Optimizando la Impedancia de Vias para Integridad de Señal Superior en PCB de Alta Frecuencia

Las vias actúan como conductores que conectan trazas a través de distintas capas de un PCB multicapa. En baja frecuencia, no afectan la transmisión. Pero al subir frecuencia (≥1 GHz) y volverse flancos de subida pronunciados (≤1 ns), no pueden considerarse simples conexiones eléctricas: su influencia en la integridad de señal debe evaluarse. Las vias se comportan como puntos de discontinuidad de impedancia en la línea de transmisión, causando reflexiones. Los problemas se centran en capacitancia parásita e inductancia parásita. La capacitancia parásita prolonga el tiempo de subida de señales y reduce velocidad del circuito. La inductancia parásita debilita la contribución del circuito de bypass y disminuye la función de filtrado del sistema de alimentación. Este artículo muestra cómo el control de impedancia de vias afecta la integridad de señal y da consejos de diseño.

Influencia de las Vias en la Continuidad de Impedancia

Según curva TDR (reflectómetro de dominio temporal) con y sin via, ocurre retardo de señal evidente sin via. Sin via: tiempo a segundo orificio de prueba = 458 ps. Con via: 480 ps. La via retrasa la señal 22 ps.

El retardo proviene principalmente de la capacitancia parásita de la via, calculada por:

D₂ = diámetro de pad en tierra (mm); D₁ = diámetro de pad de via (mm); T = espesor PCB (mm); εr = constante dieléctrica del substrato; C = capacitancia parásita (pF).

Longitud de via = 0,96 mm, diámetro via = 0,3 mm, diámetro pad = 0,5 mm, εr = 4,2 → C ≈ 0,562 pF. En línea de transmisión de 50 Ω, la variación en tiempo de subida por capacitancia de via:

Resultado teórico: 30,9 ps (9 ps > medido 22 ps), indicando variación entre teoría y práctica.

Conclusión: retardo por capacitancia parásita no es tan obvio. Pero en diseño de alta velocidad, hay que prestar mucha atención a cambio de capa con vias múltiples en enrutado.

Comparada con capacitancia, la inductancia parásita de vias causa más daño. Fórmula:

L = inductancia parásita (nH); h = longitud de via (mm); d = diámetro de via (mm). Impedancia equivalente por inductancia parásita:

Tiempo de subida de prueba = 500 ps, impedancia equivalente = 4,28 Ω. Pero cambio de impedancia por vias supera 12 Ω → variación extrema entre valor medido y teórico.

Influencia del Diámetro de Via en la Continuidad de Impedancia

Experimentos concluyen: mayor diámetro de via → mayor discontinuidad. En diseño HF/alta velocidad, cambio de impedancia suele controlarse dentro de ±10 %; si no, distorsión de señal.

Influencia del Tamaño de Pad en la Continuidad de Impedancia

La capacitancia parásita influye mucho en puntos de resonancia en banda HF y desplaza el ancho de banda. El elemento principal que afecta capacitancia parásita es el tamaño de pad, con influencia equivalente en integridad de señal. Mayor diámetro de pad → menor discontinuidad de impedancia.

Al variar diámetro de pad de 0,5 mm a 1,3 mm, la discontinuidad por vias se reduce constantemente. De 0,5 a 0,7 mm, impedancia cambia con amplitud grande; al seguir subiendo, el cambio se suaviza. Por tanto, mayor diámetro de pad → menor discontinuidad de impedancia por vias.

Camino de Retorno para Señales de Via

Principio básico: corriente de retorno de alta velocidad fluye por camino de menor inductancia. Como PCB tiene varios planos de tierra, la corriente de retorno discurre directamente por el plano de tierra más cercano a la línea de señal. Si todas las corrientes de señal fluyen por el mismo plano y se hace cruzar una via, la corriente de retorno no podrá saltar si no hay conexión de tierra.

En diseño PCB alta velocidad, se puede proveer camino de retorno a corriente de señal de via para eliminar desajuste de impedancia. Alrededor de la via, diseñar via de tierra (grounding via) que provea camino de retorno, generando bucle de inductancia entre via de señal y via de tierra. Aunque exista discontinuidad por influencia de vias, la corriente fluirá hacia el bucle de inductancia mejorando calidad de señal.

Integridad de Señal de Vias

Parámetros S evalúan influencia de vias en integridad de señal (pérdida, atenuación, reflexión, etc.). Experimentos indican: via de tierra reduce pérdida de transmisión; más vias de tierra alrededor → menor pérdida. Añadir vias de tierra alrededor disminuye pérdida causada por vias.

Dos conclusiones:

1. Discontinuidad de impedancia por vias afectada por diámetro de via y tamaño de pad. Mayor diámetro de via y pad → más grave discontinuidad. Discontinuidad disminuye al aumentar tamaño de pad.
2. Añadir vias de tierra mejora evidentemente discontinuidad de impedancia (controlable dentro de ±10 %) y aumenta integridad de señal.

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