Skip to content
RFrftools.io
PCB

Calculadora de Vías PCB

Calcula la capacitancia, inductancia y resistencia de vías en PCB multicapa. Obtén impedancia característica, tiempo de tránsito y frecuencia de resonancia del stub. Herramienta gratuita para diseño de PCB de alta velocidad.

Loading calculator...

Fórmula

Cvia≈0.0554 εr T DDa−D pF,Zvia≈60εrln⁡Dad,Lvia≈0.2h(ln⁡4hd+0.5) nHC_{via} \approx \frac{0.0554\,\varepsilon_r\,T\,D}{D_a-D}\ \text{pF},\quad Z_{via} \approx \frac{60}{\sqrt{\varepsilon_r}}\ln\frac{D_a}{d},\quad L_{via} \approx 0.2h\left(\ln\frac{4h}{d}+0.5\right)\ \text{nH}

Referencia: IPC-2141A; IPC-2221B; 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)
D_a— Diámetro de la antialmohadilla (holgura plana) (mm)
εᵣ— Constante dieléctrica
h— Altura de la vía (= grosor de la placa) (mm)

Cómo Funciona

Una vía con orificio pasante chapado es, eléctricamente, una sección corta de una línea coaxial. El cilindro chapado es el conductor interno; la holgura cortada en cada plano por el que pasa (la antialmohadilla) es el conductor externo. Esa identificación es lo que hace que la geometría sea manejable, y también indica qué dimensión controla qué resultado.

La impedancia sigue directamente la forma coaxial: $Z =\ frac {60} {\ sqrt {\ varepsilon_r}}\ ln\ frac {d_A} {d} $, donde dad_a es el diámetro de la antípala y dd el taladro. La almohadilla no aparece. Una broca de 0,3 mm en una antialmohadilla de 1,0 mm en el FR-4 proporciona 35,2 Ω, muy por debajo de la línea de 50 Ω, por lo que una vía no gestionada se interpreta como una discontinuidad capacitiva.

La capacitancia es la almohadilla que actúa contra el borde de la antialmohadilla. El IPC-2141A da $C =\ frac {0.0554\,\ varepsilon_r\, T\, D} {D_a - D} $ pF con dimensiones en milímetros, donde DD es el diámetro de la almohadilla. Ambas placas aparecen y el espacio entre ellas es el denominador, por lo que la holgura del plano es la palanca dominante: ampliar la antialmohadilla de 0,8 mm a 1,4 mm en una almohadilla de 0,6 mm reduce la capacitancia en un factor de tres. La broca no es una placa y no introduce esta expresión en absoluto.

La inductancia proviene del cañón en forma de un conductor redondo corto sobre su trayectoria de retorno, $L = 0.2h\ left (\ ln\ frac {4h} {d} + 0.5\ right) $ nH con hh y dd en milímetros. Crece con la longitud y solo logarítmicamente con el diámetro, por lo que acortar una vía ayuda mucho más que engordarla, que es el argumento a favor de la perforación hacia atrás.

La capacidad actual se basa en el anillo enchapado. El cobre se deposita en la pared del pozo perforado, por lo que ocupa el anillo desde el radio d/2−td/2 - t hasta d/2d/2, dando $A =\ pi t (d - t) $. Se trata de una sección mucho más pequeña de lo que sugiere el orificio: una vía de 0,3 mm con un revestimiento de 25 µm contiene solo 0,0216 mm² de cobre, menos de un tercio de lo que tendría un tapón sólido del mismo diámetro.

Tenga en cuenta que, en este caso, Z$ es la impedancia característica de la vía como sección de la línea de transmisión. No es lo mismo que determinar en qué medida la vía degrada un eje de paso; para ello, lo que importa es la reactancia excesiva respecto a lo que habría aportado una sección coincidente, algo que se encarga de ello con la calculadora de respuestas escalonadas.

Ejemplo Resuelto

Dado: Broca de 0,3 mm, almohadilla de 0,6 mm, antialmohadilla de 1,0 mm, placa FR-4 de 1,6 mm ( varepsilonr=4,2\ varepsilon_r = 4,2), revestimiento cilíndrico de 25 µm Paso 1: Impedancia coaxial  sqrt varepsilonr= sqrt4.2=2,0493902\ sqrt {\ varepsilon_r} =\ sqrt {4.2} = 2,0493902, por lo que  frac60 sqrt varepsilonr=29,277002\ frac {60} {\ sqrt {\ varepsilon_r}} = 29,277002  fracdAd= frac1.00.3=3.3333333\ frac {d_A} {d} =\ frac {1.0} {0.3} = 3.3333333 y  ln(3.3333333)=1,2039728\ ln (3.3333333) = 1,2039728 Z=29.277002 times1.2039728=35.2487Z = 29.277002\ times 1.2039728 = 35.2487 Ω

El diámetro de la almohadilla no juega ningún papel: solo el cilindro y la holgura del plano forman el par coaxial.

Paso 2: Capacitancia de almohadilla a antialmohadilla (IPC-2141A)

0,0554 times4.2=0,232680\ times 4.2 = 0,232680

 times1.6=0.372288\ times 1.6 = 0.372288  times0.6=0.2233728\ times 0.6 = 0.2233728 C= frac0.22337281.0−0.6=0.558432C =\ frac {0.2233728} {1.0 - 0.6} = 0.558432 pF Paso 3: Inductancia del barril  frac4hd= frac4 times1.60.3=21.333333\ frac {4h} {d} =\ frac {4\ times 1.6} {0.3} = 21.333333 y  ln(21.333333)=3,0602708\ ln (21.333333) = 3,0602708 L=0.2 times1.6 times(3.0602708+0.5)=0.32 times3.5602708=1.1392867L = 0.2\ times 1.6\ times (3.0602708 + 0.5) = 0.32\ times 3.5602708 = 1.1392867 nH Paso 4: Relación de aspecto  fracTd= frac1.60.3=5.33\ frac {T} {d} =\ frac {1.6} {0.3} = 5.33: cómodamente dentro del límite de 10:1 de las asas de fabricación estándar. Paso 5: Capacidad de corriente t=25t = 25 µm =0,025= 0,025 mm, por lo que A= pi times0,025 times(0,3−0,025)=0,02159845A =\ pi\ times 0,025\ times (0,3 - 0,025) = 0,02159845 mm² =33,47= 33,47 mil² I=0,048 times100.44 times33.4780.725=0,048 times2.7542287 times12.748159=1,6853I = 0,048\ times 10^ {0.44}\ times 33.478^ {0.725} = 0,048\ times 2.7542287\ times 12.748159 = 1,6853 A Paso 6: Qué significa una línea de 50 ohmios  sqrtL/C=45,17\ sqrt {L/C} = 45,17 Ω, por debajo de 50 Ω, por lo que la vía es capacitiva. El exceso sobre una sección coincidente es C−L/Z02=0,5584−0,4557=0,1027C - L/Z_0^2 = 0,5584 - 0,4557 = 0,1027 pF; solo alrededor de una quinta parte de la capacitancia bruta es en realidad una discontinuidad. Resultado: 35,2 Ω, 0,558 pF, 1,139 nH, relación de aspecto de 5. 33:1, 1,69 A con un aumento de 10 °C.

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

  • ✗Confundir la almohadilla con la antialmohadilla: la almohadilla es el anillo de cobre de la vía, la antialmohadilla es el espacio libre cortado en los planos. La impedancia depende de la antialmohadilla y no depende en absoluto de la almohadilla; la capacitancia depende de ambas. Intercambiarlos subestima la impedancia y hace que la capacitancia sea insensible a la única dimensión que realmente la controla
  • ✗Suponiendo que el cañón es de cobre macizo, el revestimiento recubre la pared del orificio perforado, por lo que la sección transversal conductora es la cavidad anula*t* (d-t). Una vía de 0,3 mm con un revestimiento de 25 micrómetros tiene 0,0216 milímetros cuadrados de cobre, menos de un tercio de un tapón sólido del mismo diámetro
  • ✗Leer la impedancia característica de la vía como la cantidad de degradación de la señal (una vía cuya raíz cuadrada de L sobre C ya es igual a la impedancia de la línea) es eléctricamente invisible. Lo que degrada una arista es el exceso de reactancia en una sección coincidente, no las L y C sin procesar
  • ✗Reducir la antialmohadilla para recuperar el cobre plano: la capacitancia aumenta a medida que el recíproco de la holgura, por lo que cerrar una antialmohadilla de 1,0 mm a 0,8 mm en una almohadilla de 0,6 mm duplica la capacitancia de vía
  • ✗Utilizando el grosor de la placa para la longitud del cañón en una vía perforada hacia atrás, después de perforar hacia atrás, la señal solo atraviesa la longitud restante y el grosor total exagera tanto la inductancia como la capacitancia

Preguntas Frecuentes

La impedancia sigue a ln (antialmohadilla/taladro), por lo que una antialmohadilla más grande o una broca más pequeña la eleva. Con una broca de 0,25 mm en el FR-4, una antialmohadilla de 0,5 mm produce 20,3 ohmios y una antialmohadilla de 0,7 mm produce 30,1 ohmios. Tenga en cuenta lo bajos que son: para alcanzar los 50 ohmios se necesita una relación antialmohadilla por taladro de aproximadamente 5,5, o una antialmohadilla de 1,38 mm en esa broca. Las vías normales se encuentran muy por debajo de la impedancia de línea, por lo que se consideran capacitivas.
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.
Para subirlo, abra la antialmohadilla o encoja el taladro; para bajarlo, haga lo contrario. Los límites prácticos son que una antialmohadilla grande se come el cobre del avión y puede hacer que el camino de regreso no sirva de nada, mientras que una antialmohadilla pequeña corre el riesgo de que la broca se rompa en la holgura. La mayoría de los diseños se conforman con una impedancia de vía muy por debajo de la línea y gestionan el exceso de capacitancia resultante, eliminando las almohadillas que no funcionan y perforando hacia atrás, en lugar de intentar alcanzar los 50 ohmios únicamente con la geometría.
La impedancia se escala como uno por encima de la raíz cuadrada de la constante dieléctrica, por lo que, para una geometría idéntica, el RO4350B (3,48) de Rogers proporciona aproximadamente un 10 por ciento más de impedancia que el FR-4 (4,2), y el PTFE (2,2) aproximadamente un 38 por ciento más alto. La capacitancia aumenta directamente con la constante dieléctrica, por lo que los laminados de baja ER cortan la capacitancia en la misma proporción, lo que resulta útil a alta velocidad por ambos motivos a la vez.
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.

Artículos Relacionados

PCB Design

Selección de condensadores de desacoplamiento: SRF, ESL y Math

Cómo elegir los valores de los condensadores de desacoplamiento: la frecuencia autorresonante (SRF) establece el rango de derivación efectivo: 100 nF funcionan a ~5 MHz, 10 nF a ~50 MHz y 1 nF a ~500 MHz. Explicación de la ESR y la ESL.

PCB Design

Simulación de FDTD: por qué las señales de 10 Gbps odian los Stubs

Una guía paso a paso para ejecutar una simulación FDTD de una transición directa en el FR-4. Describe cómo configurar la simulación e interpretar los resultados del S11/S21.

Signal Integrity

Impedancia de PDN: domar las resonancias con un algoritmo genético

Un riel de alimentación FPGA de 1,0 V/30 A necesita una impedancia plana de 100 kHz a 1 GHz. Las resonancias de cavidad entre los planos de alimentación y tierra crean picos de impedancia que.

Shop Components

As an Amazon Associate we earn from qualifying purchases.

PCB Manufacturing (JLCPCB)

Affordable PCB fabrication with controlled impedance options

JLCPCB →

FR4 Copper Clad Laminate

FR4 laminate sheets for custom PCB prototyping

Amazon →

Thermal Paste

Thermal interface material for component heat management

Amazon →

Calculadoras relacionadas

PCB

Ancho de Pista por Corriente

Calcula el ancho mínimo de pista PCB necesario para conducir una corriente dada según IPC-2221.

RF

Impedancia Microstrip

Calcula la impedancia característica de líneas de transmisión microstrip para PCBs de RF y microondas.

PCB

Resistencia de Pista

Calcula la resistencia eléctrica de una pista de cobre en PCB en función de sus dimensiones y temperatura.

PCB

Par Diferencial

Calcula el ancho y separación de pistas en par diferencial para lograr la impedancia diferencial deseada.