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PCB über einen Taschenrechner

Berechnen Sie die Leiterplatte anhand von Impedanz, Kapazität, Induktivität, Stromkapazität, Seitenverhältnis und DFM-Warnungen. Deckt Durchgangsbohrungen und blinde/vergrabene Durchlässe ab.

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Formel

Cvia≈0.0554 εr T dD−d pF,Lvia≈0.2h(ln⁡4hd+0.5) nHC_{via} \approx \frac{0.0554\,\varepsilon_r\,T\,d}{D-d}\ \text{pF},\quad L_{via} \approx 0.2h\left(\ln\frac{4h}{d}+0.5\right)\ \text{nH}

Referenz: IPC-2141A; Howard Johnson "High-Speed Signal Propagation"

T— Dicke der Platte (mm)
d— Über den Bohrdurchmesser (mm)
D— Durchmesser des Polsters (mm)
εᵣ— Dielektrizitätskonstante
h— Via-Höhe (= Plattendicke) (mm)

Wie es funktioniert

Der Via-Impedanzrechner berechnet die charakteristische Impedanz, die parasitäre Kapazität und die Induktivität für Leiterplattendurchkontaktierungen — unverzichtbar für digitale Hochgeschwindigkeitsdesigns, HF-Übergänge und Signalintegritätsanalysen. Techniker für Signalintegrität nutzen dies, um Unterbrechungen im Durchgang zu minimieren, die bei Datenraten von mehreren Gigabit zu einer Signalreflexion von 5 bis 15% führen.

Laut Johnson/Grahams „High-Speed Digital Design“ folgt die Impedanz Z = 87/sqrt (Er) x ln (1,9 x D/d), wobei D für den Durchmesser des Antipads, d für den Durchmesser des Bohrers und Er für die Dielektrizitätskonstante steht. Eine typische 0,3-mm-Durchkontaktierung mit 0,6 mm Antipad auf FR4 (Er=4,3) hat einen Z-Wert von etwa 52 Ohm — fast 50 Ohm, aber mit einer Kapazität von 0,3-0,5 pF und einer Induktivität von 0,5-1,0 nH, die eine Diskontinuität erzeugen.

Via parasitäre Skala mit Plattendicke: IPC-2221B zeigt die Kapazität C = 1,41 x Er x T x d^2/(D^2 - d^2) pF, wobei T die Plattendicke in mm ist. Eine 1,6 mm dicke Platine hat die doppelte Kapazität von 0,8 mm. Aus diesem Grund sind HDI-Stackups mit Microvias (0,1 mm Bohrung, 0,15 mm Pad) für Signale mit >10 Gbit/s erforderlich — sie reduzieren die Kapazität im Vergleich zu herkömmlichen PTH-Durchkontaktierungen um 80%.

Bei HF-Anwendungen über 3 GHz wird die Via-Stub-Resonanz entscheidend. Eine Durchgangsöffnung in einem Signalübergang an Schicht 2 einer 1,6-mm-Platine hat einen 1,4-mm-Stummel, der bei etwa 5,5 GHz (Viertelwelle) mitschwingt und eine Kerbe im Frequenzgang erzeugt. Durch Hinterbohren (IPC-6012E) wird der Stummel entfernt, wodurch die Einfügedämpfung bei Resonanzfrequenz um 6—10 dB ausgeglichen wird.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Berechnung der Impedanz und der parasitären Eigenschaften für eine 0,3 mm Durchkontaktierung (0,25 mm fertiges Loch) mit 0,6 mm Antipad auf 4-lagigem 1,6 mm FR4 (Er=4,3), Signal beim Übergang von L1 zu L3.

Lösung nach Johnson/Graham:

  1. Über die Impedanz: Z = 87/sqrt (4,3) x ln (1,9 x 0,6/0,3) = 42,0 x ln (3,8) = 42,0 x 1,335 = 56,1 Ohm
  2. Kontaktlänge (L1 bis L3): ca. 0,3 mm
  3. Kapazität: C = 1,41 x 4,3 x 0,3 x 0,3^2/(0,6^2 - 0,3^2) = 1,82 x 0,027/0,27 = 0,18 pF
  4. Induktivität: L = 5,08 x 0,3 x [ln (4 x 0,3/0,3) + 1] = 1,52 x 2,39 = 3,63 nH pro mm, also L_total = 1,1 nH
  5. Stummellänge (unter L3): 1,3 mm, Resonanz bei f = c/ (4 x 1,3 mm x sqrt (4,3)) = 5,3 GHz
Ergebnis: 56 Ohm über mit 0,18 pF, 1,1 nH. Für eine 50-Ohm-Leitung ist der Reflexionskoeffizient = (56-50)/(56+50) = 5,7%. Zulässig für <5 Gbit/s; für Signale über 3 GHz oder mehr als 10 Gbit/s ist Back-Drill erforderlich.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie das Via-In-Pad mit Deckelbeschichtung für BGA-Breakout — verhindert Spurstummel und reduziert die parasitäre Induktivität gemäß IPC-7095-Empfehlungen um 30%.
  • ✓Fügen Sie Massedurchkontaktierungen innerhalb von 20 Lambda/20 (2 mm bei 10 GHz) der Signaldurchkontaktierungen hinzu — bietet einen Rückweg mit niedriger Induktivität und reduziert die Durchgangsinduktivität um 40-60% gemäß Johnson/Graham.
  • ✓Für HF-/Mikrowellen (>6 GHz): Geben Sie eine Rückbohrung bis auf 0,1 mm an der Signalschicht an — entfernt Stichresonanzen und verbessert die Einfügedämpfung um 3-6 dB pro Durchgang.

Häufige Fehler

  • ✗Vernachlässigung des Antipadgrößeneffekts — eine Erhöhung des Antipads von 0,5 mm auf 0,8 mm erhöht die Via-Impedanz um 10-15 Ohm, wodurch die Anpassung an 50-Ohm-Leiterbahnen verbessert wird, die Routingdichte jedoch verringert wird.
  • ✗Ignorieren der Stichresonanz bei Hochfrequenzsignalen — ein 1-mm-Stub erzeugt eine Resonanzkerbe bei 7,5 GHz auf FR4, was zu einer Einfügedämpfung von über 10 dB führt. Berechnen Sie immer die Stichfrequenz für Signale mit >3 GHz.
  • ✗Verwendung von PTH-Durchkontaktierungen für Signale mit mehr als 25 Gbit/s — standardmäßige 0,3-mm-Durchkontaktierungen haben eine Kapazität von 0,5 pF; HDI-Mikrodurchkontaktierungen (0,1 mm) haben 0,08 pF, wodurch die Rückflussdämpfung um 6-8 dB pro Durchgangsübergang gemäß IEEE 802.3 reduziert wird.

Häufig gestellte Fragen

Die Via-Impedanz steigt mit dem Ln (D/d) -Verhältnis: Ein größeres Antipad (D) oder ein kleinerer Bohrer (d) erhöhen die Impedanz. Laut Johnson/Graham ergibt eine 0,25-mm-Durchkontaktierung mit 0,5-mm-Antipad auf FR4 48 Ohm; bei 0,7 mm Antipad ergibt das 58 Ohm. Optimieren Sie das D/d-Verhältnis so, dass es der Leiterbahnimpedanz entspricht — in der Regel ist d/D = 2,0-2,5 für 50 Ohm.
Via-Diskontinuitäten verursachen Signalreflexionen: Gemäß den IEEE 802.3-Ethernet-Spezifikationen beträgt der maximale Durchgangsreflexionskoeffizient 5% für 10GBASE-T. Ein 60-Ohm-Durchgang auf einer 50-Ohm-Spur verursacht eine Reflexion von 9% — bei falscher Spezifikation. Bei 25 Gbit/s (100GBASE-CR4) verursacht eine Durchgangskapazität von > 0,3 pF eine Einfügedämpfung von 2 dB, sodass HDI-Mikrodurchkontaktierungen erforderlich sind.
Ja — Verkleinern Sie den Durchmesser des Gegenpolsters (engere Verbindung mit den Grundflächen) oder erhöhen Sie den Bohrdurchmesser (größere Kupferfläche). Bei einem kleineren Gegenpolster besteht jedoch die Gefahr, dass der Bohrer ausbricht; ein größerer Bohrer verringert die Bohrungsdichte. Optimal: Verwenden Sie einen 0,25-mm-Bohrer mit 0,45-mm-Antipad für eine Impedanz von 45-50 Ohm auf FR4 gemäß IPC-2141A-Richtlinien.
Materialien mit niedrigerem Er-Wert (Rogers RO4350B, Er=3,48) erhöhen sich bei gleicher Geometrie um 10% gegenüber FR4 (Er=4,3). PTFE (Er=2,2) erhöht die Impedanz um 25% Die Kapazität skaliert mit Er, sodass bei Materialien mit niedrigem ER-Wert die Via-Kapazität proportional reduziert wird — vorteilhaft für Hochgeschwindigkeitssignale.
Die quasistatischen Formeln sind bis zu Frequenzen, bei denen die Vialänge < lambda/10 ist, auf +/- 10% genau. Bei einer 1,6-mm-Platine auf FR4 sind dies ungefähr 4 GHz. Verwenden Sie oberhalb von 4 GHz die Vollwellen-EM-Simulation (HFSS, CST) für genaue S-Parameter. Stummelresonanzeffekte dominieren oberhalb von 3 GHz unabhängig von der Genauigkeit der Formel.

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