Controlled Depth Drilling (Back Drilling)

Сверление с контролируемой глубиной (CDD), также известное как обратное сверление (back drilling), — это метод удаления неиспользуемой части, или «хвостика» (stub), медной металлизации отверстия (copper barrel) в сквозном отверстии печатной платы. Когда высокоскоростной сигнал проходит между слоями PCB через металлизированное отверстие, он может искажаться. Если из‑за использования сигнальных слоёв остаётся хвостик и этот хвостик длинный, искажения могут стать существенными.

Эти хвостики можно удалить, повторно рассверлив эти отверстия сверлом немного большего диаметра после завершения изготовления. Отверстия рассверливаются с контролируемой глубиной вплотную к последнему слою, используемому переходным отверстием (via), но не затрагивая его. С учётом допусков производства и вариаций материалов хороший производитель может выполнить обратное сверление так, чтобы оставить хвостик 7 mil; в идеале остаточный хвостик должен быть менее 10 mil.

Переходное отверстие используется для соединения двух внутренних слоёв, в результате чего сверху и снизу остаётся неиспользуемая часть металлизации (хвостики).
Эти хвостики можно удалить с помощью сверления с контролируемой глубиной.

Чтобы удалить хвостики, переходное отверстие слева рассверливается с верхней стороны; переходное отверстие справа рассверливается с обеих сторон. Обратите внимание, что у обоих переходных отверстий остаётся некоторый остаточный хвостик.

Обратное сверление, чаще всего применяемое для переходных отверстий, а также для пресс‑вставных разъёмов бэкплейна, — это экономически эффективное решение для управления качеством сигнала на высокоскоростных линиях. Оно обходится дешевле, чем технология последовательной ламинации, применяемая для глухих и скрытых переходных отверстий.

Обратное сверление выполняется за счёт:

• Определения правила проектирования Maximum Via Stub Length (Back drilling), которое задаёт интересующие цепи (nets), а также максимально допустимую длину хвостика. Обратите внимание: эта длина хвостика не является настройкой сверления; это значение, которое ПО использует для проверки остаточных хвостиков при пакетной DRC‑проверке.
• Глубина, на которую выполняется обратное сверление, задаётся настройкой пары сверления (drill pair), которая определяет начальный и конечный слои для back drill. В качестве начального и конечного слоёв для back drill можно задать любые медные слои.
• Диаметр сверла для обратного сверления задаётся параметром Via/Pad hole size + 2 x Oversize в соответствующем правиле проектирования Maximum Via Stub Length (Back drilling).
• Подключения объектов трассировки, «осведомлённых» о цепях (net-aware), к площадке (pad) или переходному отверстию (via) для определения пары слоёв, по которым трассируется сигнал.

Выбор отверстий для обратного сверления

Сообщите ПО, что есть отверстия, которые нужно подвергнуть обратному сверлению, добавив правило проектирования Maximum Via Stub Length (Back drilling). Область действия (scope) правила определяет, какие переходные отверстия или площадки должны сверлиться. Обычно обратное сверление выполняют только для выборочных цепей, например высокоскоростных, и тогда scope может быть, например, InNet('Clock') или InNetClass('HighSpeedNets').

Область действия правила определяет, к каким объектам это правило должно применяться. Это правило нацелено на переходные отверстия в классе цепей IO.

Например, если scope — InNetClass('IO'), то все переходные отверстия и площадки в этих цепях потенциально могут быть подвергнуты обратному сверлению. Какие отверстия будут реально рассверлены, зависит от того, по каким слоям трассированы эти сигналы, и какие пары back drill определены. Если у отверстия нет соединений на слоях в пределах диапазона слоёв back drill, это отверстие будет подвергнуто обратному сверлению.

Чтобы ещё сильнее ограничить операцию обратного сверления, сузьте scope правила. Например, если вы хотите выполнять обратное сверление только переходных отверстий, но не сквозных выводных площадок (thru-hole pads), можно изменить scope правила на InNetClass('IO') and IsVia.

Определение свойств обратного сверления

При обратном сверлении металлизации сквозного отверстия используется сверло увеличенного диаметра для удаления нежелательной меди.

    
Повторно рассверливая отверстие сверлом увеличенного диаметра до заданной глубины, удаляют неиспользуемую часть металлизации переходного отверстия, улучшая целостность (integrity) этого сигнального тракта.

Все операции сверления «слой‑к‑слою» задаются добавлением определения сверления «начальный слой — конечный слой» на вкладке Back Drills в Layer Stack Manager. Эта вкладка недоступна, пока функция Back Drill не включена в Layer Stack Manager; выберите Tools » Features » Back Drills, чтобы включить её, или нажмите кнопку  и выберите Back Drills.

После включения функции перейдите на вкладку Back Drills и нажмите кнопку  , чтобы добавить новое определение Back Drill.

Следующий шаг — настроить слои, которые будут подвергаться обратному сверлению, как описано ниже.

Глубина сверления

Глубина обратного сверления — это вычисляемое значение, а не число, которое вводится в диалоге. Вы задаёте первый и последний слои, а ПО рассчитывает требуемую глубину сверления, чтобы пройти через все слои между первым и последним, включая толщину первого слоя, но не включая толщину последнего слоя (на этом слое обратное сверление останавливается). Параметры First layer и Last layer задаются на панели Properties panel in Layer Stack Manager mode (при выбранной вкладке Back Drills tab). Чтобы получить доступ к области Back Drill на панели Properties , как показано ниже, в стеке слоёв должны быть определены back drill.

Отверстие сверлится до последнего слоя, указанного в поле Last layer , но не затрагивает его. Глубина операции сверления определяется следующим:

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

Толщины слоёв — это значения, введённые в Layer Stack Manager.

Панель Properties

Когда активна вкладка Back Drills документа Layer Stack, панель Properties используется для задания диапазонов слоёв (layer-spans), которые требуется подвергнуть обратному сверлению.

• Back Drill
  • Name – имя back drill.
  • First layer – первый слой, который охватывает back drill.
  • Last layer – последний слой, который охватывает back drill.
  • Mirror – если включено, создаётся зеркальная копия текущего back drill, охватывающая симметричные слои в стеке. Эта опция доступна только если включена опция Stack Symmetry.
• Board
  • Stack Symmetry – включите, чтобы добавлять слои согласованными парами, относительно центрального диэлектрического слоя. При включении стек слоёв немедленно проверяется на симметрию относительно центрального диэлектрического слоя. Если какая‑либо пара слоёв, равноудалённых от центрального диэлектрического опорного слоя, не идентична, открывается диалог Stack is not symmetric dialog.

• Library Compliance – если включено, для каждого слоя, выбранного из Material Library, текущие свойства слоя проверяются на соответствие значениям определения материала в библиотеке.

• Substack – эта информация относится к текущему выбранному подстеку (слои, диэлектрик, толщины и т. д.). При переключении между подстеками эта информация будет обновляться соответствующим образом (для текущего выбранного подстека).

• Stack Name – введите имя подстека. Именование подстека полезно, когда области X/Y stackup назначается подстек слоёв.
• Is Flex – включите, если подстек — гибкий (flex).
• Layers – количество проводящих слоёв.
• Dielectrics – количество диэлектриков.
• Conductive Thickness – сумма толщин всех сигнальных и плоскостных слоёв (всех медных или проводящих слоёв).
• Dielectric Thickness – толщина диэлектрического(их) слоя(ёв).
• Total Thickness – общая толщина готовой платы.

Размер сверла

Диаметр сверла рассчитывается из:

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

Вместо ввода конкретного размера сверла для обратного сверления задайте, насколько back drill больше исходного диаметра отверстия via или pad. Увеличение (oversize) задаётся как радиальная величина в правиле проектирования, вместе с требованиями по допускам для отверстий back drill, как показано ниже.

Размер сверла, используемого для обратного сверления, равен исходному диаметру отверстия via или pad плюс удвоенное значение Backdrill Oversize, заданное в правиле проектирования. Обратите внимание: Oversize задаётся как радиальная величина.

Отображение back drilled отверстий на экране

Отображение отверстий, подвергнутых обратному рассверливанию (back drilling), включает дополнительное двухцветное кольцо со следующими свойствами:

• Внутренний круг соответствует исходному размеру отверстия переходного отверстия (коричневый) или площадки (зелёный/синий).
• Двухцветное кольцо обозначает цвет первого слоя и цвет последнего слоя для back drill.
• Ширина цветной дуги — это значение BackDrill OverSize, заданное в правиле проектирования. Внешний диаметр окружности, образованной двумя цветными дугами, — это фактический размер отверстия back drill, который будет указан как размер сверления в режиме Hole Size Editor панели PCB. 
• Отображение цветного кольца зависит от того, какой слой в данный момент активен в PCB-редакторе. Например, на первом изображении ниже активен верхний слой, а на втором — нижний. Если активный слой не подвергается back drilling (например, если активным был бы Mid Layer 2 или Mid layer 3 для переходного отверстия, показанного ниже), то back drill вообще не отображался бы. Вы бы просто видели отверстие переходного отверстия коричневого цвета, окружённое многослойной контактной площадкой (land).

  
Один и тот же переход показан слева при активном верхнем слое, на центральном изображении — при активном нижнем слое, и справа — в 3D-режиме.

Проверка back drilling в Hole Size Editor

Back drill также можно находить и просматривать через Hole Size Editor, установив соответствующий режим в панели PCB.

На изображении ниже в панели был выбран back drill размером 14 mil. Отображение масштабируется к этим отверстиям с back drill, подсвечивая их стартовым и конечным слоями. Обратите внимание: в панели показано семь переходных отверстий с back drill, но в рабочем поле видно только пять. Это потому, что второе и третье переходные отверстия подвергнуты back drilling и со стороны верхнего, и со стороны нижнего слоя, а поскольку активен верхний слой, эти переходы сейчас отображаются как back drill со стороны верхнего слоя.

Проверка на «хвостики» (stubs)

Правило проектирования Maximum Via Stub Length (Back drilling) используется как для поиска потенциальных мест back drill, так и для проверки оставшихся «хвостиков».

Во время проверки правил (DRC) все применимые переходные отверстия и площадки проверяются на наличие «хвостиков» длиной больше, чем Max Stub Length, заданное в правиле. Обратите внимание: проверяются все площадки и переходы, на которые нацелены Maximum Via Stub Length (Back drilling) правила проектирования, а не только те, которые подвергнуты back drilling, или те, которые не были подвергнуты back drilling.

Правило проверяет длину любого оставшегося «хвостика». На изображении ниже, несмотря на то что переходное отверстие было подвергнуто back drilling (в соответствии с заданными параметрами back drill), оставшийся «хвостик» больше 7 mil, разрешённых применимым правилом проектирования, поэтому фиксируется нарушение правила.

Проверка правил проектирования отмечает любой «хвостик», который превышает максимальную длину, разрешённую правилом Max Stub Length.
Этот переход не проходит проверку, так как оставшийся «хвостик» больше 7 mil.

Генерация выходных данных

Генерация выходных данных для back drilling выполняется прозрачно. Если требуются дополнительные выходные файлы типа сверления, они создаются автоматически.

Back drilling очень похоже на использование глухих переходных отверстий (blind vias) (для них также требуется задать пару первый/последний слой в Layer Stack Manager), что определяет требования к сверлению между этой парой. Разница в том, что blind vias металлизируются, тогда как back drilled переходы или площадки — это неметаллизированное сверление. Неметаллизированные отверстия по сути являются постпроизводственным процессом, т.е. сверление выполняется после травления, ламинации, сверления и металлизации сквозных отверстий. 

Отчёт по back drill

Чтобы сформировать сводный отчёт по всем событиям back drill в проекте, щёлкните правой кнопкой мыши в области Unique Holes панели PCB в режиме Hole Size Editor, затем выберите Backdrill Report в контекстном меню.

Сформировать отчёт по всем событиям back drill в текущей PCB.

Откроется диалог Report Preview. Нажмите кнопку Export, чтобы выбрать тип файла и расположение, где вы хотите сохранить файл, затем введите имя файла.

Символы сверления, таблица сверления и чертёж сверления

Символы сверления назначаются автоматически и могут быть перенастроены в диалоге Drill Symbols. Символы отображаются на слое Drill Drawing в рабочем поле PCB если включена опция Show Drill Symbols в диалоге Drill Symbols. Доступ к диалогу можно получить, щёлкнув правой кнопкой мыши в области Unique Holes панели или на вкладке слоя Drill Drawing, как показано ниже.

Настройте назначение символов сверления и включите их отображение в диалоге Drill Symbols.

Поскольку back drilling предполагает сверление в одной и той же точке свёрлами разного диаметра, символы сверления будут отображаться «стопкой» в этих местах. Используйте селектор пары слоёв, чтобы управлять тем, какая пара слоёв сейчас отображается, как показано на изображениях ниже.

  
Щёлкните левой кнопкой по значку треугольника, чтобы выбрать, какую пару сверления вы хотите отображать.

Размещённую таблицу сверления можно настроить так, чтобы она показывала все пары слоёв сверления, либо так, чтобы она показывала конкретную пару слоёв. Изображение ниже — из проекта с back drilling как со стороны верхнего, так и со стороны нижнего слоя платы, поэтому размещены три таблицы. Обратите внимание на столбец Drill Layer Pair; он указывает назначение каждой таблицы.

Размещены три таблицы сверления: первая показывает сквозные отверстия, вторая — back drill со стороны верхнего слоя, и третья — back drill со стороны нижнего слоя.

NC Drill

Для каждой определённой пары сверления NC Drill-вывод создаст уникальный файл сверления. Обратите внимание: также создаётся отдельный файл для каждого типа формы отверстия (круглое, прямоугольное или паз/слот).

Файл отчёта по сверлению (<ProjectName>.DRR) содержит сводку по назначениям сверлильных инструментов, их размерам, а также роли и имени каждого из различных сгенерированных файлов сверления.

Диалог NC Drill Setup включает опцию Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes . Выходные файлы NC Drill всегда включают все события сверления. Если эта опция включена, металлизированные и неметаллизированные события сверления выводятся в отдельные файлы. Они идентифицируются дополнительной строкой в имени файла в формате <DesignName>-Plated или <DesignName>-NonPlated.

События back drill всегда выводятся в отдельные файлы, каждый из которых идентифицируется уникальным расширением файла. Например, они могут называться <DesignName>-BackDrill.TX3 для back drill со стороны верхнего слоя и <DesignName>-BackDrill.TX4 для back drill со стороны нижнего слоя.

Отчёт по сверлению суммирует назначение сверлений инструментам, количество каждого размера и файлы сверления, в которых они описаны.

Gerber X2

Gerber X2 — это не просто стандарт вывода производственных данных для набора слоёв PCB (который требует добавления NC drill-файлов для изготовления «голой» платы), а формат, который выводит все данные, необходимые для ввода проекта в CAM-процесс производителя. Gerber X2 настраивается в диалоге Gerber X2 Setup.

Это включает:

• Функция Gerber-файла: верхний медный слой, верхняя паяльная маска и т.д.
• Part: одиночная PCB, панель и т.д.
• Функция объекта: SMD-площадка, площадка переходного отверстия и т.д.
• Допуски сверления
• Расположение дорожек с контролируемым импедансом
• Заполненные переходные отверстия

Если в проекте есть отверстия с back drill, вывод Gerber X2 автоматически добавит дополнительные файлы сверления с именем файла, например:

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

Эти back drill-файлы включают инструкции формата Gerber X2, такие как:

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

Эта строка указывает CAM‑ПО обрабатывать содержимое этого файла как неметаллизированные глухие события сверления между сигнальными слоями 1 и 3.

Размеры сверления задаются апертурами, определение которых предваряется инструкцией, объявляющей их как размеры сверления.

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

При выводе ODB++ для каждой определённой пары слоёв back drill будет создана дополнительная папка сверления. Они будут иметь имена, такие как \drill1, \drill2. Эти папки содержат стандартные ODB drill-файлы.

IPC-2581

Поддержка IPC-2581 будет добавлена в одном из будущих обновлений.

Draftsman

Draftsman — идеальный инструмент для создания высококачественной документации по вашему проекту. Если в проекте определены пары слоёв типа back drill, легенда стека слоёв (Layer Stack Legend) будет отображать их, что позволяет быстро убедиться в их наличии.

Разместите Layer Stack Legend, чтобы отобразить пары слоёв, используемые для back drilling, и таблицы сверления для каждого набора сверления по паре слоёв.

Вы также можете настроить таблицу сверления так, чтобы она показывала каждую пару слоёв back drill, что упрощает быстрое определение требуемых диаметров сверления и количества отверстий для back drilling.