Backdrilling in PCB-Design: Ein einfacher Weg zur Verbesserung der Signalintegrität von Vias

Erstellt: Oktober 22, 2020
Aktualisiert am: Oktober 23, 2020

In den letzten 20 Jahren sind elektronische Geräte zunehmend ausgefeilter geworden. Vor weniger als zwei Jahrzehnten war es selten, nur ein Mobiltelefon zum Telefonieren zu haben; heute steuern unsere Telefone unser Leben. Um der wachsenden Nachfrage nach Smartphone-Technologie gerecht zu werden, ist die Technologie schneller, funktionaler und intuitiver geworden. Verbesserungen an der Komponentenbasis haben Prozesse gestrafft und die Herstellungskosten gesenkt.

Smartphones verwenden höherfrequente Signale, was zu einer Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit und einer Verringerung der Signalkanten führt. Ingenieure mussten sich an neue Herausforderungen anpassen, die durch die Abhängigkeit von höherfrequenten Spektren verursacht wurden.

PCB-Designer, die die Platinen für diese Geräte erstellen, stehen vor neuen Herausforderungen, da die Technologie fortschreitet. Sie mussten über das einfache Verbinden von Komponentenausgängen auf PCBs gemäß Schaltplänen hinausgehen, um sicherzustellen, dass die Signalübertragungswege ihre Integrität bewahren und dass Signalverluste minimiert werden. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, müssen Designer sorgfältig Materialien auswählen, um Platinen zu erstellen, sowie Impedanzen berechnen und verifizieren.

Wenn die Datenübertragungsrate mehrere Gigabit pro Sekunde (Gb/s) erreicht, muss der Entwickler die Heterogenität, die im Signalpfad auftreten kann, vollständig ausschließen oder minimieren. Jede Heterogenität kann die Wellenform erheblich verändern, die Integrität des Signals beeinträchtigen und die Funktionalität des Geräts beeinflussen. Dies gilt insbesondere für Signale, die durch Vias verlaufen, besonders wenn ein Teil des Vias ungenutzt bleibt. Dieser Teil ist heterogen und hat einen negativen Effekt auf das Signal, wie unten gezeigt (Abb. 1).

Abb. 1. Das Signal durchläuft das Via. Ein Teil des Vias zwischen der 4. und 6. Lage wird nicht genutzt und erzeugt einen Stummel.

Einige Studien [1] haben den starken Einfluss des ungenutzten Teils des Vias auf die Qualität des Hochgeschwindigkeitssignals veranschaulicht (Abb. 2).

Abb. 2. Der Effekt des Via-Stummels auf die Qualität des Hochgeschwindigkeitssignals. Der längere Stummel links illustriert eine erhebliche Verzerrung, die die Signalintegrität beeinträchtigt. Foto mit freundlicher Genehmigung von [1].

Mehrfachreflexionen aufgrund von Heterogenität verzerren Formen, daher müssen Designer die Impedanz der Übertragungsleitungen angleichen. In einigen Fällen kann dies in Form von Modifikationen nach der Herstellung der PCB durchgeführt werden. Es gibt verschiedene Methoden zur Anpassung der Impedanz, wie zum Beispiel serielle Terminierung mit einem einzelnen Eingangswiderstand, parallele Anpassung durch Ausgangswiderstand, Anpassung durch Spannungsteiler und viele andere Methoden.

Terminierungsmethoden erfordern den Einsatz zusätzlicher Komponenten, was manchmal schwer umzusetzen ist, insbesondere bei dicht bestückten Leiterplatten. Um die Anzahl der Durchkontaktierungen zu reduzieren, versuchen die Designer, Hochgeschwindigkeitssignale in einer Schicht zu führen. Aber mit der zunehmenden Dichte der PCB-Bestückung und dem Bestreben der Designer, die Abmessungen der Geräte zu reduzieren, kann dieser Ansatz herausfordernd sein.

Altium Designer kann dem Ingenieur helfen, die Qualität von Hochgeschwindigkeitssignalen auf relativ einfache Weise zu verbessern; eine solche Methode wird als Backdrilling-Technologie bezeichnet. Der ungenutzte Teil des Metallisierungslochs wird mit einem größeren Durchmesser bis zu einer bestimmten Tiefe gebohrt. Im untenstehenden Beispiel muss der Designer den ungenutzten Teil von 6 auf 4 Schichten ausschließen (Abb.3).

Abb. 3. Kupfer wird von 6 auf 4 Schichten ausgebohrt.

Backdrilling kann von beiden Seiten und in unterschiedlicher Tiefe durchgeführt werden (Abb. 4).

Abb. 4. Verschiedene Backdrilling-Methoden.

Bei der Verwendung von Backdrilling sollte der Designer beachten, dass der Abstand vom Backdrill zu den Komponenten und Topologieelementen, der vom PCB-Hersteller empfohlen wird, eingehalten werden muss. Er ist normalerweise ein wenig größer als ein Standard-Via.

Designer könnten unsicher sein, wie sie Backdrilling in computergestützten Designsystemen implementieren und welche Daten an den PCB-Hersteller übertragen werden sollten. Das Konfigurieren von Backdrills in Altium Designer ist sehr einfach.

Der erste Schritt besteht darin, den Layer Stack Manager (LSM) zu starten und in der oberen rechten Ecke des Features-Bereichs Back Drills auszuwählen (Abb. 5). Mit dieser einfachen Abfolge aktiviert der Designer die Funktionalität, diese Arten von Löchern zu verwenden.

Accessing backdrills in the layer stack manager

Abb. 5. Back Drills im LSM

Im Layer Stack Manager können beliebig viele Backdrilling-Löcher erstellt werden (Abb. 6).

Abb. 6. Löcher mit Backdrilling im LSM.

Die Bohreinstellung wird über das Backdrill-Eigenschaften-Panel im LSM angepasst (Abb. 7).

Abb. 7. Eigenschaften-Panel für Rückbohrungen.

Der Designer gibt die erste Schicht (Beginn des Bohrens) und die letzte Schicht (die Schicht, auf der das Bohren endet) an. Wenn das Kontrollkästchen für Spiegelung aktiviert ist, wird das Bohren symmetrisch sein, z.B. auf beiden Seiten (Abb. 8).

Abb. 8. Bohren auf beiden Seiten.

Designer müssen auch definieren, welche Netze rückgebohrt werden sollen. Dieser Prozess wird mit Hilfe von Designregeln umgesetzt. Im Abschnitt für Hochgeschwindigkeit wählen Sie Maximale Via-Stummellänge (Rückbohrungen) und erstellen eine neue Regel (Abb. 9).

Abb. 9. Die Regel für Rückbohrungen.

Der Designer definiert die Bedingungen für die Rückbohrungsoperation, legt fest, wie viel größer der Bohrdurchmesser im Verhältnis zum Hauptloch sein soll, die maximal zulässige Länge des verbleibenden Via-Stummels und das Objekt, auf das diese Regel angewendet wird. Das Objekt kann Netze, Netzklassen und xSignals enthalten. Wenn die in den Regeln angegebene Bedingung aktiviert wird, wird die Rückbohrung automatisch hinzugefügt.

Rückbohrungen im 2D-Modus auf der Leiterplatte werden wie folgt angezeigt (Abb. 10):

Abb. 10. Rückbohrung im 2D-Modus dargestellt.

Die Backdrills sind zweifarbig. Eine Farbe ist die Farbe der Schicht, in der das Bohren beginnt; die andere ist die Farbe der Schicht, in der das Bohren endet. Diese Kennzeichnung stellt sicher, dass der Designer den Backdrill-Standort leicht finden kann.

Backdrilling wird auch im 3D-Modus angezeigt (Abb. 11):

Abb. 11. Backdrills im 3D-Modus dargestellt.

Informationen über Backdrilling sind für den PCB-Hersteller notwendig. Diese Informationen werden sowohl in der Bohrtabelle in der PCB-Datei als auch im Draftsman-Dokument angezeigt, ebenso wie in den ausgegebenen Gerber-Dateien und NC-Bohrdateien (eine separate Datei wird für Backdrills generiert). Ein Ausschnitt der im PCB-Editor erhaltenen Tabelle wird als Beispiel präsentiert (Abb. 12).

Abb. 12. Tabellenausschnitt einschließlich Backdrill.

Das obige Beispiel enthält den Lochdurchmesser, Symbol, erste und letzte Schichten und andere relevante Informationen. Der Designer kann auch die Anzeige von Abschnitten anpassen, wie in einer typischeren Bohrtabelle.

Die Liste der Dokumente und Dateien, die für Backdrilling erforderlich sind, umfasst spezifische Punkte:

NC-Bohrdatei für Rückbohrungen
PCB-Zeichnung mit Rückbohrungslöchern
Platzierung der Rückbohrungen in der PCB-Struktur (erste und letzte Schicht)

In Altium Designer ist die Konfiguration von Rückbohrungen einfach. Der Designer kann sie schnell mit Hilfe einfacher Einstellungen nutzen, was effektiv die Qualität eines Hochgeschwindigkeitssignals verbessert.