Бурение на контролируемую глубину (обратное бурение)

Сверление с контролируемой глубиной (Controlled Depth Drilling, CDD), также известное как обратное сверление, — это технология удаления неиспользуемой части, или шлейфа, медной металлизации сквозного отверстия печатной платы. При прохождении высокоскоростного сигнала между слоями платы через металлизированное отверстие сигнал может искажаться. Если при выбранных слоях прохождения сигнала остается длинный шлейф, эти искажения могут стать значительными.

Такие шлейфы можно удалить, повторно рассверлив отверстия сверлом немного большего диаметра после завершения изготовления платы. Обратное сверление выполняется на контролируемую глубину вплотную к последнему слою, используемому переходным отверстием, но без его касания. С учетом производственных допусков и вариаций свойств материалов квалифицированный производитель может выполнить обратное сверление, оставив шлейф длиной 7 mil; в идеале длина оставшегося шлейфа должна быть менее 10 mil.

Переходное отверстие соединяет два внутренних слоя, поэтому над ними и под ними остаются неиспользуемые участки металлизации (шлейфы).
Эти шлейфы можно удалить сверлением с контролируемой глубиной.

Для удаления шлейфов переходное отверстие слева рассверливают с верхней стороны, а переходное отверстие справа — с обеих сторон. Обратите внимание: в обоих переходных отверстиях остаются небольшие шлейфы.

Обратное сверление чаще всего применяется для переходных отверстий, а также для разъемов объединительных плат с запрессовываемыми контактами (press-fit). Это экономичный способ поддержания качества сигнала в высокоскоростных сигнальных трактах. Он обходится дешевле, чем технология последовательного прессования, используемая для глухих и скрытых переходных отверстий.

Для реализации обратного сверления необходимо:

• Задать правило проектирования Максимальная длина шлейфа переходного отверстия (обратное сверление), определяющее нужные цепи и максимально допустимую длину шлейфа. Обратите внимание: эта длина шлейфа не является параметром сверления; программа использует ее для проверки оставшихся шлейфов при пакетной проверке правил проектирования (DRC).
• Глубина обратного сверления отверстия задается настройкой пары слоев сверления, определяющей начальный и конечный слои для обратного сверления. В качестве начального и конечного можно указать любые медные слои.
• Диаметр сверла для обратного сверления определяется параметром Via/Pad hole size + 2 x Oversize в соответствующем правиле проектирования Maximum Via Stub Length (Back drilling).
• Подключить объекты трассировки с назначенной цепью к контактной площадке или переходному отверстию, чтобы определить пару слоев, используемых для прохождения сигнала.

Выбор отверстий для обратного сверления

Чтобы указать программе, какие отверстия подлежат обратному сверлению, добавьте правило проектирования Максимальная длина шлейфа переходного отверстия (обратное сверление). Область действия правила определяет, какие переходные отверстия или контактные площадки необходимо рассверлить. Обычно обратное сверление выполняют только для отдельных цепей, например высокоскоростных. В этом случае область действия может быть задана выражением вида InNet('Clock') или InNetClass('HighSpeedNets').

Область действия правила определяет объекты, к которым оно применяется. Это правило распространяется на переходные отверстия в классе цепей IO.

Например, если область действия задана выражением InNetClass('IO'), то обратное сверление потенциально может выполняться для всех переходных отверстий и контактных площадок этих цепей. То, какие отверстия будут рассверлены фактически, зависит от слоев трассировки этих сигналов и заданных пар слоев обратного сверления. Если у отверстия нет соединений на слоях в диапазоне обратного сверления, оно будет рассверлено.

Чтобы дополнительно ограничить обратное сверление, сузьте область действия правила. Например, если требуется рассверливать только переходные отверстия, но не сквозные контактные площадки, область действия правила можно изменить на InNetClass('IO') and IsVia.

Настройка параметров обратного сверления

При обратном сверлении металлизированного сквозного отверстия для удаления ненужной меди используется сверло увеличенного диаметра.

    
Повторное рассверливание отверстия сверлом увеличенного диаметра на заданную глубину удаляет неиспользуемую часть металлизации переходного отверстия, улучшая целостность сигнала в этом тракте.

Все операции сверления между слоями задаются добавлением определения сверления с начальным и конечным слоями на вкладке Back Drills в Диспетчере стека слоев. Эта вкладка недоступна, пока в Диспетчере стека слоев не включена функция обратного сверления. Чтобы включить ее, выберите Tools » Features » Back Drills или нажмите кнопку  и выберите Back Drills.

После включения функции перейдите на вкладку Back Drills и нажмите кнопку  для добавления нового определения обратного сверления.

Затем настройте слои для обратного сверления, как описано ниже.

Глубина сверления

Глубина обратного сверления — это расчетная величина, а не число, вводимое в диалоговом окне. Вы задаете первый и последний слои, а программа рассчитывает глубину, необходимую для сверления всех слоев между ними, включая толщину первого слоя, но не включая толщину последнего (обратное сверление останавливается перед этим слоем). Параметры First layer и Last layer задаются на панели «Свойства» в режиме Диспетчера стека слоев (при выбранной вкладке «Обратное сверление»). Чтобы получить доступ к области Back Drill панели Properties , показанной ниже, в стеке слоев должны быть заданы определения обратного сверления.

Отверстие рассверливается вплотную к последнему слою, указанному в поле Last layer , но без его касания. Глубина сверления определяется следующим образом:

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

Толщины слоев соответствуют значениям, введенным в Диспетчере стека слоев.

Панель Properties

Когда в документе Layer Stack активна вкладка Back Drills, панель Properties используется для задания диапазонов слоев, в которых необходимо выполнить обратное высверливание.

• Back Drill
  • Name – имя обратного высверливания.
  • First layer – первый слой диапазона обратного высверливания.
  • Last layer – последний слой диапазона обратного высверливания.
  • Mirror – если этот параметр включен, создается зеркальный вариант текущего обратного высверливания, охватывающий симметричные слои в стеке. Этот параметр доступен, только если включен параметр Stack Symmetry.
• Board
  • Stack Symmetry – включите этот параметр, чтобы добавлять слои согласованными парами, симметричными относительно центрального диэлектрического слоя. При его включении сразу выполняется проверка симметрии стека относительно центрального диэлектрического слоя. Если слои хотя бы в одной паре, равноудаленные от центрального опорного диэлектрического слоя, не идентичны, открывается диалоговое окно «Стек несимметричен».

• Library Compliance – если этот параметр включен, для каждого слоя, материал которого выбран из библиотеки материалов, текущие свойства слоя сравниваются со значениями, заданными для этого материала в библиотеке.

• Substack – здесь приведена информация о выбранном подстеке (слоях, диэлектриках, толщинах и т. д.). При переключении между подстеками эта информация обновляется в соответствии с выбранным подстеком.

• Stack Name – введите имя подстека. Имя подстека удобно использовать при назначении подстека слоев области стека в плоскости X/Y.
• Is Flex – включите этот параметр, если подстек является гибким.
• Layers – количество проводящих слоев.
• Dielectrics – количество диэлектрических слоев.
• Conductive Thickness – суммарная толщина всех сигнальных и плоскостных слоев (всех медных или проводящих слоев).
• Dielectric Thickness – толщина диэлектрического слоя или слоев.
• Total Thickness – общая толщина готовой платы.

Диаметр сверла

Диаметр сверла рассчитывается следующим образом:

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

Вместо ввода конкретного диаметра сверла для обратного высверливания задайте, насколько он должен превышать исходный диаметр отверстия переходного отверстия или контактной площадки. В правиле проектирования это увеличение задается в радиальном направлении вместе с требованиями к допускам для отверстий обратного высверливания, как показано ниже.

Диаметр сверла для обратного высверливания равен исходному диаметру отверстия переходного отверстия или контактной площадки плюс удвоенное значение Backdrill Oversize, заданное в правиле проектирования. Обратите внимание, что Oversize задается в радиальном направлении.

Отображение отверстий с обратным высверливанием на экране

Отверстия с обратным высверливанием отображаются с дополнительным двухцветным кольцом со следующими свойствами:

• Внутренняя окружность соответствует исходному диаметру отверстия переходного отверстия (коричневый цвет) или контактной площадки (зеленый/синий цвет).
• Два цвета кольца соответствуют цветам первого и последнего слоев диапазона обратного высверливания.
• Ширина цветной дуги равна значению BackDrill OverSize, заданному в правиле проектирования. Внешний диаметр окружности, образованной двумя цветными дугами, соответствует фактическому диаметру отверстия обратного высверливания, который указывается как диаметр сверла в режиме Редактор размеров отверстий панели PCB. 
• Отображение цветного кольца зависит от того, какой слой сейчас активен в редакторе печатных плат. Например, на первом изображении ниже активен верхний слой, а на втором — нижний. Если активный слой не входит в диапазон обратного высверливания (например, если для показанного ниже переходного отверстия активен Mid Layer 2 или Mid Layer 3), обратное высверливание вообще не отображается. Будет видно только отверстие переходного отверстия коричневого цвета, окруженное многослойной контактной площадкой.

  
Одно и то же переходное отверстие: слева — при активном верхнем слое, в центре — при активном нижнем слое, справа — в режиме 3D.

Проверка обратного высверливания в редакторе размеров отверстий

Найти и просмотреть отверстия с обратным высверливанием также можно в режиме Редактор размеров отверстий, выбрав его на панели PCB.

На изображении ниже на панели выбрано обратное высверливание диаметром 14 мил. Вид приближается к соответствующим отверстиям с обратным высверливанием, которые выделяются с указанием начального и конечного слоев. Обратите внимание: на панели показано семь переходных отверстий с обратным высверливанием, а в рабочей области — только пять. Это связано с тем, что второе и третье переходные отверстия высверливаются с обеих сторон — сверху и снизу. Поскольку активен верхний слой, сейчас для этих переходных отверстий отображается обратное высверливание с верхней стороны.

Проверка наличия шлейфов

Правило проектирования Максимальная длина шлейфа переходного отверстия (обратное высверливание) используется как для поиска мест, где может потребоваться обратное высверливание, так и для проверки наличия остаточных шлейфов.

При проверке правил проектирования все соответствующие переходные отверстия и контактные площадки проверяются на наличие шлейфов, длина которых превышает значение Max Stub Length, заданное в правиле проектирования. Обратите внимание, что проверяются все контактные площадки и переходные отверстия, на которые распространяются правила проектирования Maximum Via Stub Length (Back drilling), независимо от того, выполнено ли для них обратное высверливание.

Правило проверяет длину любого остаточного шлейфа. На изображении ниже, несмотря на то что для переходного отверстия выполнено обратное высверливание в соответствии с заданными настройками, остаточный шлейф превышает допустимые 7 мил, указанные в применимом правиле проектирования, поэтому фиксируется нарушение правила.

Проверка правил проектирования отмечает любой шлейф, длина которого превышает значение Max Stub Length, допустимое согласно правилу.
Это переходное отверстие не проходит проверку, поскольку длина остаточного шлейфа превышает 7 мил.

Формирование выходных данных

Выходные данные для обратного высверливания формируются без дополнительных действий со стороны пользователя. Если требуются дополнительные выходные файлы сверления, они создаются автоматически.

Обратное сверление во многом аналогично использованию глухих переходных отверстий: для них также требуется задать пару начального и конечного слоев в Layer Stack Manager, определяющую требования к сверлению между этими слоями. Разница заключается в том, что глухие переходные отверстия металлизируются, тогда как обратное сверление переходных отверстий или контактных площадок выполняется без последующей металлизации. Сверление неметаллизированных отверстий, по сути, является завершающей технологической операцией: оно выполняется после травления, ламинирования, сверления и металлизации сквозных отверстий. 

Отчет об обратном сверлении

Чтобы сформировать сводный отчет обо всех операциях обратного сверления в проекте, щелкните правой кнопкой мыши в области Unique Holes панели PCB в режиме Hole Size Editor и выберите Backdrill Report в контекстном меню.

Сформируйте отчет обо всех операциях обратного сверления на текущей печатной плате.

Откроется диалоговое окно Report Preview. Нажмите кнопку Export, чтобы выбрать тип файла и папку для его сохранения, затем введите имя файла.

Символы сверления, таблица сверления и чертеж сверления

Символы сверления назначаются автоматически и могут быть перенастроены в диалоговом окне Drill Symbols. Символы отображаются на слое Drill Drawing в рабочей области редактора печатных плат, если в диалоговом окне Drill Symbols включен параметр Show Drill Symbols. Это диалоговое окно можно открыть, щелкнув 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 диалоговом окне Drill Symbols.

Поскольку обратное сверление предполагает сверление в одной и той же точке сверлами разного диаметра, символы сверления в этих точках будут накладываться друг на друга. Используйте селектор пар слоев, чтобы выбрать отображаемую пару, как показано на изображениях ниже.

  
Щелкните левой кнопкой мыши по значку треугольника, чтобы выбрать отображаемую пару слоев сверления.

Размещенную таблицу сверления можно настроить для отображения всех пар слоев сверления или только определенной пары. На изображении ниже показан проект с обратным сверлением как с верхней, так и с нижней стороны платы, поэтому размещены три таблицы. Обратите внимание на столбец Drill Layer Pair: он указывает назначение каждой таблицы.

Размещены три таблицы сверления: первая содержит сквозные отверстия, вторая — отверстия обратного сверления с верхней стороны, третья — отверстия обратного сверления с нижней стороны.

NC Drill

При формировании выходных данных NC Drill для каждой заданной пары слоев сверления создается отдельный файл сверления. Обратите внимание, что для каждой формы отверстий (круглых, прямоугольных или продолговатых) также создается отдельный файл.

Файл отчета о сверлении (<ProjectName>.DRR) содержит сводную информацию о назначении сверлильных инструментов, их размерах, а также назначении и именах всех сформированных файлов сверления.

Диалоговое окно NC Drill Setup содержит параметр Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes . Выходные файлы NC Drill всегда содержат все операции сверления. Если этот параметр включен, операции сверления металлизированных и неметаллизированных отверстий выводятся в отдельные файлы. Они обозначаются дополнительной строкой в имени файла в формате <DesignName>-Plated или <DesignName>-NonPlated.

Операции обратного сверления всегда выводятся в отдельные файлы, каждый из которых имеет уникальное расширение. Например, они могут называться <DesignName>-BackDrill.TX3 для операций обратного сверления с верхней стороны и <DesignName>-BackDrill.TX4 для операций обратного сверления с нижней стороны.

Отчет о сверлении содержит сводные сведения о назначении сверл инструментам, количестве отверстий каждого диаметра и файлах сверления, в которых они описаны.

Gerber X2

В отличие от стандарта, предназначенного лишь для вывода производственных данных по набору слоев печатной платы (к которым для изготовления платы необходимо добавлять файлы NC Drill), Gerber X2 выводит все данные, необходимые для передачи проекта в CAM-систему производителя. Настройка Gerber X2 выполняется в диалоговом окне Gerber X2 Setup.

Эти данные включают:

• Назначение файла Gerber: верхний медный слой, верхняя паяльная маска и т. д.
• Тип изделия: отдельная печатная плата, панель и т. д.
• Назначение объекта: контактная площадка SMD, контактная площадка переходного отверстия и т. д.
• Допуски на сверление
• Расположение проводников с контролируемым импедансом
• Заполненные переходные отверстия

Если в проекте есть отверстия с обратным сверлением, в выходные данные Gerber X2 автоматически включаются дополнительные файлы сверления с именами, например:

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

Эти файлы обратного сверления содержат инструкции формата Gerber X2, например:

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

Эта строка предписывает CAM-системе обрабатывать содержимое файла как операции сверления неметаллизированных глухих отверстий между сигнальными слоями 1 и 3.

Диаметры сверления задаются с помощью апертур, перед определением которых указывается инструкция, объявляющая их диаметрами сверления.

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

При выводе в ODB++ для каждой заданной пары слоев обратного сверления создается дополнительная папка сверления. Такие папки имеют имена вида \drill1, \drill2. Они содержат стандартные файлы сверления ODB.

IPC-2581

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

Draftsman

Draftsman — идеальный инструмент для создания высококачественной документации по проекту. Если в проекте заданы пары слоев для обратного сверления, они отображаются в легенде стека слоев, что позволяет быстро определить их наличие.

Разместите легенду стека слоев для отображения пар слоев, используемых для обратного сверления, и таблицы сверления для наборов отверстий каждой пары слоев.

Также можно настроить таблицу сверления для отображения каждой пары слоев обратного сверления, чтобы быстро определить необходимые диаметры сверления и количество отверстий.