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PCB Via Calculator

Calculez le PCB en fonction de l'impédance, de la capacité, de l'inductance et de la capacité actuelle. Recevez le rapport hauteur/largeur et les avertissements DFM pour les vias traversants et aveugles. Résultats instantanés et gratuits.

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Formule

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}

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

T— Épaisseur du panneau (mm)
d— Via le diamètre du foret (mm)
D— Diamètre du tampon (mm)
εᵣ— Constante diélectrique
h— Hauteur du canal (= épaisseur du panneau) (mm)

Comment ça marche

Le calculateur d'impédance des circuits imprimés calcule l'impédance, la capacité parasite et l'inductance caractéristiques des circuits imprimés, ce qui est essentiel pour la conception numérique à haut débit, les transitions RF et l'analyse de l'intégrité du signal. Les ingénieurs en intégrité du signal l'utilisent pour minimiser les discontinuités via qui entraînent une réflexion du signal de 5 à 15 % à des débits de données de plusieurs gigabits.

Selon la « conception numérique à haute vitesse » de Johnson/Graham, l'impédance de via suit Z = 87/sqrt (Er) x ln (1,9 x D/d), où D est le diamètre de l'antipad, d est le diamètre du foret et Er est la constante diélectrique. Un via typique de 0,3 mm avec un antipad de 0,6 mm sur FR4 (Er=4,3) a un Z d'environ 52 ohms, soit une cible proche de 50 ohms mais avec une capacité de 0,3 à 0,5 pF et une inductance de 0,5 à 1,0 nH qui créent une discontinuité.

Via une échelle parasitaire avec épaisseur du panneau : IPC-2221B indique la capacité C = 1,41 x Er x T x d^2/(D^2 - d^2) pF, où T est l'épaisseur du panneau en mm. Un panneau de 1,6 mm d'épaisseur a une capacité deux fois supérieure à 0,8 mm. C'est pourquoi des empilements HDI avec micro-vias (perçage de 0,1 mm, tampon de 0,15 mm) sont nécessaires pour les signaux supérieurs à 10 Gbit/s. Ils réduisent la capacité de 80 % par rapport aux vias PTH standard.

Pour les applications RF supérieures à 3 GHz, la résonance via stub devient essentielle. Un trou traversant situé sur un signal en transition vers la couche 2 d'une carte de 1,6 mm possède un tronçon de 1,4 mm qui résonne à environ 5,5 GHz (quart d'onde), créant une encoche dans la réponse en fréquence. Le rétroperçage (IPC-6012E) permet de retirer le tronçon et de récupérer une perte d'insertion de 6 à 10 dB à la fréquence de résonance.

Exemple Résolu

Problème : calculez l'impédance et les parasites pour un via de 0,3 mm (trou fini de 0,25 mm) avec un antipad de 0,6 mm sur un FR4 de 1,6 mm à 4 couches (Er=4,3), signal sur L1 passant à L3.

Solution proposée par Johnson/Graham :

  1. Impédance via : 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 ohms
  2. Longueur du canal (L1 à L3) : environ 0,3 mm
  3. Capacité : 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. Inductance : L = 5,08 x 0,3 x [ln (4 x 0,3/0,3) + 1] = 1,52 x 2,39 = 3,63 nH par mm, donc L_total = 1,1 nH
  5. Longueur du tronçon (inférieure à L3) : 1,3 mm, résonance à f = c/ (4 x 1,3 mm x carré (4,3)) = 5,3 GHz

Résultat : 56 ohms via avec 0,18 pF, 1,1 nH. Pour une ligne de 50 ohms, coefficient de réflexion = (56-50)/(56+50) = 5,7 %. Acceptable pour <5 Gbit/s ; rétro-exploration requise pour les signaux de plus de 10 Gbit/s ou supérieurs à 3 GHz.

Conseils Pratiques

  • ✓À utiliser via in-pad avec placage de capuchon pour la rupture du BGA : élimine les traces et réduit l'inductance parasite de 30 % conformément aux recommandations de la norme IPC-7095.
  • ✓Ajoutez des vias de masse à une distance de lambda/20 (2 mm à 10 GHz) des vias de signal, ce qui permet d'obtenir un chemin de retour à faible inductance, réduisant ainsi l'inductance de 40 à 60 % selon Johnson/Graham.
  • ✓Pour les ondes RF et micro-ondes (> 6 GHz) : spécifiez un perçage arrière à 0,1 mm de la couche de signal, ce qui supprime la résonance du tronçon et améliore la perte d'insertion de 3 à 6 dB par via.

Erreurs Fréquentes

  • ✗Négliger l'effet de taille de l'antipad : augmenter l'antipad de 0,5 mm à 0,8 mm augmente l'impédance de 10 à 15 ohms, améliorant ainsi la correspondance avec les traces de 50 ohms mais réduisant la densité de routage.
  • ✗Ignorer la résonance du tronçon pour les signaux haute fréquence : un tronçon de 1 mm crée une encoche de résonance à 7,5 GHz sur le FR4, entraînant une perte d'insertion de 10 dB. Calculez toujours la fréquence de tronçon pour les signaux supérieurs à 3 GHz.
  • ✗Utilisation de vias PTH pour les signaux de plus de 25 Gbit/s : les vias standard de 0,3 mm ont une capacité de 0,5 pF ; les micro-vias HDI (0,1 mm) ont 0,08 pF, ce qui réduit les pertes de retour de 6 à 8 dB par transition de via conformément à la norme IEEE 802.3.

Foire Aux Questions

L'impédance via augmente avec le rapport ln (d/D) : un antipad plus grand (D) ou un foret plus petit (d) augmente l'impédance. Selon Johnson/Graham, un via de 0,25 mm avec un antipad de 0,5 mm sur le FR4 donne 48 ohms ; avec un antipad de 0,7 mm, il donne 58 ohms. Optimisez le rapport D/d pour qu'il corresponde à l'impédance de trace, généralement D/d = 2,0 à 2,5 pour 50 ohms.
Les discontinuités de via provoquent des réflexions de signal : conformément aux spécifications Ethernet IEEE 802.3, le coefficient de réflexion de via maximum est de 5 % pour 10GBASE-T. Un via de 60 ohms sur une trace de 50 ohms provoque une réflexion de 9 %, ce qui ne correspond pas à la spécification. À 25 Gbit/s (100 GBASE-CR4), une capacité de via > 0,3 pF entraîne une perte d'insertion de 2 dB, nécessitant des micro-vias HDI.
Oui, réduisez le diamètre de l'antipatin (couplage plus étroit avec les plans de masse) ou augmentez le diamètre du foret (surface de cuivre plus importante). Cependant, un antipad plus petit risque de provoquer une rupture de perçage ; un foret plus grand réduit la densité de routage. Optimal : utilisez un foret de 0,25 mm avec un antipad de 0,45 mm pour 45 à 50 ohms via une impédance sur FR4 conformément aux directives IPC-2141A.
Les matériaux à faible teneur en Er (Rogers RO4350B, Er=3,48) augmentent par impédance de 10 % par rapport au FR4 (Er=4,3) pour la même géométrie. Le PTFE (Er=2,2) augmente l'impédance de 25 %. La capacité varie avec Er, de sorte que les matériaux à faible éR réduisent proportionnellement la capacité de transmission, ce qui est bénéfique pour les signaux à haut débit.
Les formules quasi-statiques sont précises à +/- 10 % jusqu'à des fréquences où la longueur de via est inférieure à lambda/10. Pour une carte de 1,6 mm sur FR4, cela correspond à environ 4 GHz. Au-delà de 4 GHz, utilisez une simulation EM pleine onde (HFSS, CST) pour des paramètres S précis. Les effets de résonance de stub deviennent dominants au-dessus de 3 GHz, quelle que soit la précision de la formule.

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