Khoan kiểm soát độ sâu (khoan ngược)

Khoan kiểm soát độ sâu (Controlled Depth Drilling – CDD), còn gọi là khoan ngược, là kỹ thuật dùng để loại bỏ phần ống đồng không sử dụng, hay đoạn thừa (stub), khỏi lỗ xuyên trên bảng mạch in. Khi tín hiệu tốc độ cao truyền giữa các lớp PCB qua ống đồng, tín hiệu có thể bị méo. Nếu cách sử dụng các lớp tín hiệu tạo ra đoạn thừa và đoạn thừa này dài, mức độ méo tín hiệu có thể trở nên đáng kể.

Có thể loại bỏ các đoạn thừa này bằng cách khoan lại các lỗ đó bằng mũi khoan có đường kính lớn hơn một chút sau khi hoàn tất chế tạo. Các lỗ được khoan ngược đến độ sâu được kiểm soát, gần nhưng không chạm vào lớp cuối cùng mà via sử dụng. Khi tính đến sai lệch trong chế tạo và vật liệu, nhà sản xuất có năng lực tốt có thể khoan ngược để chỉ còn lại đoạn thừa dài 7 mil; lý tưởng nhất là đoạn thừa còn lại ngắn hơn 10 mil.

Via được dùng để kết nối hai lớp bên trong, tạo ra các phần ống đồng không sử dụng (đoạn thừa) ở phía trên và phía dưới.
Có thể loại bỏ các đoạn thừa này bằng kỹ thuật khoan kiểm soát độ sâu.

Để loại bỏ các đoạn thừa, via bên trái được khoan ngược từ mặt trên; via bên phải được khoan ngược từ cả hai mặt. Lưu ý rằng cả hai via vẫn còn một phần đoạn thừa.

Thường được sử dụng nhất cho via và cả các đầu nối bảng mạch nền dạng ép lắp (press-fit), khoan ngược là giải pháp tiết kiệm chi phí giúp kiểm soát chất lượng tín hiệu trên các đường truyền tốc độ cao. Phương pháp này có chi phí thấp hơn kỹ thuật ép lớp tuần tự dùng cho via mù và via chôn.

Khoan ngược được thực hiện bằng cách:

• Định nghĩa quy tắc thiết kế Chiều dài đoạn thừa via tối đa (Khoan ngược) để xác định các net cần xử lý cũng như chiều dài đoạn thừa tối đa cho phép. Lưu ý rằng chiều dài đoạn thừa này không phải là thông số cài đặt khoan; đây là giá trị mà phần mềm dùng để kiểm tra các đoạn thừa còn lại khi chạy kiểm tra quy tắc thiết kế (DRC) hàng loạt.
• Độ sâu khoan ngược của lỗ được xác định bằng cách cấu hình một cặp lớp khoan, chỉ định lớp bắt đầu và lớp kết thúc cho thao tác khoan ngược. Có thể chọn bất kỳ lớp đồng nào làm lớp bắt đầu và lớp kết thúc cho khoan ngược.
• Đường kính mũi khoan dùng để khoan ngược được xác định bằng 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 đi dây có thông tin net với pad hoặc via để xác định cặp lớp dùng để đi dây cho tín hiệu.

Xác định các lỗ cần khoan ngược

Để báo cho phần mềm biết có các lỗ cần khoan ngược, hãy thêm quy tắc thiết kế Chiều dài đoạn thừa via tối đa (Khoan ngược). Phạm vi của quy tắc thiết kế xác định những via hoặc pad nào cần được khoan. Thông thường, bạn chỉ khoan ngược các net được chọn, chẳng hạn như các net tốc độ cao; khi đó, phạm vi có thể là InNet('Clock') hoặc InNetClass('HighSpeedNets').

Phạm vi của quy tắc xác định những đối tượng mà quy tắc này phải áp dụng. Quy tắc này nhắm đến các via thuộc lớp net IO.

Ví dụ, nếu phạm vi là InNetClass('IO'), thì tất cả via và pad trong các net đó đều có thể được khoan ngược. Những lỗ thực sự được khoan ngược sẽ phụ thuộc vào các lớp mà những tín hiệu đó được đi dây và các cặp lớp khoan ngược đã được định nghĩa. Nếu một lỗ không có kết nối trên các lớp nằm trong phạm vi lớp khoan ngược, lỗ đó sẽ được khoan ngược.

Để giới hạn thêm thao tác khoan ngược, hãy thu hẹp phạm vi quy tắc. Ví dụ, nếu bạn chỉ muốn khoan ngược các via mà không khoan các pad xuyên lỗ, bạn có thể đổi phạm vi quy tắc thành InNetClass('IO') and IsVia.

Định nghĩa các thuộc tính khoan ngược

Khi khoan ngược phần ống đồng của lỗ xuyên, mũi khoan có đường kính lớn hơn lỗ được dùng để loại bỏ phần đồng không mong muốn.

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

Mọi thao tác khoan giữa các lớp đều được xác định bằng cách thêm định nghĩa khoan từ lớp bắt đầu đến lớp kết thúc trong tab Back Drills của Trình quản lý cấu trúc lớp. Tab này chỉ khả dụng sau khi tính năng khoan ngược được bật trong Trình quản lý cấu trúc lớp; chọn Tools » Features » Back Drills để bật tính năng hoặc nhấp vào nút  rồi chọn Back Drills.

Sau khi bật tính năng, chuyển sang tab Back Drills và nhấp vào nút  để thêm định nghĩa khoan ngược mới.

Bước tiếp theo là cấu hình các lớp cần khoan ngược, như mô tả bên dưới.

Độ sâu khoan

Độ sâu khoan ngược là giá trị được tính toán, không phải con số bạn nhập vào hộp thoại. Bạn xác định lớp đầu tiên và lớp cuối cùng, sau đó phần mềm tính độ sâu cần thiết để khoan ngược xuyên qua tất cả các lớp giữa lớp đầu tiên và lớp cuối cùng, bao gồm độ dày lớp đầu tiên nhưng không bao gồm độ dày lớp cuối cùng (khoan ngược dừng tại lớp đó). First layer và Last layer được xác định trong bảng Thuộc tính ở chế độ Trình quản lý cấu trúc lớp (khi chọn tab Khoan ngược). Phải có các định nghĩa khoan ngược trong cấu trúc lớp thì mới truy cập được vùng Back Drill của Properties bảng như minh họa bên dưới.

Lỗ được khoan đến gần 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 những giá trị được nhập vào Trình quản lý cấu trúc lớp.

Bảng Properties

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

• Back Drill
  • Name – tên của cấu hình khoan ngược.
  • First layer – lớp đầu tiên trong khoảng khoan ngược.
  • Last layer – lớp cuối cùng trong khoảng khoan ngược.
  • Mirror – khi bật, một bản sao đối xứng của cấu hình khoan ngược hiện tại sẽ được tạo, trải qua các lớp đối xứng trong chồng lớp. Tùy chọn này chỉ khả dụng nếu tùy chọn Stack Symmetry được bật.
• Board
  • Stack Symmetry – bật để thêm các lớp theo từng cặp tương ứng, lấy lớp điện môi ở giữa làm tâm. Khi bật, chồng lớp sẽ được kiểm tra ngay về 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 nhưng không giống nhau, hộp thoại Chồng lớp không đối xứng sẽ mở ra.

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

• Substack – đây là thông tin về chồng lớp con hiện được chọn (các lớp, điện môi, độ dày, v.v.). Khi chuyển từ chồng lớp con này sang chồng lớp con khác, thông tin này sẽ được cập nhật tương ứng (cho chồng lớp con hiện được chọn).

• Stack Name – nhập tên chồng lớp con. Việc đặt tên cho chồng lớp con rất hữu ích khi gán chồng lớp con cho vùng chồng lớp X/Y.
• Is Flex – bật nếu chồng lớp con là loại mềm.
• Layers – số lượng lớp dẫn điện.
• Dielectrics – số lượng lớp điện môi.
• Conductive Thickness – tổng độ dày của tất cả các lớp tín hiệu và lớp mặt phẳng (tất cả các lớp đồng hoặc lớp dẫn điện).
• Dielectric Thickness – độ dày của các lớp điện môi.
• Total Thickness – tổng độ dày của bo mạch thành phẩm.

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 kích thước mũi khoan cụ thể để khoan ngược, hãy xác định mức tăng kích thước của lỗ khoan ngược so với kích thước lỗ via hoặc pad ban đầu. Phần tăng kích thước được quy định theo bán kính trong quy tắc thiết kế, cùng với các yêu cầu về dung sai cho lỗ khoan ngược, như minh họa bên dưới.

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

Hiển thị lỗ khoan ngược trên màn hình

Các lỗ được khoan ngược sẽ được hiển thị thêm một vòng hai màu với các đặc điểm sau:

• Đường tròn bên trong thể hiện kích thước lỗ via (màu nâu) hoặc lỗ pad (màu xanh lá/xanh dương) ban đầu.
• Vòng hai màu biểu thị màu của lớp đầu tiên và màu của lớp cuối cùng trong khoảng khoan ngược.
• Độ rộng của cung màu là giá trị BackDrill OverSize được xác định trong quy tắc thiết kế. Đường kính ngoài của vòng tròn được tạo bởi hai cung màu là kích thước lỗ khoan ngược thực tế, sẽ được liệt kê dưới dạng kích thước mũi khoan trong chế độ Trình chỉnh sửa kích thước lỗ của bảng PCB. 
• Việc hiển thị vòng màu phụ thuộc vào lớp hiện đang hoạt động trong trình chỉnh sửa PCB. Ví dụ, hình đầu tiên bên dưới là khi lớp trên cùng đang hoạt động và hình thứ hai là khi lớp dưới cùng đang hoạt động. Nếu lớp đang hoạt động không được khoan ngược (ví dụ, nếu lớp đang hoạt động là Mid Layer 2 hoặc Mid Layer 3 trong via minh họa bên dưới), phần khoan ngược sẽ hoàn toàn không được hiển thị. Bạn sẽ chỉ thấy lỗ via màu nâu được bao quanh bởi vùng vành đồng đa lớp.

  
Cùng một via được hiển thị ở bên trái khi lớp trên cùng đang hoạt động, ở giữa khi lớp dưới cùng đang hoạt động và ở bên phải trong chế độ 3D.

Kiểm tra khoan ngược trong Trình chỉnh sửa kích thước lỗ

Bạn cũng có thể xác định vị trí và xem các lỗ khoan ngược thông qua chế độ Trình chỉnh sửa kích thước lỗ trong bảng PCB.

Trong hình bên dưới, mục khoan ngược có kích thước 14 mil đã được nhấp chọn trong bảng. Màn hình phóng to đến các lỗ khoan ngược đó, làm nổi bật chúng cùng với các lớp bắt đầu và kết thúc. Lưu ý rằng có bảy via khoan ngược được liệt kê trong bảng, nhưng chỉ có năm via được hiển thị trong không gian thiết kế. Đó là vì via thứ hai và thứ ba được khoan ngược từ cả mặt trên lẫn mặt dưới, và do lớp trên cùng là lớp đang hoạt động, các via đó hiện được hiển thị dưới dạng khoan ngược từ mặt trên.

Kiểm tra đoạn cụt

Quy tắc thiết kế Chiều dài đoạn cụt via tối đa (Khoan ngược) được dùng để xác định các vị trí có thể cần khoan ngược cũng như kiểm tra các đoạn cụt còn lại.

Trong quá trình kiểm tra quy tắc thiết kế, tất cả các via và pad thuộc phạm vi áp dụng đều được kiểm tra xem có đoạn cụt nào dài hơn giá trị Max Stub Length được cấu hình trong quy tắc thiết kế hay không. Lưu ý rằng tất cả các pad và via thuộc phạm vi áp dụng của các quy tắc thiết kế Maximum Via Stub Length (Back drilling) đều được kiểm tra, không chỉ những đối tượng đã hoặc chưa được khoan ngược.

Quy tắc này kiểm tra chiều dài của mọi đoạn cụt còn lại. Trong hình bên dưới, mặc dù via đã được khoan ngược (theo các cấu hình khoan ngược đã xác định), đoạn cụt còn lại vẫn dài hơn mức 7 mil mà quy tắc thiết kế áp dụng cho phép, vì vậy hệ thống đánh dấu vi phạm quy tắc.

Quá trình kiểm tra quy tắc thiết kế sẽ đánh dấu mọi đoạn cụt dài hơn Chiều dài đoạn cụt tối đa mà quy tắc thiết kế cho phép.
Via này không đạt vì đoạn cụt còn lại dài hơn 7 mil.

Tạo đầu ra

Việc tạo đầu ra cho khoan ngược diễn ra tự động. Nếu cần thêm các tệp đầu ra dạng khoan, các tệp này sẽ được tự động tạo.

Khoan ngược rất giống với việc sử dụng via mù (cũng yêu cầu xác định cặp lớp đầu/cuối trong Layer Stack Manager), qua đó chỉ định các yêu cầu khoan giữa cặp lớp này. Điểm khác biệt là via mù được mạ, còn via hoặc pad khoan ngược được khoan không mạ. Việc tạo lỗ không mạ về cơ bản là một công đoạn sau chế tạo, tức là khoan được thực hiện sau các công đoạn ăn mòn, ép lớp, khoan và mạ lỗ xuyên. 

Báo cáo khoan ngược

Để tạo báo cáo tổng hợp tất cả các thao tác khoan ngược trong thiết kế, nhấp chuột phải vào vùng Unique Holes của bảng PCB ở chế độ Hole Size Editor rồi chọn Backdrill Report từ menu ngữ cảnh.

Tạo báo cáo về tất cả các thao tác khoan ngược trong PCB hiện tại.

Hộp thoại Report Preview sẽ mở ra. Nhấp vào nút Export để chọn loại tệp, vị trí lưu tệp, rồi nhập tên tệp.

Ký hiệu khoan, bảng khoan và bản vẽ khoan

Các ký hiệu khoan được tự động gán 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 bằng cách nhấp chuột phải vào vùng Unique Holes của bảng hoặc vào tab lớp Drill Drawing, như minh họa bên dưới.

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

Do khoan ngược sử dụng các mũi khoan có kích thước khác nhau để khoan tại cùng một vị trí, các ký hiệu khoan sẽ xuất hiện chồng lên nhau tại những vị trí này. Sử dụng bộ chọn cặp lớp để điều khiển cặp lớp đang được hiển thị, như trong các hình bên dưới.

  
Nhấp chuột trái vào biểu tượng tam giác để chọn cặp lớp khoan muốn hiển thị.

Bảng khoan đã đặt có thể được cấu hình để hiển thị tất cả các cặp lớp khoan hoặc chỉ một cặp lớp cụ thể. Hình bên dưới được lấy từ một thiết kế có khoan ngược từ cả mặt trên và mặt dưới của bo mạch, do đó đã đặt ba bảng. Lưu ý cột Drill Layer Pair; cột này cho biết chức năng của từng bảng.

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

Khoan NC

Với mỗi cặp lớp khoan được xác định, đầu ra khoan NC sẽ tạo một tệp khoan riêng. Lưu ý rằng đầu ra này cũng tạo một tệp riêng cho từng loại hình dạng lỗ (tròn, chữ nhật hoặc dạng rãnh).

Tệp báo cáo khoan (<ProjectName>.DRR) bao gồm thông tin tổng hợp về việc gán dụng cụ khoan, kích thước của chúng, cũng như vai trò và tên của từng tệp khoan được tạo.

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

Các thao tác khoan ngược luôn được xuất ra các tệp riêng, mỗi tệp được nhận diện bằng một phần mở rộng tệp riêng biệt. Ví dụ: các tệp này có thể được đặt tên là <DesignName>-BackDrill.TX3 cho các thao tác khoan ngược từ mặt trên và <DesignName>-BackDrill.TX4 cho các thao tác khoan ngược từ mặt dưới.

Báo cáo khoan tóm tắt việc gán các lỗ khoan cho dụng cụ, số lượng lỗ theo từng kích thước và các tệp khoan chứa thông tin chi tiết về chúng.

Gerber X2

Thay vì chỉ là một tiêu chuẩn để xuất dữ liệu chế tạo cho một tập hợp các lớp PCB (vốn cần bổ sung các tệp khoan NC để chế tạo bo mạch trần), 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.

Dữ liệu này bao gồm:

• Chức năng tệp Gerber: lớp đồng mặt trên, lớp chống hàn mặt trên, v.v.
• Đối tượng sản xuất: PCB đơn, panel, v.v.
• Chức năng đối tượng: pad SMD, pad via, v.v.
• Dung sai khoan
• Vị trí các đường mạch có kiểm soát trở kháng
• Via được lấp đầy

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

<DesignName>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

Các tệp khoan ngược này bao gồm các lệnh theo định dạng Gerber X2, chẳng hạn như:

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

Dòng này chỉ thị cho phần mềm CAM xử lý nội dung của tệp này như các thao tác khoan mù không mạ, giữa các lớp tín hiệu 1 và 3.

Kích thước khoan được xác định bằng các khẩu độ; trước phần định nghĩa khẩu độ là một lệnh khai báo chúng là kích thước khoan.

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

Đối với đầu ra ODB++, một thư mục khoan bổ sung sẽ được tạo cho mỗi cặp lớp khoan ngược đã xác định. Các thư mục này sẽ có tên như \drill1, \drill2. Các thư mục này chứa các tệp khoan ODB tiêu chuẩn.

IPC-2581

Khả năng hỗ trợ IPC-2581 sẽ được bổ sung trong một bản cập nhật sau.

Draftsman

Draftsman là công cụ lý tưởng để tạo tài liệu chất lượng cao cho thiết kế của bạn. Nếu thiết kế có xác định các cặp lớp kiểu khoan ngược, bảng chú giải cấu trúc lớp sẽ hiển thị các cặp lớp này, giúp nhanh chóng nhận biết sự hiện diện của chúng.

Đặt bảng chú giải cấu trúc lớp để hiển thị các cặp lớp được sử dụng cho khoan ngược, cùng các bảng khoan cho tập hợp lỗ khoan của từng cặp lớp.

Bạn cũng có thể cấu hình bảng khoan để hiển thị từng cặp lớp khoan ngược, giúp nhanh chóng xác định kích thước khoan và số lượng lỗ cần thiết cho khoan ngược.