Backdrilling em Design de PCB: Uma Maneira Fácil de Melhorar a Integridade do Sinal de Vias

Criada: Outubro 22, 2020
Atualizada: Outubro 23, 2020

Nos últimos 20 anos, os dispositivos eletrônicos tornaram-se cada vez mais sofisticados. Há menos de duas décadas, ter um telefone móvel para fazer chamadas era raro; hoje, nossos telefones impulsionam nossas vidas. Para atender à crescente demanda por tecnologia de smartphones, a tecnologia tornou-se mais rápida, mais funcional e intuitiva. Melhorias na base de componentes otimizaram processos enquanto reduziam os custos de fabricação.

Os smartphones usam sinais de maior frequência, resultando em um aumento na velocidade de processamento e uma diminuição nas bordas do sinal. Os engenheiros tiveram que se adaptar a novos desafios causados pela dependência de espectros de maior frequência.

Os designers de PCB que criam as placas para esses dispositivos estão enfrentando novos desafios à medida que a tecnologia avança. Eles tiveram que ir além de simplesmente conectar saídas de componentes em PCBs de acordo com esquemáticos para garantir que os caminhos de propagação de sinal preservem a integridade e que as perdas de sinal sejam minimizadas. Para acomodar essas necessidades, os designers devem selecionar cuidadosamente os materiais para criar as placas, bem como calcular e verificar a impedância.

Se a taxa de transmissão de dados atingir vários gigabits por segundo (Gb/s), o projetista deve excluir completamente ou minimizar a heterogeneidade que possa ocorrer no caminho do sinal. Qualquer heterogeneidade pode alterar significativamente a forma da onda, a integridade do sinal e afetar a funcionalidade do dispositivo. Isso é particularmente verdadeiro para sinais que passam por vias, especialmente quando parte da via permanece sem uso. Esta parte é heterogênea e tem um efeito negativo no sinal, conforme mostrado abaixo (Fig.1).

Fig. 1. O sinal passa pela via. Uma porção da via entre a 4ª e a 6ª camadas não é utilizada e cria um stub.

Alguns estudos [1] ilustraram a forte influência da parte não utilizada da via na qualidade do sinal de alta velocidade (Fig. 2).

Fig. 2. O efeito do stub da via na qualidade do sinal de alta velocidade. O stub mais longo à esquerda ilustra uma distorção substancial que compromete a integridade do sinal. Foto cortesia [1].

Reflexos múltiplos provenientes de heterogeneidade distorcem formas, então os designers precisam combinar a impedância das linhas de transmissão. Em alguns casos, isso pode ser realizado na forma de modificações após a fabricação da PCB. Existem diferentes maneiras de combinar a impedância, como terminação em série com um único resistor de entrada, correspondência paralela por resistor de saída, correspondência por divisor de tensão e muitos outros métodos.

Os métodos de terminação requerem o uso de componentes adicionais, o que às vezes é difícil de implementar, especialmente em placas de circuito impresso densas. Para reduzir o número de vias, os designers estão tentando fornecer sinais de alta velocidade em uma única camada. Mas com o aumento da densidade de montagem da PCB e a intenção dos designers de reduzir as dimensões dos dispositivos, essa abordagem pode ser desafiadora.

Altium Designer pode ajudar o engenheiro a melhorar a qualidade dos sinais de alta velocidade de uma maneira bastante simples; um desses métodos é chamado tecnologia de backdrilling. A parte não utilizada do furo de metalização é perfurada com um diâmetro maior até uma certa profundidade. No exemplo abaixo, o designer tem que excluir a parte não utilizada de 6 para 4 camadas (Fig.3).

Fig. 3. Cobre é perfurado de 6 para 4 camadas.

O backdrilling pode ser feito de ambos os lados e com profundidades diferentes (Fig. 4).

Fig. 4. Diferentes métodos de backdrilling.

Ao utilizar o backdrilling, o projetista deve lembrar que a distância do backdrill até os componentes e elementos de topologia recomendados pelo fabricante da PCB deve ser mantida. Geralmente, é um pouco maior do que uma via padrão.

Os projetistas podem ter dúvidas sobre como implementar o backdrilling em sistemas de design assistido por computador e quais dados devem ser transferidos para o fabricante da PCB. Configurar backdrills no Altium Designer é muito simples.

O primeiro passo é executar o Gerenciador de Pilha de Camadas (Layer Stack Manager - LSM) e selecionar Back Drills no canto superior direito da seção de Recursos (Fig. 5). Com essa sequência simples, o projetista ativa a funcionalidade para usar esses tipos de furos.

Accessing backdrills in the layer stack manager

Fig. 5. Back Drills no LSM

Qualquer quantidade de furos de backdrilling pode ser criada no Gerenciador de Pilha de Camadas (Fig. 6).

Fig. 6. Furos com backdrilling no LSM.

A configuração de perfuração é ajustada usando o painel de propriedades de backdrill no LSM (Fig. 7).

Fig. 7. Painel de propriedades de Perfuração Traseira.

O designer especifica a Primeira camada (o início da perfuração) e a Última camada (a camada na qual a perfuração termina). Se a caixa de seleção para Espelho estiver ativada, a perfuração será simétrica, ou seja, em ambos os lados (Fig. 8).

Fig. 8. Perfuração em ambos os lados.

Os designers também devem definir quais redes serão perfuradas por trás. Esse processo é implementado usando Regras de Design. Na seção de Alta Velocidade, selecione Comprimento Máximo do Stub de Via (perfurações traseiras) e crie uma nova regra (Fig. 9).

Fig. 9. A regra para perfurações traseiras.

O designer define as condições da operação de perfuração traseira, atribui quanto maior o diâmetro da perfuração deve ser em relação ao furo principal, o comprimento máximo permitido do stub de via restante e o objeto ao qual esta regra será aplicada. O objeto pode conter redes, classes de rede e xSignals. Quando a condição especificada nas regras é ativada, a perfuração traseira é automaticamente adicionada.

Perfurações traseiras no modo 2D na placa de circuito impresso serão indicadas da seguinte forma (Fig. 10):

Fig. 10. Perfuração traseira exibida no modo 2D.

Os backdrills possuem cores duplas. Uma cor é a cor da camada onde a perfuração começa; a outra é a cor da camada onde a perfuração termina. Essa indicação garante que o projetista possa navegar facilmente até o local do backdrill.

O backdrilling também é exibido no modo 3D (Fig. 11):

Fig. 11. Backdrills exibidos no modo 3D.

As informações sobre backdrilling são necessárias para o fabricante da PCB. Essas informações são exibidas na Tabela de Perfuração tanto no arquivo da PCB quanto no Documento do Draftsman, assim como nos arquivos de saída Gerber e nos arquivos NC Drill (um arquivo separado é gerado para backdrills). Um fragmento da tabela obtida no Editor de PCB é apresentado como exemplo (Fig. 12).

Fig. 12. Fragmento de tabela incluindo backdrill.

O exemplo acima contém o diâmetro do furo, símbolo, primeira e última camadas e outras informações relevantes. O projetista também pode ajustar a exibição das seções, como em uma tabela de perfuração mais típica.

A lista de documentos e arquivos necessários para o backdrilling inclui itens específicos:

Arquivo NC Drill para retroperfuração
Desenho de PCB com furos de retroperfuração
Posicionamento da retroperfuração na estrutura do PCB (primeira camada e última camada)

No Altium Designer, a configuração da retroperfuração é fácil. O designer pode utilizá-la rapidamente com a ajuda de configurações simples, melhorando efetivamente a qualidade de um sinal de alta velocidade.