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PCB

PCB via calculadora

Calcule o PCB por meio de impedância, capacitância, indutância, capacidade de corrente, proporção e avisos de DFM. Cobre orifícios passantes e vias cegas/enterradas.

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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}

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

T— Espessura da placa (mm)
d— Através do diâmetro da broca (mm)
D— Diâmetro da almofada (mm)
εᵣ— Constante dielétrica
h— Via altura (= espessura da placa) (mm)

Como Funciona

A Calculadora de Impedância Via calcula a impedância característica, a capacitância parasitária e a indutância para vias de PCB — essenciais para design digital de alta velocidade, transições de RF e análise de integridade de sinal. Os engenheiros de integridade de sinal usam isso para minimizar as descontinuidades que causam 5 a 15% de reflexão do sinal em taxas de dados de vários gigabits.

De acordo com o “Design digital de alta velocidade” da Johnson/Graham, a via impedância segue Z = 87/sqrt (Er) x ln (1,9 x D/d), onde D é o diâmetro do antibloco, d é o diâmetro da broca e Er é a constante dielétrica. Uma via típica de 0,3 mm com antipad de 0,6 mm no FR4 (Er = 4,3) tem Z de aproximadamente 52 ohms — perto da meta de 50 ohms, mas com capacitância de 0,3-0,5 pF e indutância de 0,5-1,0 nH que criam descontinuidade.

Via escala parasitária com espessura da placa: IPC-2221B mostra a capacitância C = 1,41 x Er x T x d ^ 2/(D ^ 2 - d ^ 2) pF, onde T é a espessura da placa em mm. Uma placa de 1,6 mm de espessura tem o dobro da capacitância de 0,8 mm. É por isso que os empilhamentos HDI com microvias (broca de 0,1 mm, almofada de 0,15 mm) são necessários para sinais de >10 Gbps — eles reduzem a capacitância em 80% em relação às vias PTH padrão.

Para aplicações de RF acima de 3 GHz, a ressonância via stub se torna crítica. Uma via de passagem em um sinal em transição na camada 2 de uma placa de 1,6 mm tem uma ponta de 1,4 mm que ressoa a aproximadamente 5,5 GHz (quarto de onda), criando um entalhe na resposta de frequência. A perfuração traseira (IPC-6012E) remove o talão, recuperando de 6 a 10 dB de perda de inserção na frequência ressonante.

Exemplo Resolvido

Problema: Calcule a impedância e os parasitas para uma via de 0,3 mm (orifício acabado de 0,25 mm) com antialmofada de 0,6 mm em FR4 de 1,6 mm de 4 camadas (Er = 4,3), sinal em L1 em transição para L3.

Solução para Johnson/Graham:

  1. Via impedância: 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. Comprimento da via (L1 a L3): aproximadamente 0,3 mm
  3. Capacitância: 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. Indutância: 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, então L_total = 1,1 nH
  5. Comprimento do talão (abaixo de L3): 1,3 mm, ressonância em f = c/ (4 x 1,3 mm x sqrt (4,3)) = 5,3 GHz
Resultado: 56 ohm via com 0,18 pF, 1,1 nH. Para linha de 50 ohms, coeficiente de reflexão = (56-50)/(56+50) = 5,7%. Aceitável para <5 Gbps; é necessário um back-drill para mais de 10 Gbps ou sinais acima de 3 GHz.

Dicas Práticas

  • ✓Use via almofada com revestimento de tampa para a fuga de BGA — elimina traços de entupimento e reduz a indutância parasitária em 30%, de acordo com as recomendações do IPC-7095.
  • ✓Adicione vias de aterramento dentro de lambda/20 (2 mm a 10 GHz) de vias de sinal — fornece um caminho de retorno de baixa indutância, reduzindo a via indutância em 40-60% por Johnson/Graham.
  • ✓Para RF/micro-ondas (>6 GHz): especifique a perfuração traseira até 0,1 mm da camada de sinal — remove a ressonância do talão e melhora a perda de inserção em 3-6 dB por via.

Erros Comuns

  • ✗Negligenciando o efeito do tamanho do antibloco — aumentar o antibloco de 0,5 mm para 0,8 mm aumenta a impedância em 10-15 ohm, melhorando a correspondência com traços de 50 ohms, mas reduzindo a densidade de roteamento.
  • ✗Ignorando a ressonância do talão para sinais de alta frequência — um talão de 1 mm cria um entalhe ressonante a 7,5 GHz no FR4, causando perda de inserção de mais de 10 dB. Sempre calcule a frequência do stub para sinais de >3 GHz.
  • ✗Usando vias PTH para sinais de mais de 25 Gbps — as vias padrão de 0,3 mm têm capacitância de 0,5 pF; as microvias HDI (0,1 mm) têm 0,08 pF, reduzindo a perda de retorno em 6-8 dB por via de transição de acordo com IEEE 802.3.

Perguntas Frequentes

Por meio de aumentos de impedância com a relação ln (D/d): um antipad maior (D) ou uma broca menor (d) aumentam a impedância. De acordo com Johnson/Graham, uma via de 0,25 mm com antialmofada de 0,5 mm no FR4 fornece 48 ohms; com um antibloco de 0,7 mm fornece 58 ohms. Otimize a relação D/d para corresponder à impedância de traço — normalmente D/d = 2,0-2,5 para 50 ohms.
As descontinuidades de via causam reflexões de sinal: de acordo com as especificações Ethernet IEEE 802.3, o coeficiente máximo de reflexão via via é de 5% para 10GBASE-T. Uma via de 60 ohms em um traço de 50 ohms causa 9% de reflexão — falha na especificação. A 25 Gbps (100GBASE-CR4), via capacitância >0,3 pF causa perda de inserção de 2 dB, exigindo microvias HDI.
Sim — reduza o diâmetro da almofada (acoplamento mais apertado aos planos de aterramento) ou aumente o diâmetro da broca (mais área de cobre). No entanto, um antipad menor corre o risco de rompimento da broca; uma furadeira maior reduz a densidade de roteamento. Ótimo: use broca de 0,25 mm com antialmofada de 0,45 mm para 45-50 ohm via impedância no FR4 de acordo com as diretrizes IPC-2141A.
Materiais de menor Er (Rogers RO4350B, Er=3,48) aumentam via impedância em 10% versus FR4 (Er=4,3) para a mesma geometria. O PTFE (Er=2.2) aumenta a impedância em 25%. A capacitância é dimensionada com Er, portanto, materiais com baixo ER são reduzidos proporcionalmente por meio da capacitância, o que é benéfico para sinais de alta velocidade.
As fórmulas quase estáticas têm precisão de +/ -10% até frequências em que via comprimento < lambda/10. Para placa de 1,6 mm no FR4, isso é aproximadamente 4 GHz. Acima de 4 GHz, use simulação EM de onda completa (HFSS, CST) para parâmetros S precisos. Os efeitos de ressonância Stub se tornam dominantes acima de 3 GHz, independentemente da precisão da fórmula.

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