Wiercenie odwrotne w projektowaniu PCB: Prosty sposób na poprawę integralności sygnału w przelotkach

Utworzono: październik 22, 2020
Zaktualizowano: październik 23, 2020

W ciągu ostatnich 20 lat urządzenia elektroniczne stały się coraz bardziej zaawansowane. Jeszcze niecałe dwie dekady temu posiadanie telefonu komórkowego do wykonywania połączeń było rzadkością; dziś nasze telefony napędzają nasze życie. Aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na technologię smartfonów, technologia stała się szybsza, bardziej funkcjonalna i intuicyjna. Ulepszenia w bazie komponentów usprawniły procesy jednocześnie obniżając koszty produkcji.

Smartfony używają sygnałów o wyższej częstotliwości, co skutkuje wzrostem prędkości przetwarzania i zmniejszeniem krawędzi sygnału. Inżynierowie musieli dostosować się do nowych wyzwań spowodowanych poleganiem na spektrach o wyższej częstotliwości.

Projektanci PCB tworzący płyty dla tych urządzeń stają przed nowymi wyzwaniami, jak technologia postępuje. Musieli wyjść poza proste łączenie wyjść komponentów na PCB zgodnie ze schematami, aby zapewnić, że ścieżki propagacji sygnałów zachowują integralność i że straty sygnału są minimalizowane. Aby zaspokoić te potrzeby, projektanci muszą starannie dobierać materiały do tworzenia płyt, a także obliczać i weryfikować impedancję.

Jeśli szybkość transmisji danych osiąga kilka gigabitów na sekundę (Gb/s), projektant musi całkowicie wyeliminować lub zminimalizować heterogeniczność, która może wystąpić na ścieżce sygnału. Każda heterogeniczność może znacząco zmienić kształt fali, integralność sygnału i wpłynąć na funkcjonalność urządzenia. Dotyczy to szczególnie sygnałów przechodzących przez przelotki, zwłaszcza gdy część przelotki pozostaje niewykorzystana. Ta część jest heterogeniczna i ma negatywny wpływ na sygnał, jak pokazano poniżej (Rys.1).

Rys. 1. Sygnał przechodzi przez przelotkę. Część przelotki między 4. a 6. warstwą nie jest używana i tworzy trzpień.

Niektóre badania [1] zilustrowały silny wpływ niewykorzystanej części przelotki na jakość sygnału wysokiej prędkości (Rys. 2).

Rys. 2. Wpływ trzpienia przelotki na jakość sygnału wysokiej prędkości. Dłuższy trzpień po lewej ilustruje znaczne zniekształcenie, które kompromituje integralność sygnału. Zdjęcie dzięki uprzejmości [1].

Wielokrotne odbicia od heterogeniczności zniekształcają kształty, dlatego projektanci muszą dopasować impedancję linii transmisyjnych. W niektórych przypadkach może to być wykonane w formie modyfikacji po wyprodukowaniu PCB. Istnieją różne sposoby dopasowania impedancji, takie jak zakończenie szeregowe za pomocą pojedynczego rezystora wejściowego, dopasowanie równoległe przez rezystor wyjściowy, dopasowanie przez dzielnik napięcia i wiele innych metod.

Metody zakończenia wymagają użycia dodatkowych komponentów, co czasami jest trudne do zaimplementowania, szczególnie na gęsto upakowanych płytach drukowanych. Aby zredukować liczbę przelotek, projektanci starają się zapewnić sygnały wysokiej prędkości na jednej warstwie. Jednakże, zwiększona gęstość montażu PCB i intencja projektantów do zmniejszenia wymiarów urządzeń, ten podejście może być wyzwaniem.

Altium Designer może pomóc inżynierowi poprawić jakość sygnałów wysokiej prędkości w dość prosty sposób; jedną z takich metod jest technologia backdrilling. Niepotrzebna część otworu metalizacyjnego jest wiercona na większą średnicę do pewnej głębokości. W poniższym przykładzie, projektant musi wykluczyć niepotrzebną część od 6 do 4 warstwy (Rys.3).

Rys. 3. Miedź jest wiercona z 6 do 4 warstw.

Backdrilling można wykonywać z obu stron i na różną głębokość (Rys. 4).

Rys. 4. Różne metody backdrillingu.

Podczas stosowania backdrillingu, projektant powinien pamiętać, że należy zachować odległość od backdrilla do komponentów i elementów topologii zalecaną przez producenta PCB. Jest ona zazwyczaj nieco większa niż standardowa przelotka.

Projektanci mogą mieć wątpliwości, jak wdrożyć backdrilling w systemach projektowania wspomaganego komputerowo i jakie dane powinny być przekazane producentowi PCB. Konfiguracja backdrilli w Altium Designer jest bardzo prosta.

Pierwszym krokiem jest uruchomienie Menadżera Stosu Warstw (LSM) i wybranie Back Drills w prawym górnym rogu sekcji Funkcje (Rys. 5). Dzięki tej prostej sekwencji, projektant aktywuje funkcjonalność używania tego typu otworów.

Accessing backdrills in the layer stack manager

Rys. 5. Back Drills w LSM

W Menadżerze Stosu Warstw (LSM) można utworzyć dowolną ilość otworów backdrillingowych (Rys. 6).

Rys. 6. Otwory z backdrillingiem w LSM.

Ustawienia wiercenia są dostosowywane za pomocą panelu właściwości backdrilla w LSM (Rys. 7).

Rys. 7. Panel właściwości wiercenia odwrotnego.

Projektant określa Pierwszą warstwę (początek wiercenia) oraz Ostatnią warstwę (warstwę, na której kończy się wiercenie). Jeśli zaznaczono opcję Lustrzane, wiercenie będzie symetryczne, np. po obu stronach (Rys. 8).

Rys. 8. Wiercenie po obu stronach.

Projektanci muszą również zdefiniować, które sieci mają być poddane wierceniu odwrotnemu. Proces ten jest realizowany za pomocą Zasad Projektowych. W sekcji Wysokiej Prędkości wybierz Maksymalną Długość Odcinka Via (wiercenia odwrotne) i utwórz nową regułę (Rys. 9).

Rys. 9. Reguła dla wierceń odwrotnych.

Projektant określa warunki operacji wiercenia odwrotnego, przypisuje, jak dużo większa powinna być średnica wiercenia w stosunku do głównego otworu, maksymalną dozwoloną długość pozostałego odcinka via oraz obiekt, do którego będzie stosowana ta reguła. Obiekt może zawierać sieci, klasy sieci i xSignals. Gdy warunek określony w regułach jest aktywowany, wiercenie odwrotne jest dodawane automatycznie.

Wiercenia odwrotne w trybie 2D na płycie drukowanej będą wskazane w następujący sposób (Rys. 10):

Rys. 10. Wiercenie odwrotne wyświetlone w trybie 2D.

Otwory zwrotne są dwukolorowe. Jeden kolor odpowiada warstwie, od której zaczyna się wiercenie; drugi kolor odpowiada warstwie, na której kończy się wiercenie. Ta wskazówka zapewnia projektantowi łatwą nawigację do lokalizacji otworu zwrotnego.

Otwory zwrotne są również wyświetlane w trybie 3D (Rys. 11):

Rys. 11. Otwory zwrotne wyświetlone w trybie 3D.

Informacje o wierceniu zwrotnym są potrzebne producentowi PCB. Te informacje są wyświetlane w tabeli wierceń zarówno w pliku PCB, jak i w dokumencie Draftsman, a także w plikach wyjściowych Gerber i plikach wierceń NC (dla otworów zwrotnych generowany jest oddzielny plik). Fragment tabeli uzyskanej w edytorze PCB jest przedstawiony jako przykład (Rys. 12).

Rys. 12. Fragment tabeli zawierający otwór zwrotny.

Powyższy przykład zawiera średnicę otworu, symbol, pierwszą i ostatnią warstwę oraz inne istotne informacje. Projektant może również dostosować wyświetlanie sekcji, jak w bardziej typowej tabeli wierceń.

Lista dokumentów i plików wymaganych dla wiercenia zwrotnego zawiera konkretne pozycje:

Plik NC Drill dla wiercenia odwrotnego
Rysunek PCB z otworami pod wiercenie odwrotne
Umiejscowienie wiercenia odwrotnego w strukturze PCB (pierwsza warstwa i ostatnia warstwa)

W Altium Designer, konfiguracja wiercenia odwrotnego jest łatwa. Projektant może szybko z niej korzystać dzięki prostym ustawieniom, efektywnie poprawiając jakość sygnału wysokiej prędkości.