4 para os eventos de furação posterior do lado inferior.

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

Gerber X2

Em vez de ser apenas uma norma para output de dados de fabrico para um conjunto de camadas PCB (o que requer a adição de ficheiros NC drill para o fabrico da placa nua), o Gerber X2 gera todos os dados necessários para introduzir o desenho no processo CAM do fabricante. O Gerber X2 é configurado na caixa de diálogo Gerber X2 Setup.

Isto inclui:

• Função do ficheiro Gerber: camada superior de cobre, máscara de solda superior, etc.
• Parte: PCB único, painel, etc.
• Função do objeto: pad SMD, pad de via, etc.
• Tolerâncias de furação
• Localizações de pistas com impedância controlada
• Vias preenchidas

Se existirem furos com furação posterior no desenho, o output Gerber X2 incluirá automaticamente ficheiros de furação adicionais com um nome de ficheiro, tal como:

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

Estes ficheiros de furação posterior incluem instruções em formato Gerber X2, tais como:

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

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

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

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

Para output ODB++, será criada uma pasta de furação adicional para cada par de camadas de furação posterior definido. Estas terão nomes como \drill1, \drill2. Estas pastas incluem os ficheiros de furação ODB padrão.

IPC-2581

O suporte para IPC-2581 será adicionado numa atualização futura.

Draftsman

O Draftsman é uma ferramenta ideal para criar documentação de alta qualidade para o seu desenho. Se existirem pares de camadas do tipo furação posterior definidos no desenho, a legenda da pilha de camadas apresentá-los-á, facilitando a rápida identificação da sua presença.

Coloque uma legenda da pilha de camadas para apresentar os pares de camadas usados para furação posterior, e tabelas de furação para cada conjunto de furação por par de camadas.

Também pode configurar a tabela de furação para mostrar cada par de camadas de furação posterior, facilitando a identificação rápida dos tamanhos de furação e da contagem de furos necessária para a furação posterior.