Сверление управляемой глубины, или обратное высверливание

Сверление управляемой глубины (Controlled Depth Drilling, CDD), также известное как обратное высверливание – это технология, которая используется для удаления неиспользуемых столбиков проводящего материала из сквозных переходных отверстий печатной платы. Когда высокоскоростной сигнал переходит между слоями платы по проводящему столбику, сигнал может быть искажен. Если длина этого столбика проводящего материала достаточно большая, то искажения могут стать существенными.

Эти столбики можно удалить путем повторного высверливания этих отверстий с несколько бо́льшим диаметром сверления после изготовления слоя. Эти отверстия высверливаются на управляемую глубину, близко, но не касаясь последнего слоя, используемого в переходе. В зависимости от материалов и возможностей производства, можно оставить столбики длиной 7 милов, в идеале оставшийся отрезок будет менее 10 милов.

Для соединения двух внутренних слоев используется переходное отверстие, что приводит к наличию неиспользуемых участков (столбиков) сверху и снизу. Эти столбики удаляются с помощью сверления управляемой глубины.

Для удаления столбиков переходное отверстие слева высверливается с верхней стороны, а отверстие справа высверливается с обеих сторон. Обратите внимание, что у переходных отверстий есть небольшой остаточный столбик.

Обратное высверливание, которое чаще всего используется для переходных отверстий, а также для объединительных коннекторов с тугой посадкой, обеспечивает экономически эффективное решение для управления качеством путей высокоскоростных сигналов. Оно предлагает более низкую стоимость по сравнению с технологией последовательного прессования, используемой для получения глухих и скрытых переходных отверстий.

Для обратного высверливания необходимо:

• Определить правило Maximum Via Stub Length (Back drilling), в котором будут заданы нужные цепи и максимально допустимая длина столбика. Обратите внимание, что эта длина столбика является не настройкой сверления, а значением, которое система будет использовать при проверке остаточных столбиков при пакетной DRC.
• Глубина, на которую отверстие будет обратно высверливаться, определяется путем настройки пары сверловки, которая указывает начальный и конечный слои для обратного высверливания. В качестве начального и конечного слоев для обратного высверливания могут быть указаны любые проводящие слои.
• Диаметр сверления, используемый для обратного высверливания, определяется выражением Размер отверстия КП/ПО + 2 x Oversize из правила проектирования Maximum Via Stub Length (Back drilling).

Указание отверстий для обратного высверливания

Укажите системе, что существуют отверстия, которые необходимо обратно высверлить, путем добавления правила проектирования Maximum Via Stub Length (Back drilling). Область действия правила проектирования определяет, какие переходные отверстия или контактные площадки должны быть обратно высверлены. Как правило, обратное высверливание необходимо применить только к определенным цепям, таким как высокоскоростные цепи, и в этом случае областью действия будет что-то вроде InNet('Clock') или InNetClass('HighSpeedNets').

Область действия правила определяет, к каким объектам должно быть применено правило. Это правило применяется к переходным отверстиям в классе цепей IO.

Например, если областью действия является InNetClass('IO'), то все переходные отверстия и контактные площадки в этих цепях потенциально могут быть высверлены. Отверстия, которые действительно будут обратно высверлены, зависят от того, на каких слоях растрассированы сигналы и какие пары обратного высверливания были определены. Если у отверстия нет соединений на слоях в диапазоне слоев обратного высверливания, то это отверстие будет обратно высверлено.

Для дальнейшего ограничения операции обратного высверливания сузьте область действия правила. Например, если вы хотите применять обратное высверливание только к переходным отверстиям, но не к сквозным контактным площадкам, вы можете изменить область действия правила на InNetClass('IO') and IsVia.

Определение свойств обратного высверливания

При обратном высверливании сквозного металлизированного отверстия, для удаления ненужной меди используется сверло увеличенного размера.

   
Путем повторного сверления отверстия сверлом увеличенного размера на определенную глубину удаляется неиспользуемая часть столбика переходного отверстия, что улучшает целостность пути сигнала.

Все действия высверливания между слоями задаются путем определения начального и конечного слоя на вкладке Back Drills в Layer Stack Manager. Эта вкладка становится доступной после включения обратного высверливания в Layer Stack Manager – для этого выберите Tools » Features » Back Drills или нажмите кнопку и выберите Back Drills.

После включения обратного высверливания переключитесь на вкладку Back Drills и нажмите кнопку , чтобы добавить новое определение обратного высверливания.

Следующим шагом является настройка слоев, к которым необходимо применить обратное высверливание, как описано ниже.

Глубина сверления

Глубина сверления является расчетным значением, а не числом, которое вы указываете. Вы определяете начальный и конечный слои, а система рассчитывает глубину сверления, необходимую для обратного высверливания через все слои между начальным и конечным слоем, с учетом толщины начального слоя, но не толщины конечного слоя (обратное высверливание останавливается на этом слое). Слои First layer и Last layer определяются в панели Properties в режиме Layer Stack Manager (когда активна вкладка Back Drills). В стеке слоев должны быть определены обратные высверливания, чтобы была возможность получить доступ к разделу Back Drill панели Properties, как показано ниже.

Отверстие сверлится до конечного слоя (но не затрагивая его), указанного в поле Last layer. Глубина сверления определяется следующим образом:

Глубина = Сумма толщин всех слоев от начального до конечного слоя - толщина конечного слоя

Толщинами слоев являются значения, введенные в Layer Stack Manager.

Размер сверления

Диаметр сверления рассчитывается следующим образом:

Размер обратного высверливания = Размер отверстия КП/ПО + 2 x Значения BackDrill OverSize из правила

Вместо ввода определенного размера для обратного высверливания, вы задаете, насколько обратное высверливание будет больше начального размера контактной площадки или переходного отверстия. Увеличение размера указывается в правиле проектирования как радиальная величина с допуском на отверстия обратного высверливания, как показано ниже.

Размер отверстия, используемый при обратном высверливании, вычисляется как изначальный размер переходного отверстия или контактной площадки плюс удвоенное значение BackDrill OverSize, заданное в правиле проектирования. Обратите внимание, что BackDrill OverSize указывается как радиальная величина.

Отображение обратно высверленных отверстий

Отображение обратно высверленных отверстий включает в себя дополнительный двухцветный поясок со следующими свойствами:

• Внутренний круг обозначает размер изначального переходного отверстия (коричневый) или контактной площадки (зеленый/синий).
• Двухцветное кольцо обозначает цвет начального слоя и конечного слоя обратного высверливания.
• Ширина цветной дуги – это значение BackDrill OverSize, определенное в правиле проектирования. Внешний диаметр, заданный двумя цветными дугами – это фактический размер отверстия обратного высверливания, который приводится в качестве размера отверстия в режиме Hole Size Editor панели PCB.
• Отображение цветного пояска зависит от того, какой слой является активным в редакторе плат. Например, на первом изображении ниже активен верхний слой, а на втором изображении активен нижний слой. Если к активному слою не применено обратное высверливание (например, если активным слоем был бы Mid Layer 2 или Mid layer 3 в переходном отверстии, показанном ниже), то обратное высверливание не будет показано. Вы увидите только отверстие перехода, обозначенное коричневым цветом, окруженное контуром на слое Multi-layer.

  
Одно и то же отверстие, где первом изображении активен верхний слой, на втором изображении активен нижний слой, а на третьем изображении показан 3D-режим.

Проверка обратного высверливания в Hole Size Editor

Места обратного высверливания можно найти и отобразить с помощью панели PCB в режиме Hole Size Editor.

На изображении ниже, в панели было выбрано обратное высверливание размером 18 милов. Эти обратно высверленные отверстия приближаются на виде, с подсветкой начального и конечного слоев. Обратите внимание, что в панели показаны семь обратно высверленных переходных отверстий, но только пять из них показаны в проектной области. Поскольку второе и третье переходное отверстие обратно высверлены с верхней и нижней стороны и поскольку активен верхний слой, эти переходные отверстия в данный момент показаны как обратное высверливание с верхней стороны.

Проверка столбиков

Правило проектирования Maximum Via Stub Length (Back drilling) используется как для определения потенциальных мест обратного высверливания, так и для проверки остаточных столбиков.

В процессе проверки правил проектирования проверяется, что у всех соответствующих переходных отверстий и контактных площадок длина столбиков не превышает значение Max Stub Length, заданное в правиле. Обратите внимание, что проверяются все контактные площадки и переходные отверстия, к которым применяются правила проектирования Maximum Via Stub Length (Back drilling), а не только те, которые были обратно высверлены или не были обратно высверлены.

Правило проектирования проверяет длину остаточных столбиков. На изображении ниже показано, что хотя переходное отверстие было обратно высверлено (в соответствии с заданными обратными высверливаниями), остаточный столбик больше 7 милов, допустимых правилом проектирования, поэтому появляется нарушение правила.

Правило проектирования помечает все столбики, длина которых больше значения Max Stub Length, указанного в правиле.
Это переходное отверстие не соответствует правилу, поскольку остаточный столбик больше 7 милов.

Формирование выходных документов

Формирование выходных документов на обратное высверливание прозрачно. Если необходимы дополнительные выходные файлы на обратное высверливание, они формируются автоматически.

Обратное высверливание очень похоже на использование глухих переходов (для которых тоже необходимо определять пару начального/конечного слоя в Layer Stack Manager), которое определяет требования к сверлению между этой парой слоев. Разница заключается в том, что глухие переходы металлизированы, в отличие от обратно высверленных переходных отверстий и контактных площадок. Создание неметаллизированных отверстий является, по сути, процессом после изготовления печатной платы, т.е. сверление происходит после травления, прессования, сверления и металлизации сквозных переходов.

Отчет об обратном высверливании

Для формирования отчета со сводкой обо всех обратных высверливаниях в конструкции щелкните ПКМ в разделе Unique Holes панели PCB в режиме Hole Size Editor и выберите Backdrill Report из контекстного меню.

Сформируйте отчет на все обратные высверливания в текущей плате.

Будет открыто диалоговое окно Report Preview. Нажмите кнопку Export, чтобы выбрать тип и место сохранения файла и ввести имя файла.

Символы сверловки, таблица отверстий и чертеж сверловки

Символы сверловки назначаются автоматически, и их можно перенастроить в диалоговом окне Drill Symbols. В проектной области символы отображаются на слое Drill Drawing, если в диалоговом окне Drill Symbols включена опция Show Drill Symbols. Чтобы открыть это диалоговое окно, щелкните ПКМ в разделе Unique Holes панели либо по вкладке слоя Drill Drawing, как показано ниже.

Назначьте символы сверловки и включите их отображение в диалоговом окне Drill Symbols.

Поскольку обратное высверливание подразумевает сверление в местах существующих отверстий, но с другим размером сверла, символы сверловки будут накладываться друг на друга в этих местах. Используйте выбор пар слоев для управления тем, какую пару слоев следует отображать в данный момент, как показано на изображении ниже.

   
Щелкните ЛКМ по иконке треугольника, чтобы выбрать, какую пару сверловки нужно отобразить.

Размещенную таблицу отверстий можно настроить на отображение всех пар слоев сверления или определенной пары слоев. Изображение ниже взято из проекта с обратным высверливанием с обеих сторон платы, поэтому было размещено три таблицы. Обратите внимание, что в столбце Drill Layer Pair обозначено назначение каждой таблицы.

Размещено три таблицы отверстий: в первой отображены сквозные отверстия, во второй – обратное высверливание с верхней стороны, в третьей – обратное высверливание с нижней стороны.

Файлы для автоматизированной сверловки

Для каждой заданной пары сверловки формируется уникальный выходной файл автоматизированной сверловки. Обратите внимание, что также формируется отдельный файл на каждый тип формы отверстия (круглое, прямоугольное, паз).

Файл отчета о сверловке (<НазваниеПроекта>.DRR) включает в себя сводку назначений инструментов сверления, их размеров и назначение и название каждого сформированного файла сверловки.

Диалоговое окно NC Drill Setup включает в себя опцию Generate separate NC Drill files for plated & non-plated holes. Выходные файлы для автоматизированной сверловки всегда включают в себя все соответствующие отверстия. Если эта опция включена, металлизированные и неметаллизированные отверстия будут выводиться в отдельные файлы. В их имена добавляется дополнительная строка в формате <НазваниеПроекта>-Plated или <НазваниеПроекта>-NonPlated.

Обратно высверленные отверстия всегда выводятся в отдельные файлы, которые отличаются уникальным расширением файла. Например, обратно высверленные отверстия для верхней стороны могут быть выведены в файл <НазваниеПроекта>-BackDrill.TX3, а для нижней стороны – в файл <НазваниеПроекта>-BackDrill.TX4.

В отчете о сверловке приводится сводка о назначении инструментов отверстиям, количестве отверстий каждого размера и файлы сверловки, в которых приведена подробная информация по ним.

Gerber X2

Gerber X2 – это не просто стандарт вывода производственных данных для набора слоев печатной платы (что требует добавления файлов для изготовления печатной платы). В этот форматы выводится вся информация, необходимая для ввода проекта в процесс автоматизированной обработки данных изготовителем. Настройка Gerber X2 осуществляется в диалоговом окне Gerber X2 Setup.

Настройка включает в себя:

• Назначение файлов Gerber: верхний проводящий слой, верхняя паяльная маска и т.д.
• Деталь: отдельная плата, панель и т.д.
• Назначение объектов: контактная площадка SMD, переходное отверстие и т.д.
• Допуски сверловки
• Места трасс с контролируемым импедансом
• Заполненные отверстия

Если в конструкции существуют обратно высверленные отверстия, вывод Gerber X2 автоматически включит дополнительные файлы сверловки с именами, такими как:

<НазваниеПроекта>_Backdrills_Drill_1_3.gbr

Эти файлы обратного высверливания включают в себя инструкции формата Gerber X2, такие как:

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

Эта строка указывать программному обеспечению CAM считать содержимое этого файла данными о сверловке неметаллизированных глухих отверстий между сигнальными слоями 1 и 3.

Размеры отверстий определяются с помощью апертур, определениям которых предшествуют инструкции, объявляющие их размерами отверстий.

%TA.AperFunction,BackDrill*%

ODB++

При выводе в ODB++, для заданных пар обратного высверливания создаются дополнительные папки с именами, такими как \drill1, \drill2. Эти папки включают в себя стандартные файлы сверловки ODB.

IPC-2581

Поддержка IPC-2581 будет добавлена в будущих обновлениях.

Draftsman

Draftsman является идеальным инструментом для создания документации высокого качества для ваших проектов. Если в конструкции определены пары слоев обратного высверливания, их названия будут отображены в Layer Stack Legend, что позволит легко определить их наличие.

Разместите Layer Stack Legend для отображения пар слоев, используемых для обратного высверливания, и таблицы сверловки для каждого набора сверловки пар слоев.

Вы также можете настроить таблицу сверловки на отображение каждой пары слоев обратного высверливания, чтобы упростить определение размеров и количества отверстий, необходимых для обратного высверливания.