Via Sizing: How Many Vias Needed?

"Wie viele Vias benötige ich?" Dies ist eine der häufigsten Fragen beim PCB-Design und überraschend schwierig zu beantworten. Bei zu wenigen Durchkontaktierungen besteht die Gefahr von thermischen Ausfällen oder Spannungsabfällen. Zu viele verschwenden Platz auf der Platine und erhöhen die Kosten.

Dieser Leitfaden enthält die Formeln, Tabellen und Faustregeln, mit denen Sie genau berechnen können, wie viele Durchkontaktierungen Sie benötigen, sei es für die Stromversorgung, das Wärmemanagement oder das Ground-Stitching. Kein Raten mehr.

Via-Grundlagen: Anatomie einer Via

Bevor Sie die Anzahl der Durchkontaktierungen berechnen, ist es hilfreich zu verstehen, was den Strom und die Wärmekapazität einer Durchkontaktierung bestimmt.

Über Anatomie und Parameter
Parameter	Beschreibung	Typische Werte
Bohrerdurchmesser	Lochgröße vor dem Plattieren	8-20 Millionen
Enddurchmesser	Lochgröße nach dem Plattieren	6-18 Millionen
Beschichtungsdicke	Kupfer an der Fasswand	0,8–1,5 Mio.
Pad-Durchmesser	Kupferring um das Loch	Bohren + 8-16 mil
Seitenverhältnis	Plattendicke / Bohrergröße	6:1 bis 12:1

Wichtige Erkenntnis: Der Strom fließt durch die Kupferbeschichtung auf der Durchkontaktierungshülse, nicht durch die Mitte. Eine größere Durchkontaktierung hat eine größere Beschichtungsfläche und daher eine höhere Stromkapazität.

Single Via Current Capacity

Die Stromkapazität einer einzelnen Durchkontaktierung hängt von der Beschichtungsdicke, der Bohrergröße und dem zulässigen Temperaturanstieg ab.

Single Via Current Capacity (1 mil Beschichtung, 10°C Anstieg)
Bohrergröße	Beschichtungsbereich	Strom (10°C)	Strom (20°C)
6 Millionen	0,47 mil²	0,4 A	0,5 A
8 Millionen	0,63 mil²	0,5 A	0,7 A
10 Millionen	0,78 mil²	0,7 A	0,9 A
12 Millionen	0,94 mil²	0,9 A	1,2 A
15 Millionen	1,18 mil²	1,2 A	1,5 A
20 Millionen	1,57 mil²	1,6 A	2,0 A

Diese Werte gehen von einer Standardbeschichtungsdicke aus. Für dickere Beschichtungen wie 1,5 mil IPC Klasse 3 erhöhen Sie die Kapazität um etwa 30 %.

So berechnen Sie die Via-Anzahl

Es gibt zwei praktische Möglichkeiten, ein Via-Array zu dimensionieren, je nachdem, ob Ihnen die Stromlieferung oder die Anpassung an die angeschlossene Kupfergeometrie am wichtigsten ist.

Via-Anzahl = (Erforderlicher Strom ÷ Einzel-Via-Kapazität) × Sicherheitsfaktor

Methode 1: Strombasierte Berechnung

Für die Stromversorgung dividieren Sie den erforderlichen Strom durch die Single-Via-Kapazität und fügen Sie einen Sicherheitsfaktor hinzu.

Methode 2: Spurbreitenanpassung

Passen Sie den gesamten Via-Querschnitt an den Leiterbahn-Querschnitt an, damit der Übergang nicht zu einem Engpass wird.

Verwenden Sie für Standardanwendungen einen Sicherheitsfaktor von 1,25.
Verwenden Sie einen Sicherheitsfaktor von 1,5 für hochzuverlässige oder thermisch beanspruchte Designs.

Via-Anzahl passend zur Leiterbahnbreite (10 mil Vias, 1 Unze Kupfer)
Spurbreite	Trace-Bereich	Benötigte Vias
20 Millionen	27 mil²	2-3
50 Millionen	68 mil²	4-5
100 Millionen	137 mil²	7-8
200 Millionen	274 mil²	14-16

Beispiel: Eine 5A-Schiene, die 10-mil-Durchkontaktierungen mit einer Einzeldurchkontaktierungskapazität von 0,7A durchquert, benötigt nach Anwendung eines Sicherheitsfaktors von 1,25 etwa 9 Durchkontaktierungen.

Die Querschnittsmethode kann ebenfalls nützlich sein: Via-Anzahl = (Leiterbahnbreite × Leiterbahndicke) ÷ Via-Beschichtungsfläche.

Kurzreferenz: Via Count by Current

Für schnelle Schätzungen geht diese Tabelle von 10-mil-Bohrlöchern mit 1-mil-Beschichtung und einem Temperaturanstieg von 10 °C aus.

Empfohlene Via-Anzahl nach Strom (10 Mio. Vias)
Aktuell	Min Vias	Empfohlen	High-Rel
0,5 A	1	2	2
1 A	2	2-3	3
2 A	3	4	5
3 A	5	6	8
5 A	8	9-10	12
10 A	15	18-20	25
15 A	22	25-28	35
20 A	29	35	45

Benötigen Sie genaue Zahlen? Verwenden Sie den Via Current Calculator, um die Größe von Arrays anhand Ihrer tatsächlichen Ziele für Beschichtung, Plattendicke und Temperaturanstieg zu ermitteln.

Via-Größenbestimmung nach Anwendung

Verschiedene Via-Arrays sind für unterschiedliche Aufgaben optimiert. Ein Power Transition Array ist nicht dasselbe wie ein Thermal Pad Array oder ein Stitching Fence.

Power durch Empfehlungen
Anwendung	Typischer Strom	Via-Größe	Via-Anzahl
MCU-Leistung	100-500 mA	10 Millionen	2-4
Motorfahrer	1-5 A	12-15 Millionen	6-12
LED-Treiber	0,5-2 A	10-12 Millionen	3-6
DC-DC-Ausgang	2-10 A	12-15 Millionen	8-20
Batterieanschluss	5-20 A	15-20 Millionen	15-40

Empfehlungen für thermische Via-Arrays
Verlustleistung	Pad-Größe	Via-Größe	Via-Anzahl
0,5 W	3×3 mm	12 Millionen	4-6
1 W	4×4 mm	12-15 Millionen	9-12
2 W	5×5 mm	15 Millionen	12-16
5 W	8×8 mm	15-20 Millionen	25-36

Vergleichen Sie diese Zahlen für die Planung von Wärmeleitpads mit dem Leitfaden für thermische Vias und Signalvias.

Ground Stitching Vias

Ground-Stitching hält die Rückwege kurz und vorhersehbar für Hochgeschwindigkeitssignale. Der Abstand hängt von der höchsten Frequenz ab, die Sie interessieren.

Grundnaht über Abstand
Maximale Häufigkeit	Wellenlänge (FR4)	Max. Via-Abstand
100 MHz	~1500 mm	150 mm (kein Nähen erforderlich)
500 MHz	~300 mm	30 mm
1 GHz	~150 mm	15 mm (600 mil)
2,4 GHz	~62 mm	6 mm (240 mil)
5 GHz	~30 mm	3 mm (120 mil)

Faustregel: Platzieren Sie Ground-Stitching-Durchkontaktierungen mit λ/20 oder weniger, wobei λ die Wellenlänge bei der höchsten Signalfrequenz ist. Dadurch bleibt der Rückweg gut kontrolliert.

Best Practices für die Platzierung

1. Stromversorgung über Arrays

Platzieren Sie Durchkontaktierungen in einem Gittermuster unter Pads oder entlang von Leiterbahnen.
Verwenden Sie einen Mindestabstand von etwa 3× Via-Durchmesser.
Strom so verteilen, dass eine Durchkontaktierung nicht zu einem Hotspot wird.
Verteilen Sie die Durchkontaktierungen gleichmäßig über die Kupferfläche.

2. Wärme- und Signalübergänge

Zentrieren Sie die thermischen Durchkontaktierungen unter der Wärmequelle.
Verwenden Sie für viele Wärmeleitpads einen Abstand von etwa 1,0–1,2 mm.
Platzieren Sie Massedurchkontaktierungen innerhalb von 20–30 mil der Signaldurchkontaktierungen.
Erwägen Sie Back-Drilling oder HDI-Durchkontaktierungen für sehr schnelle Signale.

Über Spannungsabfallberechnung

Vias erhöhen den Widerstand und erhöhen die Temperatur. Bei Niederspannungsschienen kann dieser Widerstand fast genauso wichtig sein wie die Erwärmung.

Single Via Resistance (62-mil-Platine, 1-mil-Beschichtung)
Via Drill	Widerstand	V-Drop bei 1A
8 Millionen	~0,6 mΩ	0,6 mV
10 Millionen	~0,5 mΩ	0,5 mV
12 Millionen	~0,4 mΩ	0,4 mV
15 Millionen	~0,3 mΩ	0,3 mV

Dividieren Sie für mehrere Vias parallel den Widerstand eines einzelnen Vias durch die Anzahl der Vias. Der gesamte Spannungsabfall im Pfad umfasst sowohl Leiterbahnen als auch Durchkontaktierungen. Kombinieren Sie diese Prüfungen daher mit dem Leiterbahnbreitenrechner.

Beispiele aus der Praxis

Beispiel 1: Motortreiber-Leistungsstufe

Design: 12-V-Motortreiber, Spitzenstrom 8 A, Schichtübergang von der externen Leiterbahn zur internen Ebene.

Durchkontaktierungsbohrer: 12 mil → Einzeldurchkontaktierungskapazität: 0,9 A (10 °C)
Erforderliche Durchkontaktierungen: 8 A ÷ 0,9 A = mindestens 9
Mit 1,25-fachem Sicherheitsfaktor: 9 × 1,25 = 12 Durchkontaktierungen
Anordnung: 3×4-Raster im 40-Mil-Abstand unter dem Power-Pad.

Beispiel 2: Wärmeleitpad für Spannungsregler

Design: LDO mit 1,5 W Ableitung, 5 mm × 5 mm großes freiliegendes Pad, verbunden mit der Erdungsebene.

Wärmeleitpadfläche: 25 mm²
Via-Durchmesser: 15 mil (0,4 mm) mit 0,8 mm Pad
Via-Abstand: 1,0 mm für starke Wärmeübertragung
Via-Array: 4×4 = 16 Vias
Fülloption: verschlossen oder zeltförmig, um die Dochtwirkung des Lots zu reduzieren.

Beispiel 3: USB 3.0-Signalübergang

Design: USB 3.0 SuperSpeed (5 Gbit/s) Differenzialpaar-Schichtübergang.

Signal-Durchgang: 8-mil-Bohrer für geringere Kapazität
Masse-Durchkontaktierungen: 2 pro Signal-Durchgang, ca. 25 mil entfernt
Konfiguration: GND-D+-D--GND
Erwägen Sie das Hinterbohren, um die Durchgangslänge zu reduzieren.

Häufige Via-Größenfehler

Verwendung nur einer Durchkontaktierung für Hochstromverbindungen. Eine einzelne 10-mil-Durchkontaktierung trägt unter üblichen Annahmen nur ungefähr 0,7 A sicher, sodass Stromschienen normalerweise mehrere parallel schalten müssen.

Durchkontaktierungen zu dicht beieinander. Zu dichte Arrays führen zu Fertigungsrisiken und einer schlechten Stromverteilung. Halten Sie einen Durchmesserabstand von mindestens dem 3-fachen ein, wobei 4-fach oft sicherer ist.

Grenzwerte für das Seitenverhältnis ignorieren. Eine kleine Durchkontaktierung durch eine dicke Platine kann unmöglich zuverlässig plattiert werden. Standardfabriken sind bei 8:1 viel zufriedener als bei 17:1.

Vergessen Sie Engpässe bei der Flugzeugverbindung. Eine Via-Farm hilft nicht, wenn sie in eine schmale Leiterbahn oder einen schlechten Flugzeughals einmündet.

Zusammenfassung: Via Count-Formel

Dies ist eine gute Abkürzung für den ersten Durchgang für 10-mil-Durchkontaktierungen mit 1-mil-Beschichtung bei einem Temperaturanstieg von 10 °C.

Für genaue, auf Ihr Design zugeschnittene Ergebnisse verwenden Sie den Via Current Calculator. Es berücksichtigt die Größe der Durchkontaktierungen, die Dicke der Beschichtung, die Dicke der Platine und den Temperaturanstieg.

Via Count = (Strom ÷ 0,7 A) × 1,25

Wenn Sie thermische Zonen und Array-Platzierung visualisieren müssen, kann auch eine mechanische 3D-Überprüfung hilfreich sein. Moderne 3D-Modellierungsworkflows werden beim Elektronik-Prototyping immer nützlicher.

Via Sizing: How Many Vias Needed?

Via-Grundlagen: Anatomie einer Via

Single Via Current Capacity

So berechnen Sie die Via-Anzahl

Methode 1: Strombasierte Berechnung

Methode 2: Spurbreitenanpassung

Kurzreferenz: Via Count by Current

Via-Größenbestimmung nach Anwendung

Ground Stitching Vias

Best Practices für die Platzierung

1. Stromversorgung über Arrays

2. Wärme- und Signalübergänge

Über Spannungsabfallberechnung

Beispiele aus der Praxis

Beispiel 1: Motortreiber-Leistungsstufe

Beispiel 2: Wärmeleitpad für Spannungsregler

Beispiel 3: USB 3.0-Signalübergang

Häufige Via-Größenfehler

Zusammenfassung: Via Count-Formel

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