Khoan kiểm soát độ sâu (khoan ngược)

Khoan chiều sâu kiểm soát (Controlled Depth Drilling - CDD), còn được gọi là back drilling, là một kỹ thuật dùng để loại bỏ phần ống đồng mạ lỗ xuyên không được sử dụng, hay còn gọi là stub, khỏi một lỗ xuyên trên bảng mạch in. Khi tín hiệu tốc độ cao truyền giữa các lớp PCB thông qua ống đồng mạ lỗ, tín hiệu có thể bị méo. Nếu cách sử dụng lớp tín hiệu tạo ra một stub và stub đó dài, thì độ méo này có thể trở nên đáng kể.

Các stub này có thể được loại bỏ bằng cách khoan lại các lỗ đó với mũi khoan lớn hơn một chút sau khi quá trình chế tạo hoàn tất. Các lỗ được back drill đến một độ sâu được kiểm soát, gần với nhưng không chạm vào lớp cuối cùng mà via sử dụng. Có tính đến sai khác trong chế tạo và vật liệu, một nhà chế tạo giỏi có thể back drill các lỗ để chỉ còn lại stub 7 mil; lý tưởng nhất là stub còn lại sẽ nhỏ hơn 10 mil.

Via được dùng để kết nối giữa hai lớp bên trong, tạo ra phần ống mạ không sử dụng (stub) ở phía trên và phía dưới.
Các stub này có thể được loại bỏ bằng khoan chiều sâu kiểm soát.

Để loại bỏ các stub, via bên trái được back drill từ mặt trên; via bên phải được back drill từ cả hai mặt. Lưu ý rằng cả hai via đều vẫn còn một phần stub.

Thường được dùng nhất cho via, và cả cho các đầu nối backplane press-fit, back drilling cung cấp một giải pháp hiệu quả về chi phí để giúp kiểm soát chất lượng tín hiệu cho các đường tín hiệu tốc độ cao. Chi phí của nó thấp hơn so với kỹ thuật ép nhiều lớp tuần tự dùng cho blind via và buried via.

Back drilling được thực hiện bằng cách:

• Định nghĩa một quy tắc thiết kế Maximum Via Stub Length (Back drilling) để xác định các net cần quan tâm, đồng thời xác định chiều dài stub tối đa cho phép. Lưu ý rằng chiều dài stub này không phải là thiết lập khoan; đó là giá trị mà phần mềm dùng để kiểm tra các stub còn lại trong quá trình DRC hàng loạt.
• Độ sâu mà lỗ được back drill được xác định bằng cách cấu hình một drill pair chỉ định lớp bắt đầu và lớp kết thúc cho back drill. Bất kỳ lớp đồng nào cũng có thể được định nghĩa là lớp bắt đầu và lớp kết thúc cho back drill.
• Đường kính của mũi khoan dùng cho back drilling được xác định bởi thiết lập Via/Pad hole size + 2 x Oversize trong quy tắc thiết kế Maximum Via Stub Length (Back drilling) áp dụng.
• Kết nối các đối tượng định tuyến có nhận biết net với một pad hoặc một via để xác định một cặp lớp dùng để định tuyến tín hiệu.

Chỉ định các lỗ cần được back drill

Hướng dẫn phần mềm rằng có các lỗ cần được back drill bằng cách thêm một quy tắc thiết kế Maximum Via Stub Length (Back drilling). Phạm vi áp dụng của quy tắc thiết kế xác định via hoặc pad nào sẽ được khoan. Thông thường bạn chỉ back drill một số net chọn lọc, chẳng hạn như các net tốc độ cao, trong trường hợp đó phạm vi có thể là InNet('Clock'), hoặc InNetClass('HighSpeedNets').

Phạm vi của quy tắc xác định quy tắc này phải được áp dụng cho những đối tượng nào. Quy tắc này nhắm đến các via trong net class IO.

Ví dụ, nếu phạm vi là InNetClass('IO'), thì tất cả các via và pad trong các net đó đều có thể được back drill. Các lỗ thực sự được back drill sẽ phụ thuộc vào việc các tín hiệu đó được định tuyến trên những lớp nào, và những back drill pair nào đã được định nghĩa. Nếu một lỗ không có kết nối nào trên các lớp nằm trong phạm vi lớp back drill, lỗ đó sẽ được back drill.

Để giới hạn thêm thao tác back drilling, hãy siết chặt phạm vi quy tắc. Ví dụ, nếu bạn chỉ muốn back drill các via mà không muốn back drill các pad lỗ xuyên, bạn có thể thay đổi phạm vi quy tắc thành InNetClass('IO') and IsVia.

Xác định các thuộc tính back drill

Khi bạn back drill một ống mạ lỗ xuyên, một mũi khoan có đường kính lớn hơn sẽ được dùng để loại bỏ phần đồng không mong muốn.

    
Bằng cách khoan lại lỗ với mũi khoan lớn hơn đến một độ sâu cụ thể, phần không sử dụng của ống via được loại bỏ, cải thiện tính toàn vẹn của đường tín hiệu này.

Tất cả các thao tác khoan từ lớp này sang lớp khác được định nghĩa bằng cách thêm một định nghĩa khoan lớp bắt đầu-lớp kết thúc trong tab Back Drills của Layer Stack Manager. Tab này sẽ không xuất hiện cho đến khi tính năng Back Drill được bật trong Layer Stack Manager, hãy chọn Tools » Features » Back Drills để bật tính năng này, hoặc nhấn nút  và chọn Back Drills.

Sau khi tính năng được bật, chuyển sang tab Back Drills và nhấn nút  để thêm một định nghĩa Back Drill mới.

Bước tiếp theo là cấu hình các lớp sẽ được back drill, như mô tả bên dưới.

Độ sâu khoan

Độ sâu back drilling là một giá trị được tính toán, không phải là một con số bạn nhập vào hộp thoại. Bạn xác định lớp đầu tiên và lớp cuối cùng, và phần mềm sẽ tính độ sâu khoan cần thiết để back drill xuyên qua tất cả các lớp nằm giữa lớp đầu tiên và lớp cuối cùng, bao gồm độ dày của lớp đầu tiên nhưng không bao gồm độ dày của lớp cuối cùng (back drilling dừng tại lớp đó). First layer và Last layer được định nghĩa trong Properties panel in Layer Stack Manager mode (khi tab Back Drills tab được chọn). Phải có các back drill được định nghĩa trong layer stack thì mới có thể truy cập vùng Back Drill của bảng Properties như minh họa bên dưới.

Lỗ được khoan đến sát, nhưng không chạm vào, lớp cuối cùng được chỉ định trong trường Last layer . Độ sâu của thao tác khoan được xác định bởi:

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

Độ dày các lớp là các giá trị được nhập trong Layer Stack Manager.

Properties Panel

Khi tab Back Drills của tài liệu Layer Stack đang hoạt động, bảng Properties được dùng để xác định các khoảng lớp cần được back drill.

• Back Drill
  • Name – tên của back drill.
  • First layer – lớp đầu tiên mà back drill đi qua.
  • Last layer – lớp cuối cùng mà back drill đi qua.
  • Mirror – khi được bật, một bản đối xứng của back drill hiện tại đi qua các lớp đối xứng trong layer stack sẽ được tạo ra. Tùy chọn này chỉ khả dụng nếu tùy chọn Stack Symmetry được bật.
• Board
  • Stack Symmetry – bật để thêm các lớp theo cặp tương ứng, đối xứng quanh lớp điện môi trung tâm. Khi được bật, layer stack sẽ ngay lập tức được kiểm tra tính đối xứng quanh lớp điện môi trung tâm. Nếu có bất kỳ cặp lớp nào cách đều lớp điện môi tham chiếu trung tâm mà không giống hệt nhau, hộp thoại Stack is not symmetric dialog sẽ mở ra.

• Library Compliance – khi được bật, với mỗi lớp đã được chọn từ Material Library, các thuộc tính hiện tại của lớp sẽ được kiểm tra đối chiếu với các giá trị của định nghĩa vật liệu đó trong thư viện.

• Substack – thông tin này dành cho substack đang được chọn hiện tại (các lớp, điện môi, độ dày, v.v.). Khi bạn chuyển từ substack này sang substack khác, thông tin này sẽ được cập nhật tương ứng (cho substack đang được chọn hiện tại).

• Stack Name – nhập tên substack. Việc đặt tên substack hữu ích khi vùng stackup X/Y được gán một layer substack.
• Is Flex – bật nếu substack là loại flex.
• Layers – số lớp dẫn điện.
• Dielectrics – số lớp điện môi.
• Conductive Thickness – đây là tổng độ dày của tất cả các lớp tín hiệu và lớp plane (tất cả các lớp đồng hoặc lớp dẫn điện).
• Dielectric Thickness – độ dày của (các) lớp điện môi.
• Total Thickness – tổng độ dày của bảng mạch sau khi hoàn thiện.

Kích thước mũi khoan

Đường kính mũi khoan được tính từ:

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

Thay vì nhập một kích thước mũi khoan cụ thể cho back drilling, hãy định nghĩa mũi back drill lớn hơn bao nhiêu so với kích thước lỗ via hoặc pad ban đầu. Phần tăng thêm này được chỉ định như một giá trị theo bán kính trong quy tắc thiết kế, cùng với các yêu cầu dung sai cho các lỗ back drilled, như minh họa bên dưới.

Kích thước mũi khoan dùng cho back drilling bằng kích thước lỗ via hoặc pad ban đầu cộng với hai lần giá trị Backdrill Oversize được chỉ định trong quy tắc thiết kế. Lưu ý rằng Oversize được chỉ định theo giá trị bán kính.

Hiển thị trên màn hình các lỗ đã back drill

Việc hiển thị các lỗ được back drill bao gồm thêm một vòng hai màu với các thuộc tính sau:

• Vòng tròn bên trong là kích thước lỗ via (màu nâu) hoặc pad (màu xanh lá/xanh dương) ban đầu.
• Vòng hai màu biểu thị màu của lớp đầu tiên và lớp cuối cùng của back drill.
• Độ rộng của cung màu là giá trị BackDrill OverSize được định nghĩa trong quy tắc thiết kế. Đường kính ngoài của vòng tròn được tạo bởi hai cung màu là kích thước lỗ back drill thực tế, sẽ được liệt kê như một kích thước khoan trong chế độ Hole Size Editor của bảng PCB. 
• Việc hiển thị vòng màu phụ thuộc vào lớp hiện đang được kích hoạt trong PCB editor. Ví dụ, hình đầu tiên bên dưới là khi lớp top đang active và hình thứ hai là khi lớp bottom đang active. Nếu lớp active không được back drill (ví dụ, nếu lớp active là Mid Layer 2 hoặc Mid Layer 3 trong via hiển thị bên dưới), thì back drill sẽ không được hiển thị. Khi đó bạn sẽ chỉ thấy lỗ via màu nâu được bao quanh bởi vùng land đa lớp.

  
Cùng một via được hiển thị ở bên trái khi lớp top active, ở hình giữa khi lớp bottom active, và ở chế độ 3D bên phải.

Kiểm tra Back Drilling trong Hole Size Editor

Back drill cũng có thể được xác định vị trí và xem thông qua chế độ Hole Size Editor được thiết lập trong bảng PCB.

Trong hình dưới đây, back drill kích thước 14mil đã được nhấp chọn trong bảng. Màn hình sẽ phóng to đến các lỗ được back drill đó, đồng thời làm nổi bật lớp bắt đầu và lớp kết thúc. Lưu ý rằng có bảy via được back drill hiển thị trong bảng, nhưng chỉ có năm cái được hiển thị trong không gian thiết kế. Đó là vì via thứ hai và thứ ba được back drill từ cả mặt trên lẫn mặt dưới, và do lớp top là lớp active, các via đó hiện đang được hiển thị như back drill từ mặt trên.

Kiểm tra Stub

Quy tắc thiết kế Maximum Via Stub Length (Back drilling) được dùng cả để xác định các vị trí back drill tiềm năng và để kiểm tra các stub còn lại.

Trong quá trình kiểm tra quy tắc thiết kế, tất cả các via và pad áp dụng sẽ được kiểm tra xem có stub nào dài hơn giá trị Max Stub Length được cấu hình trong quy tắc thiết kế hay không. Lưu ý rằng tất cả pad và via được nhắm tới bởi các quy tắc Maximum Via Stub Length (Back drilling) đều được kiểm tra, không chỉ những đối tượng đã được back drill hoặc chưa được back drill.

Quy tắc này kiểm tra chiều dài của bất kỳ stub còn lại nào. Trong hình dưới đây, dù via đã được back drill (theo đúng các back drill đã định nghĩa), stub còn lại vẫn lớn hơn mức 7mil được cho phép bởi quy tắc thiết kế áp dụng, nên một vi phạm quy tắc sẽ được gắn cờ.

Kiểm tra quy tắc thiết kế sẽ gắn cờ bất kỳ stub nào lớn hơn Max Stub Length do quy tắc thiết kế cho phép.
Via này không đạt, vì stub còn lại lớn hơn 7mil.

Tạo đầu ra

Việc tạo đầu ra cho back drilling diễn ra một cách minh bạch. Nếu cần thêm các tệp đầu ra kiểu drill, chúng sẽ được tự động tạo ra.

Back drilling rất giống với việc dùng blind via (các via này cũng yêu cầu một cặp lớp đầu/cuối được định nghĩa trong Layer Stack Manager), trong đó chỉ định yêu cầu khoan giữa cặp lớp đó. Điểm khác biệt là blind via được mạ, còn via hoặc pad được back drill là một lần khoan không mạ. Các lỗ không mạ về cơ bản là một công đoạn sau chế tạo, tức là việc khoan diễn ra sau các bước etching, lamination, drilling và mạ xuyên lỗ. 

Báo cáo Back Drill

Để tạo báo cáo tóm tắt về tất cả các lần back drill trong thiết kế, hãy nhấp chuột phải vào vùng Unique Holes của bảng PCB trong chế độ Hole Size Editor rồi chọn Backdrill Report từ menu ngữ cảnh.

Tạo báo cáo cho tất cả các lần back drill trong PCB hiện tại.

Hộp thoại Report Preview sẽ mở ra. Nhấp nút Export để chọn loại tệp, vị trí bạn muốn lưu tệp, sau đó nhập tên tệp.

Ký hiệu khoan, bảng khoan và bản vẽ khoan

Các ký hiệu khoan được gán tự động và có thể được cấu hình lại trong hộp thoại Drill Symbols. Các ký hiệu này được hiển thị trên lớp Drill Drawing trong không gian thiết kế PCB nếu tùy chọn Show Drill Symbols được bật trong hộp thoại Drill Symbols. Có thể truy cập hộp thoại này bằng cách nhấp chuột phải trong vùng Unique Holes của bảng hoặc trên tab lớp Drill Drawing, như hình dưới đây.

Cấu hình việc gán ký hiệu khoan và bật hiển thị chúng trong hộp thoại Drill Symbols.

Vì back drilling liên quan đến việc khoan tại cùng một vị trí bằng các mũi khoan kích thước khác nhau, các ký hiệu khoan sẽ xuất hiện chồng lên nhau tại các vị trí đó. Hãy dùng bộ chọn cặp lớp để kiểm soát cặp lớp nào hiện đang được hiển thị, như trong các hình dưới đây.

  
Nhấp chuột trái vào biểu tượng tam giác để chọn cặp drill bạn muốn hiển thị.

Một bảng drill đã đặt có thể được cấu hình để hiển thị tất cả các cặp lớp drill, hoặc chỉ một cặp lớp cụ thể. Hình dưới đây là từ một thiết kế có back drilling từ cả mặt trên và mặt dưới của bo mạch, nên đã đặt ba bảng. Lưu ý cột Drill Layer Pair; nó cho biết chức năng của từng bảng.

Ba bảng drill đã được đặt: bảng thứ nhất hiển thị các lỗ xuyên, bảng thứ hai hiển thị back drill từ mặt trên, và bảng thứ ba hiển thị back drill từ mặt dưới.

NC Drill

Đối với mỗi cặp drill được định nghĩa, đầu ra NC drill sẽ tạo ra một tệp drill riêng biệt. Lưu ý rằng nó cũng tạo một tệp riêng cho từng loại hình dạng lỗ (tròn, chữ nhật hoặc rãnh).

Tệp báo cáo drill (<ProjectName>.DRR) bao gồm phần tóm tắt việc gán dụng cụ khoan, kích thước của chúng, cũng như vai trò và tên của từng tệp drill được tạo ra.

Hộp thoại NC Drill Setup bao gồm một tùy chọn Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes . Các tệp đầu ra NC drill luôn bao gồm tất cả các lần khoan. Nếu bật tùy chọn này, các lần khoan mạ và không mạ sẽ được xuất ra các tệp riêng biệt. Chúng được nhận diện bằng một chuỗi bổ sung trong tên tệp theo định dạng <DesignName>-Plated, hoặc <DesignName>-NonPlated.

Các lần back drill luôn được xuất ra tệp riêng của chúng, mỗi tệp được nhận diện bằng một phần mở rộng tệp duy nhất. Ví dụ, chúng có thể được đặt tên là <DesignName>-BackDrill.TX3 cho các lần back drill từ mặt trên và <DesignName>-BackDrill.TX4 cho các lần back drill từ mặt dưới.

Báo cáo drill tóm tắt việc gán các mũi khoan cho dụng cụ, số lượng của từng kích thước và các tệp drill mà chúng được mô tả trong đó.

Gerber X2

Thay vì chỉ là một tiêu chuẩn để xuất dữ liệu chế tạo cho một bộ lớp PCB (vốn yêu cầu bổ sung các tệp NC drill để chế tạo bare-board), Gerber X2 xuất toàn bộ dữ liệu cần thiết để đưa thiết kế vào quy trình CAM của nhà chế tạo. Gerber X2 được cấu hình trong hộp thoại Gerber X2 Setup.

Điều này bao gồm:

• Chức năng tệp Gerber: lớp đồng top, solder mask top, v.v.
• Thành phần: PCB đơn, panel, v.v.
• Chức năng đối tượng: pad SMD, pad via, v.v.
• Dung sai khoan
• Vị trí các đường mạch được kiểm soát trở kháng
• Via được lấp đầy

Nếu trong thiết kế có các lỗ back drill, đầu ra Gerber X2 sẽ tự động bao gồm các tệp drill bổ sung với tên tệp, chẳng hạn như:

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

Các tệp back drill này bao gồm các chỉ thị định dạng Gerber X2, chẳng hạn như:

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

Dòng này hướng dẫn phần mềm CAM xử lý nội dung của tệp này như các lần khoan blind không mạ giữa lớp tín hiệu 1 và 3.

Kích thước khoan được định nghĩa bằng các aperture, và phần định nghĩa của chúng được đặt sau một chỉ thị khai báo chúng là kích thước khoan.

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

Đối với đầu ra ODB++, sẽ có thêm một thư mục drill được tạo cho mỗi cặp lớp back drill được định nghĩa. Chúng sẽ có tên như \drill1, \drill2. Các thư mục này bao gồm các tệp ODB drill tiêu chuẩn.

IPC-2581

Hỗ trợ cho IPC-2581 sẽ được bổ sung trong một bản cập nhật tương lai.

Draftsman

Draftsman là công cụ lý tưởng để tạo tài liệu chất lượng cao cho thiết kế của bạn. Nếu trong thiết kế có các cặp lớp kiểu back drill được định nghĩa, Layer Stack Legend sẽ hiển thị chúng, giúp dễ dàng nhanh chóng xác định sự hiện diện của chúng.

Đặt một Layer Stack Legend để hiển thị các cặp lớp được dùng cho back drilling, và các bảng drill cho từng bộ drill theo cặp lớp.

Bạn cũng có thể cấu hình bảng drill để hiển thị từng cặp lớp back drill, giúp dễ dàng nhanh chóng nhận biết kích thước khoan và số lượng lỗ cần thiết cho back drilling.