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PCB

Calculadora de Vías PCB

Calcula la capacitancia, inductancia y resistencia de vías en PCB multicapa.

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Fórmula

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}

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

T— Grosor del tablero (mm)
d— Mediante el diámetro de la broca (mm)
D— Diámetro de la almohadilla (mm)
εᵣ— Constante dieléctrica
h— Altura de la vía (= grosor de la placa) (mm)

Cómo Funciona

La calculadora de impedancia Via calcula la impedancia característica, la capacitancia parásita y la inductancia de las vías de PCB, algo esencial para el diseño digital de alta velocidad, las transiciones de RF y el análisis de integridad de la señal. Los ingenieros de integridad de la señal utilizan esta tecnología para minimizar las discontinuidades que provocan una reflexión de la señal entre un 5 y un 15% a velocidades de datos de varios gigabits.

Según el «diseño digital de alta velocidad» de Johnson/Graham, la impedancia por vía sigue Z = 87/sqrt (Er) x ln (1,9 x d/D), donde D es el diámetro de la antialmohadilla, d es el diámetro de la broca y Er es la constante dieléctrica. Una vía típica de 0,3 mm con una antialmohadilla de 0,6 mm en el FR4 (Er = 4,3) tiene una Z de aproximadamente 52 ohmios, cerca del objetivo de 50 ohmios, pero con una capacitancia de 0,3 a 0,5 pF y una inductancia de 0,5 a 1,0 nH que crean discontinuidad.

Mediante una escala de parásitos con grosor de placa: el IPC-2221B muestra una capacitancia C = 1,41 x Er x T x d^2/ (D^2 - d^2) pF, donde T es el grosor de la placa en mm. Una placa de 1,6 mm de grosor tiene el doble de capacitancia de 0,8 mm. Esta es la razón por la que se necesitan pilas HDI con microvías (taladro de 0,1 mm, almohadilla de 0,15 mm) para señales de más de 10 Gbps, ya que reducen la capacitancia en un 80% en comparación con las vías PTH estándar.

Para aplicaciones de radiofrecuencia superiores a 3 GHz, la resonancia mediante un conector es fundamental. Una vía pasante situada en la capa 2 de una placa de 1,6 mm tiene un conducto de 1,4 mm que resuena a aproximadamente 5,5 GHz (cuarto de onda), lo que crea una diferencia en la respuesta de frecuencia. Al perforar hacia atrás (IPC-6012E) se extrae el tubo y se recupera una pérdida de inserción de 6 a 10 dB a la frecuencia de resonancia.

Ejemplo Resuelto

Problema: Calcule la impedancia y los parásitos para una vía de 0,3 mm (orificio acabado de 0,25 mm) con una antialmohadilla de 0,6 mm en un FR4 de 4 capas de 1,6 mm (Er = 4,3), señal en la L1 que pasa a la L3.

Solución según Johnson/Graham:

  1. Impedancia mediante: 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 ohmios
  2. Longitud de la vía (L1 a L3): aproximadamente 0,3 mm
  3. Capacitancia: 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. Inductancia: L = 5,08 x 0,3 x [ln (4 x 0,3/0,3) + 1] = 1,52 x 2,39 = 3,63 nH por mm, por lo que L_total = 1,1 nH
  5. Longitud del tubo (por debajo de L3): 1,3 mm, resonancia a f = c/ (4 x 1,3 mm x sqrt (4,3)) = 5,3 GHz
Resultado: vía de 56 ohmios con 0,18 pF, 1,1 nH. Para una línea de 50 ohmios, el coeficiente de reflexión = (56-50)/(56+50) = 5,7%. Aceptable para valores inferiores a 5 Gbps; es necesario realizar análisis retrospectivos para señales superiores a 10 Gbps o superiores a 3 GHz.

Consejos Prácticos

  • ✓Utilízalo a través de una almohadilla con tapa para eliminar el BGA: elimina las trazas y reduce la inductancia parasitaria en un 30%, según las recomendaciones del IPC-7095.
  • ✓Agregue vías de tierra dentro de lambda/20 (2 mm a 10 GHz) de las vías de señal: proporciona una ruta de retorno de baja inductancia, lo que reduce la inductancia a través de la inductancia entre un 40 y un 60% según Johnson/Graham.
  • ✓Para radiofrecuencia y microondas (>6 GHz): especifique la perforación hacia atrás con una precisión de 0,1 mm de la capa de señal: elimina la resonancia secundaria y mejora la pérdida de inserción entre 3 y 6 dB por vía.

Errores Comunes

  • ✗No se tiene en cuenta el efecto de tamaño de la antialmohadilla: al aumentar la antialmohadilla de 0,5 mm a 0,8 mm, se aumenta la impedancia entre 10 y 15 ohmios, lo que mejora la adaptación a las trazas de 50 ohmios, pero reduce la densidad de enrutamiento.
  • ✗Haciendo caso omiso de la resonancia secundaria para señales de alta frecuencia: una fuente de 1 mm crea una muesca resonante a 7,5 GHz en el FR4, lo que provoca una pérdida de inserción de más de 10 dB. Calcule siempre la frecuencia de conexión para señales superiores a 3 GHz.
  • ✗Uso de vías PTH para señales de más de 25 Gbps: las vías estándar de 0,3 mm tienen una capacitancia de 0,5 pF; las microvías HDI (0,1 mm) tienen 0,08 pF, lo que reduce la pérdida de retorno entre 6 y 8 dB por transición de vía según IEEE 802.3.

Preguntas Frecuentes

Al aumentar la impedancia con la relación ln (d/D): una antialmohadilla (D) más grande o una broca más pequeña (d) aumentan la impedancia. Según Johnson/Graham, con un antipad de 0,25 mm y un antipad de 0,5 mm en el FR4 se obtienen 48 ohmios; con un antipad de 0,7 mm se obtienen 58 ohmios. Optimice la relación d/D para que coincida con la impedancia de la traza (normalmente d/D = 2,0-2,5 para 50 ohmios).
Las discontinuidades de vía provocan reflexiones de señal: según las especificaciones Ethernet IEEE 802.3, el coeficiente máximo de reflexión de vía es del 5% para 10GBASE-T. Una traza de 60 ohmios por 50 ohmios provoca una reflexión del 9%, lo que no cumple con las especificaciones. A 25 Gbps (100 GBASE-CR4), una capacitancia superior a 0,3 pF provoca una pérdida de inserción de 2 dB, lo que requiere microvías HDI.
Sí: reduzca el diámetro de la antialmohadilla (un acoplamiento más estrecho con los planos de tierra) o aumente el diámetro de la broca (más área de cobre). Sin embargo, una antialmohadilla más pequeña corre el riesgo de que la broca se rompa; una broca más grande reduce la densidad de enrutamiento. Óptimo: utilice una broca de 0,25 mm con una antialmohadilla de 0,45 mm para obtener entre 45 y 50 ohmios mediante impedancia en el FR4, según las directrices del IPC-2141A.
Los materiales de menor Er (Rogers RO4350B, Er = 3,48) aumentan su impedancia en un 10% en comparación con el FR4 (Er = 4,3) para la misma geometría. El PTFE (Er = 2,2) aumenta la impedancia en un 25%. La capacitancia aumenta con el Er, por lo que los materiales de baja emisividad se reducen proporcionalmente mediante la capacitancia, lo que resulta beneficioso para las señales de alta velocidad.
Las fórmulas cuasiestáticas tienen una precisión de +/ -10% hasta frecuencias en las que la longitud es < lambda/10. Para una placa de 1,6 mm en el FR4, esto es aproximadamente 4 GHz. Por encima de 4 GHz, utilice la simulación EM de onda completa (HFSS, CST) para obtener parámetros S precisos. Los efectos de resonancia secundaria se vuelven dominantes por encima de los 3 GHz, independientemente de la precisión de la fórmula.

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