Constructor de Capas PCB
Construya su placa capa por capa y calcule la impedancia controlada para cualquier pista — microstrip, stripline, pares diferenciales o guía de onda coplanar.
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Trace Specification
Results
Configure trace parameters and run the calculation to see results.
Cómo Funciona la Impedancia Controlada
La herramienta PCB Stack-Up diseña configuraciones de capas con cálculo de impedancia para placas de impedancia controlada, algo esencial para los diseños de RF (coincidencia de 50 ohmios), digitales de alta velocidad (DDR4/5, PCIe Gen4/5, USB4) y cumplimiento de EMC. Los ingenieros de integridad de señales la utilizan para lograr una tolerancia de impedancia de +/ -10% (fabricación estándar) o de +/ -5% (fábrica de RF avanzada), manteniendo al mismo tiempo el aislamiento capa a capa.
Según las ecuaciones IPC-2141A y Hammerstad-Jensen (validadas a +/ -1% por IEEE MTT-S), la impedancia característica Z0 depende de cuatro parámetros: ancho de traza W, altura dieléctrica H por encima del plano de referencia, espesor de cobre T y constante dieléctrica efectiva er_eff. Para la microbanda (capa exterior), Er_eff oscila entre 0,6 x Er y 0,85 x Er porque el campo existe parcialmente en el aire; para la línea de banda (capa interior), Er_eff = Er porque el campo está completamente contenido en el dieléctrico.
La constante dieléctrica FR4 varía de 4,6 a 1 MHz a 4,2 a 5 GHz (cambio del 9%) según el modelo de dispersión de Djordjevic-Sarkar, lo que cambia la impedancia calculada entre un 4 y un 5%. El RO4350B de Rogers mantiene una Er = 3,48 +/- 0,05 entre 1 y 10 GHz, por lo que los diseños de radiofrecuencia superiores a 2 GHz especifican laminados con ER controlado según el IPC-4101. La tangente de pérdida FR4 estándar (tan_delta = 0,02) provoca una atenuación de 0,5 a 1 dB/cm a 5 GHz; los materiales con bajas pérdidas alcanzan entre 0,1 y 0,15 dB/cm.
El retardo de propagación t_pd = sqrt (er_EFF) /c0 difiere un 14% entre la microbanda (~6,1 ps/mm en la FR4) y la línea de banda (~7,1 ps/mm). En el caso de las DDR4 a 3200 MT/s (intervalo unitario de 312 ps), la coincidencia de longitud entre las capas debe tener en cuenta esta diferencia de velocidad: una falta de coincidencia en las trazas de 10 mm provoca un sesgo de 61 ps en la microtira frente a 71 ps en la línea de banda.
Ejemplo Práctico
Problema
Está diseñando un front-end WiFi 2.4 GHz en una placa JLC estándar de 4 capas (1.6 mm total, FR4, 1 oz cobre exterior). La pista RF en L1 debe ser 50 Ω. ¿Qué ancho de pista necesita?
Solución
La JLC estándar de 4 capas usa un preimpregnado de 0.1 mm entre L1 y L2. L2 es el plano de referencia de tierra. El peso de cobre es 1 oz (34.8 µm).
Para microstrip en FR4 con H = 0.100 mm, T = 0.035 mm, εᵣ = 4.5, la fórmula Hammerstad-Jensen da Z₀ ≈ 44 Ω con W = 0.200 mm. Usando la función Resolver con Z₀ objetivo = 50 Ω → ancho resuelto ≈ 0.158 mm (εᵣ_eff ≈ 3.39).
Retardo de propagación: t_pd = √3.39 / 299.8 ≈ 6.13 ps/mm. Una pista de alimentación de antena de 25 mm añade ~153 ps.
Nota de fabricación: “Microstrip L1/L4: W = 0.16 mm, Z₀ = 50 Ω ±10%, según IPC-2141A. Rutar sobre planos de tierra sólidos L2/L3.”
Para microstrip en FR4 con H = 0.100 mm, T = 0.035 mm, εᵣ = 4.5, la fórmula Hammerstad-Jensen da Z₀ ≈ 44 Ω con W = 0.200 mm. Usando la función Resolver con Z₀ objetivo = 50 Ω → ancho resuelto ≈ 0.158 mm (εᵣ_eff ≈ 3.39).
Retardo de propagación: t_pd = √3.39 / 299.8 ≈ 6.13 ps/mm. Una pista de alimentación de antena de 25 mm añade ~153 ps.
Nota de fabricación: “Microstrip L1/L4: W = 0.16 mm, Z₀ = 50 Ω ±10%, según IPC-2141A. Rutar sobre planos de tierra sólidos L2/L3.”
Consejos Prácticos
- ✓Verifique el apilamiento real de la fábrica antes de finalizar el diseño: JLC, PCBway y OSHpark publican los grosores exactos de las capas y los valores de Er. Los supuestos genéricos sobre el FR4 provocan un error de impedancia del 5 al 10%, que puede superar el +/ -10% de las especificaciones.
- ✓Utilice cobre de 1 onza en las capas de señal para un control más estricto de la impedancia: el cobre de 2 onzas aumenta el ancho efectivo de la traza, desplaza el Z0 entre 3 y 5 ohmios y requiere un ajuste de ancho según la tabla 4-1 del IPC-2141A.
- ✓Dirija las trazas controladas por impedancia únicamente a través de planos de referencia continuos: las ranuras, los cortes o las antialmohadillas situadas en el plano de tierra por debajo perturban la corriente de retorno, lo que reduce la impedancia entre un 10 y un 30% y aumenta la EMI entre 6 y 10 dB por Henry Ott.
- ✓Agregue cupones para pruebas de impedancia al paquete de Gerber: sin cupones medibles por TDR, Fab no puede verificar el cumplimiento y las fallas no se pueden rastrear según el IPC-TM-650 2.5.5.7. La mayoría de las fábricas cobran más por controlar la impedancia sin cupones.
- ✓Para pares diferenciales (USB, PCIe, HDMI): mantenga un espaciado de trazas constante en toda la ruta, incluidas las vías y los conectores; incluso un espaciado más amplio de 2 mm aumenta el Zdiff entre un 5 y un 8% y reduce la pérdida de retorno según IEEE 802.3.
- ✓A frecuencias de GHz (RF >2 GHz, digital >5 Gbps): especifique un laminado de bajas pérdidas (Rogers, Isola I-Speed, FR4-HF); el FR4 tan_delta estándar = 0,020 provoca una atenuación de 0,5-1 dB/cm que se acumula en las pistas más largas.
- ✓Compruebe el efecto de la máscara de soldadura: la máscara de soldadura de 25 um sobre la microtira reduce el Z0 entre 1 y 2 ohmios. Utilice el modelo de microbanda incorporado en los cálculos o solicite áreas de impedancia sin enmascarar para las trazas de RF.
- ✓Para líneas de banda asimétricas (capas interiores típicas): utilice la fórmula correcta. Un trazo en la L2 de un cartón de 4 capas tiene 0,1 mm de preimpregnado en la parte superior y 1,2 mm en el núcleo de la parte inferior; la fórmula simétrica sobreestima el Z0 entre un 10 y un 25%.
Errores Comunes
- ✗Con un valor Er de 1 MHz (4,6) en frecuencias de GHz, el Er cae a 4,2 a 5 GHz por Djordjevic-Sarkar, lo que reduce la impedancia en un 5%. Utilice siempre un Er con corrección de frecuencia o especifique un laminado ER controlado para RF.
- ✗Colocar un trazo de impedancia controlado en la capa interna sin comprobar la asimetría: el JLC de 4 capas tiene un preimpregnado de 0,1 mm y un núcleo de 1,2 mm, lo que crea una relación de altura de 12:1. Usa una fórmula de línea de banda asimétrica, no simétrica.
- ✗Olvidar que el grosor del cobre afecta a la impedancia: el cambio de cobre de 0,5 a 2 oz cambia el ancho efectivo y el Z0 entre 3 y 8 ohmios. Vuelva a calcular cuando cambie el peso del cobre.
- ✗Recorrer trazas controladas por impedancia a través de campos sin puntos de unión con el suelo: cada espacio de tierra sin coser crea una discontinuidad de impedancia que refleja del 3 al 5% de la energía de la señal por Johnson/Graham.
- ✗Suponiendo el mismo retraso de propagación en todas las capas, la microtira (er_EFF=3.4) se propaga a 6,1 ps/mm; la línea de banda (er_EFF=4.5) a 7,1 ps/mm. La coincidencia de longitudes entre capas requiere un ajuste de longitud del 14%.
- ✗Especificación de la impedancia controlada sin cupón de prueba: fab no puede verificar la impedancia con TDR sin cupón. Cualquier fallo de impedancia en la producción no se puede diagnosticar. Solicita siempre el cupón y el informe del TDR.
- ✗Cambiar el apilamiento a mitad del diseño sin volver a calcularlo: añadir una capa o cambiar el grosor del núcleo invalida todos los anchos de traza calculados anteriormente. Vuelva a realizar los cálculos de impedancia después de cualquier cambio en el apilamiento.
Preguntas Frecuentes
La impedancia controlada significa fabricar trazas de PCB con una impedancia característica específica (50 ohmios para RF, diferencial de 100 ohmios para USB/PCIe). Según la teoría de líneas de transmisión, cuando la longitud de la traza supera la lambda/10 (aproximadamente 15 mm a 1 GHz en el FR4), la falta de coincidencia de impedancia provoca reflexiones. Una traza de 50 ohmios con una carga de 75 ohmios refleja el 20% de la energía de la señal (VSWR 1. 5:1), lo que degrada los diagramas oculares entre un 15 y un 40% en las interfaces de alta velocidad.
Las fábricas de PCB estándar (JLC, PCBWay, OSHpark) alcanzan una impedancia controlada de +/ -10% según la clase 2 de IPC-6012D. Las fábricas de RF avanzadas ofrecen un +/ -5% a un precio superior. Un trazo de 50 ohmios a una velocidad de +/ -10% proporciona un rango de 45 a 55 ohmios, lo que da como resultado un VSWR de 1. 22:1 (pérdida de retorno de 20 dB), aceptable para la mayoría de radiofrecuencias por debajo de 6 GHz y digitales por debajo de 10 Gbps.
Microstrip: trazo de la capa exterior con dieléctrico en la parte inferior y máscara de aire/soldadura en la parte superior. La Er efectiva es más baja (el campo se encuentra parcialmente en el aire), lo que proporciona una mayor impedancia para la misma anchura y una propagación más rápida (6,1 ps/mm). Línea de banda: traza de la capa interior enterrada entre dos planos del suelo. Se aplica una Er completa, lo que proporciona una impedancia más baja para la misma anchura y una propagación más lenta (7,1 ps/mm). Stripline proporciona entre 6 y 10 dB más de aislamiento y blindaje EMC según Johnson/Graham.
El CPWG coloca el cobre molido coplanar adyacente a la traza más el plano de tierra que se encuentra debajo. Utilícelo para: (1) sustratos gruesos en los que la longitud de la microbanda es superior a 0,3 mm; (2) transiciones de radiofrecuencia en conectores o placas de chips que necesitan una superficie bien definida; (3) diseños que requieren blindaje lateral. El espacio coplanar proporciona un parámetro de ajuste de impedancia adicional. Según las guías de diseño de Rogers, el CPWG logra una tolerancia un +/- 3% más estricta que las microtiras.
El FR4 Er pasa de 4,5 a 4,7 a 1 MHz a 4,2 a 4,4 a 1 GHz y a 4,0-4,2 a 5 GHz según el modelo de dispersión de Djordjevic-Sarkar. Esta variación del 9% desplaza la impedancia calculada entre un 4 y un 5%. La herramienta aplica la corrección de frecuencia al introducir la frecuencia de funcionamiento. Para diseños que superen los 2 GHz, utilice los valores medidos de las hojas de datos o especifique materiales de Rogers/Isola con un Er estrictamente controlado (+/ -1,5%).
La línea de banda simétrica tiene un trazo centrado entre dos planos de referencia con la misma altura dieléctrica por encima y por debajo. La línea de banda asimétrica (común en las capas interiores) tiene alturas desiguales: el L2 en una placa de 4 capas suele tener 0,1 mm de material preimpregnado en la parte superior y 1,2 mm en el núcleo de la parte inferior (proporción de 12:1). La fórmula simétrica sobreestima el Z0 entre un 10 y un 25% para geometrías asimétricas. Seleccione siempre el modelo correcto para realizar cálculos precisos.
t_pd = sqrt (er_EFF) /c0, donde c0 = 299,8 mm/ns. Para microtiras FR4 de 50 ohmios (er_EFF aproximadamente 3,4), t_pd = 6,1 ps/mm. Para stripline (er_EFF = 4,5), t_pd = 7,1 ps/mm. La memoria DDR4 a 3200 MT/s requiere un sesgo de menos de 10 ps dentro de las líneas de bytes, lo que permite que la longitud de la microtira no coincida solo 1,6 mm. La herramienta muestra el retardo de propagación de la geometría actual para compararla con las especificaciones de la interfaz.
La fórmula de microtiras de Hammerstad-Jensen tiene una precisión de +/ -1-2% para geometrías típicas (0,1 < W/H < 10, T/H < 0,2) según la validación IEEE MTT-S. Las fórmulas Stripline alcanzan un +/ -1,5%. La precisión se degrada en relaciones W/H extremas, a través de transiciones y cerca de los vertidos de cobre. Para requisitos de tolerancia de +/ -3% o superiores, complementa los cálculos con una simulación en 2.5D (Polar SI9000, HyperLynx) o 3D EM (CST, HFSS).
Sí, pero la vía es una discontinuidad. La vía pasante tiene un conector capacitivo (un tubo no utilizado por debajo de la capa de señal) y una inductancia de 1 a 2 nH que cambia la impedancia localmente. Por debajo de 1 GHz, esto suele ser aceptable. Por encima de 1 GHz: utilice microvías integradas en el panel o microvías HDI según el IPC-6012E. Garantice la continuidad del plano de referencia en la capa de destino y añádalo mediante costuras de hasta 2 mm para lograr una ruta de retorno de baja inductancia, según Johnson/Graham.
Pérdida de conductor (efecto piel) más pérdida dieléctrica: para microstrip de 50 ohmios y 1 onza en el FR4, a 1 GHz: 0,10-0,15 dB/cm; a 2,4 GHz: 0,20-0,30 dB/cm; a 5 GHz: 0,40-0,60 dB/cm. Un rastro WiFi de 10 cm a 5 GHz pierde entre 4 y 6 dB, una cantidad significativa antes del LNA. El RO4350B de Rogers lo reduce a 0,08-0,12 dB/cm a 5 GHz. Introduzca la frecuencia en la herramienta para calcular la atenuación para su geometría específica.