Backdrilling nella progettazione PCB: Un modo semplice per migliorare l'integrità del segnale delle vie

Creato: ottobre 22, 2020
Aggiornato: ottobre 23, 2020

Negli ultimi 20 anni, i dispositivi elettronici sono diventati sempre più sofisticati. Meno di due decenni fa, avere un telefono cellulare per fare chiamate era raro; oggi, i nostri telefoni alimentano le nostre vite. Per soddisfare la crescente domanda di tecnologia per smartphone, la tecnologia è diventata più veloce, più funzionale e intuitiva. I miglioramenti alla base dei componenti hanno semplificato i processi riducendo al contempo i costi di produzione.

Gli smartphone utilizzano segnali ad alta frequenza, risultando in un aumento della velocità di elaborazione e una diminuzione dei bordi del segnale. Gli ingegneri hanno dovuto adattarsi a nuove sfide causate dalla dipendenza da spettri ad alta frequenza.

I progettisti di PCB che creano le schede per questi dispositivi si trovano di fronte a nuove sfide man mano che la tecnologia avanza. Hanno dovuto andare oltre il semplice collegamento delle uscite dei componenti sui PCB secondo gli schemi per garantire che i percorsi di propagazione del segnale preservino l'integrità e che le perdite di segnale siano ridotte al minimo. Per soddisfare queste esigenze, i progettisti devono selezionare attentamente i materiali per creare le schede così come calcolare e verificare l'impedenza.

Se il tasso di trasmissione dati raggiunge diversi gigabit al secondo (Gb/s), il progettista deve escludere completamente o minimizzare l'eterogeneità che può verificarsi nel percorso del segnale. Qualsiasi eterogeneità può modificare significativamente la forma dell'onda, l'integrità del segnale e influenzare la funzionalità del dispositivo. Questo è particolarmente vero per i segnali che passano attraverso i via, specialmente quando parte del via rimane inutilizzata. Questa parte è eterogenea e ha un effetto negativo sul segnale come mostrato di seguito (Fig.1).

Fig. 1. Il segnale passa attraverso il via. Una porzione del via tra il 4° e il 6° strato non viene utilizzata e crea uno stub.

Alcuni studi [1] hanno illustrato la forte influenza della parte inutilizzata del via sulla qualità del segnale ad alta velocità (Fig. 2).

Fig. 2. L'effetto dello stub del via sulla qualità del segnale ad alta velocità. Lo stub più lungo sulla sinistra illustra una distorsione sostanziale che compromette l'integrità del segnale. Foto cortesia di [1].

Le riflessioni multiple dovute all'eterogeneità distorcono le forme, quindi i progettisti devono adattare l'impedenza delle linee di trasmissione. In alcuni casi, ciò può essere eseguito sotto forma di modifiche dopo che il PCB è stato prodotto. Esistono diversi modi per adattare l'impedenza, come la terminazione in serie con una singola resistenza in ingresso, l'adattamento parallelo mediante resistenza in uscita, l'adattamento tramite partitore di tensione e molti altri metodi.

I metodi di terminazione richiedono l'uso di componenti aggiuntivi, il che a volte è difficile da implementare, specialmente in schede a circuito stampato dense. Per ridurre il numero di vie, i progettisti stanno cercando di fornire segnali ad alta velocità in un unico strato. Ma con l'aumento della densità dell'assemblaggio dei PCB e l'intenzione dei progettisti di ridurre le dimensioni dei dispositivi, questo approccio può essere impegnativo.

Altium Designer può aiutare l'ingegnere a migliorare la qualità dei segnali ad alta velocità in modo piuttosto semplice; un tale metodo è chiamato tecnologia di backdrilling. La parte inutilizzata del foro di metallizzazione viene forata con un diametro maggiore fino a una certa profondità. Nell'esempio sottostante, il progettista deve escludere la parte inutilizzata dallo strato 6 allo strato 4 (Fig.3).

Fig. 3. Il rame viene forato dallo strato 6 allo strato 4.

Il backdrilling può essere eseguito da entrambi i lati e fino a una profondità diversa (Fig. 4).

Fig. 4. Diversi metodi di backdrilling.

Quando si utilizza il backdrilling, il progettista deve ricordare che deve essere mantenuta la distanza dal backdrill ai componenti e agli elementi di topologia raccomandata dal produttore del PCB. È solitamente un po' più grande di una via standard.

I progettisti possono essere incerti su come implementare il backdrilling nei sistemi di progettazione assistita da computer e quali dati dovrebbero essere trasferiti al produttore del PCB. Configurare i backdrills in Altium Designer è molto semplice.

Il primo passo è avviare il Layer Stack Manager (LSM) e selezionare Back Drills nell'angolo in alto a destra della sezione Caratteristiche (Fig. 5). Con questa semplice sequenza, il progettista attiva la funzionalità per utilizzare questi tipi di fori.

Accessing backdrills in the layer stack manager

Fig. 5. Back Drills nell'LSM

È possibile creare qualsiasi quantità di fori di backdrilling nel Layer Stack Manager (Fig. 6).

Fig. 6. Fori con backdrilling nell'LSM.

La configurazione della foratura è regolata utilizzando il pannello delle proprietà del backdrill nell'LSM (Fig. 7).

Fig. 7. Pannello delle proprietà del Back Drill.

Il progettista specifica il Primo strato (l'inizio della foratura) e l'Ultimo strato (lo strato in cui termina la foratura). Se la casella per Specchio è abilitata, la foratura sarà simmetrica, ad esempio, su entrambi i lati (Fig. 8).

Fig. 8. Foratura su entrambi i lati.

I progettisti devono anche definire quali reti devono essere sottoposte a backdrilling. Questo processo viene implementato utilizzando le Regole di Progettazione. Nella sezione Alta Velocità, selezionare Lunghezza Massima del Moncone di Via (backdrills) e creare una nuova regola (Fig. 9).

Fig. 9. La regola per i backdrills.

Il progettista definisce le condizioni dell'operazione di back-drilling, assegna quanto più grande debba essere il diametro di foratura rispetto al foro principale, la lunghezza massima consentita del moncone di via rimanente e l'oggetto a cui questa regola sarà applicata. L'oggetto può contenere reti, classi di reti e xSignals. Quando la condizione specificata nelle regole è attivata, il backdrilling viene aggiunto automaticamente.

I backdrills in modalità 2D sulla scheda a circuito stampato saranno indicati come segue (Fig. 10):

Fig. 10. Backdrill visualizzato in modalità 2D.

I backdrill sono di doppio colore. Un colore è quello dello strato in cui inizia la foratura; l'altro è il colore dello strato in cui la foratura termina. Questa indicazione assicura che il progettista possa facilmente navigare fino alla posizione del backdrill.

Il backdrilling è visualizzato anche in modalità 3D (Fig. 11):

Fig. 11. Backdrill visualizzati in modalità 3D.

Le informazioni sul backdrilling sono necessarie per il produttore di PCB. Queste informazioni sono visualizzate nella Tabella di Foratura sia nel file PCB che nel Documento Draftsman, così come nei file di output Gerber e nei file di foratura NC (viene generato un file separato per i backdrill). Un frammento della tabella ottenuta nell'Editor PCB è presentato come esempio (Fig. 12).

Fig. 12. Frammento di tabella che include il backdrill.

L'esempio sopra contiene il diametro del foro, simbolo, primo e ultimo strato e altre informazioni rilevanti. Il progettista può anche regolare la visualizzazione delle sezioni, come in una tabella di foratura più tipica.

L'elenco dei documenti e dei file richiesti per il backdrilling include elementi specifici:

File NC Drill per il backdrilling
Disegno PCB con fori per backdrilling
Posizionamento del backdrilling nella struttura del PCB (primo strato e ultimo strato)

In Altium Designer, configurare il backdrilling è semplice. Il progettista può utilizzarlo rapidamente con l'aiuto di impostazioni semplici, migliorando efficacemente la qualità di un segnale ad alta velocità.