हाई स्पीड पीसीबी डिजाइन के लिए सर्वश्रेष्ठ सामग्रीः सिग्नल अखंडता और प्रदर्शन का अनुकूलन

1GHz से अधिक सिग्नल आवृत्तियों या 10Gbps से अधिक डेटा दरों द्वारा परिभाषित उच्च गति वाले पीसीबी डिजाइनों को सिग्नल अखंडता बनाए रखने, नुकसान को कम करने और विश्वसनीय संचालन सुनिश्चित करने के लिए विशेष सामग्री की आवश्यकता होती है।मानक पीसीबी के विपरीत, जो लागत और बुनियादी कार्यक्षमता को प्राथमिकता देते हैं, उच्च गति डिजाइन (5 जी नेटवर्क, एआई त्वरक और एयरोस्पेस संचार प्रणालियों में उपयोग किए जाते हैं) प्रतिबाधा को नियंत्रित करने के लिए इंजीनियर सामग्री पर निर्भर करते हैं,क्षीणन को कम करना, और थर्मल तनाव का सामना करते हैं। सही सब्सट्रेट, तांबा, और डाइलेक्ट्रिक सामग्री का चयन सीधे पीसीबी की क्षमता को प्रभावित करता है बिना गिरावट के उच्च आवृत्ति संकेतों को संभालने की क्षमता।यह गाइड उच्च गति पीसीबी डिजाइन के लिए सबसे अच्छी सामग्री का पता लगाता है, उनके प्रमुख गुणों, और कैसे उन्हें अनुकूलित करने के लिए अनुकूल प्रदर्शन के लिए विशिष्ट आवेदन आवश्यकताओं.

उच्च गति पीसीबी के लिए महत्वपूर्ण सामग्री गुण
उच्च गति वाले संकेत निम्न आवृत्ति वाले संकेतों से भिन्न व्यवहार करते हैंः वे ऊर्जा का उत्सर्जन करते हैं, त्वचा प्रभाव से पीड़ित होते हैं, और क्रॉसटॉक और प्रतिबिंब के लिए प्रवण होते हैं। इन समस्याओं को कम करने के लिए,पीसीबी सामग्री को चार प्रमुख क्षेत्रों में उत्कृष्टता प्राप्त करनी चाहिए:

1विद्युतरोधक स्थिरांक (Dk)
विद्युत स्थिरांक (Dk) विद्युत ऊर्जा को संग्रहीत करने की सामग्री की क्षमता को मापता है। उच्च गति डिजाइनों के लिएः
a.स्थिरता: प्रतिबाधा नियंत्रण बनाए रखने के लिए आवृत्ति (1GHz से 100GHz) और तापमान (-40°C से 125°C) में Dk स्थिर रहना चाहिए। >±0.2 के भिन्नता संकेत प्रतिबिंब का कारण बन सकती है।
b. कम मानः कम Dk (3.0 √4.5) संकेत विलंब को कम करता है, क्योंकि प्रसार गति Dk के वर्गमूल के विपरीत आनुपातिक है।
उदाहरण: Dk = 3.0 वाली सामग्री संकेतों को Dk = 4 वाली सामग्री की तुलना में 1.2 गुना तेजी से यात्रा करने की अनुमति देती है।5.

2विसर्जन कारक (Df)
फैलाव कारक (Df) डायलेक्ट्रिक सामग्री में गर्मी के रूप में ऊर्जा हानि को मापता है। उच्च गति संकेत के लिएः
a.Low Df: कम से कम मंदी (सिग्नल हानि) के लिए महत्वपूर्ण है। 28GHz पर, 0.002 का Df 10 इंच के निशान पर 0.004 के Df की तुलना में 50% कम नुकसान का परिणाम देता है।
b.Frequency Stability: Df को आवृत्ति के साथ महत्वपूर्ण वृद्धि नहीं करनी चाहिए (जैसे, 1GHz से 60GHz तक) ।

3ताप प्रवाहकता
उच्च गति वाले पीसीबी सक्रिय घटकों (जैसे, 5 जी ट्रांससीवर, एफपीजीए) और उच्च धारा घनत्व के कारण अधिक गर्मी उत्पन्न करते हैं। उच्च थर्मल चालकता (≥0.0%) वाली सामग्री।3 W/m·K) गर्मी को अधिक प्रभावी ढंग से फैलाता है, हॉटस्पॉट को रोकना जो सिग्नल प्रदर्शन को खराब करते हैं।

4ग्लास संक्रमण तापमान (Tg)
कांच संक्रमण तापमान (Tg) वह तापमान है जिस पर एक सामग्री कठोर से नरम में शिफ्ट होती है। उच्च गति डिजाइनों के लिएः
a.High Tg: सोल्डरिंग (260°C+) के दौरान आयामी स्थिरता बनाए रखने और उच्च तापमान वाले वातावरण (जैसे, ऑटोमोटिव अंडर-हाउस सिस्टम) में संचालन के लिए महत्वपूर्ण है। Tg ≥170°C की सिफारिश की जाती है।

उच्च गति पीसीबी के लिए सर्वश्रेष्ठ सब्सट्रेट सामग्री
सब्सट्रेट सामग्री पीसीबी के मूल का गठन करती है, जिसमें एक डाइलेक्ट्रिक आधार को सुदृढीकरण फाइबर के साथ जोड़ती है। निम्नलिखित सामग्री उच्च गति अनुप्रयोगों के लिए उद्योग मानक हैंः

1हाइड्रोकार्बन सिरेमिक (एचसीसी) लेमिनेट
एचसीसी लेमिनेट (जैसे, रोजर्स आरओ4000 श्रृंखला) हाइड्रोकार्बन राल को सिरेमिक भराव के साथ मिलाता है, जो कम डीके, कम डीएफ और लागत-प्रभावशीलता का आदर्श संतुलन प्रदान करता है।
a. प्रमुख गुण:
Dk: 3.38 ∼ 3.8 (10GHz)
डीएफः 0.0027 ₹ 0.0037 (10GHz)
Tg: 280°C
थर्मल चालकताः 0.6 W/m·K

b. फायदेः
आवृत्ति और तापमान (±0.05) में स्थिर Dk।
मानक पीसीबी विनिर्माण प्रक्रियाओं (ईटिंग, ड्रिलिंग) के साथ संगत।
c.अनुप्रयोगः 5G बेस स्टेशन (उप-6GHz), IoT गेटवे और ऑटोमोटिव रडार (24GHz) ।

2पीटीएफई (टेफ्लॉन) लेमिनेट
पीटीएफई (पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन) लेमिनेट (जैसे, रोजर्स आरटी/ड्यूरोइड 5880) फ्लोरोपॉलिमर आधारित होते हैं, जो अत्यधिक उच्च आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए सबसे कम डीके और डीएफ प्रदान करते हैं।
a. प्रमुख गुण:
Dk: 2.2 ∼ 2.35 (10GHz)
डीएफः 0.0009 ₹0.0012 (10GHz)
Tg: कोई नहीं (अपरिवर्तनीय, 260°C से अधिक का सामना करता है)
थर्मल चालकताः 0.25 ̊0.4 W/m·K
b. फायदेः
न्यूनतम हानि के साथ एमएमवेव (28100GHz) संकेतों के लिए लगभग आदर्श।
उत्कृष्ट रासायनिक प्रतिरोध।
c.सीमाएंः
उच्च लागत (एचसीसी से 35 गुना अधिक) ।
विशेष निर्माण की आवश्यकता होती है (कम आसंजन के कारण) ।
d.अनुप्रयोगः उपग्रह संचार, 6जी प्रोटोटाइप और सैन्य रडार (77~100GHz) ।

3उच्च-टीजी एफआर-4 लेमिनेट
उन्नत FR-4 लेमिनेट (जैसे, पैनासोनिक मेगट्रॉन 6) FR-4 के लागत लाभों को बनाए रखते हुए उच्च आवृत्ति प्रदर्शन में सुधार के लिए संशोधित एपॉक्सी राल का उपयोग करते हैं।
a. प्रमुख गुण:
Dk: 3.6 ∼ 4.5 (10GHz)
डीएफः 0.0025 ₹0.004 (10GHz)
Tg: 170 ∼ 200°C
थर्मल चालकताः 0.3~0.4 W/m·K
b. फायदेः
एचसीसी या पीटीएफई की तुलना में 50 से 70% कम लागत।
व्यापक रूप से उपलब्ध और सभी मानक पीसीबी प्रक्रियाओं के साथ संगत।
c.सीमाएंः
HCC/PTFE से अधिक Df, 28GHz से ऊपर के उपयोग को सीमित करता है।
d.अनुप्रयोगः 10Gbps ईथरनेट, उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स (5G स्मार्टफोन) और औद्योगिक राउटर।

4. तरल क्रिस्टल पॉलिमर (एलसीपी) लेमिनेट
एलसीपी टुकड़े टुकड़े (जैसे, रोजर्स एलसीपी) असाधारण आयामी स्थिरता और उच्च आवृत्ति प्रदर्शन के साथ थर्मोप्लास्टिक सामग्री हैं।
a. प्रमुख गुण:
डीकेः 3.0 ∼3.2 (10GHz)
डीएफः 0.002 ₹ 0.003 (10GHz)
Tg: 300°C+
थर्मल चालकताः 0.3 W/m·K
b. फायदेः
लचीली उच्च गति पीसीबी के लिए अति पतली प्रोफाइल (50 ¢ 100μm) ।
कम नमी अवशोषण (<0.02%) विश्वसनीयता के लिए महत्वपूर्ण है।
c.अनुप्रयोगः लचीले 5जी एंटेना, पहनने योग्य उपकरण और उच्च घनत्व इंटरकनेक्ट (एचडीआई) पीसीबी।

तांबे की पन्नी: हाई-स्पीड सिग्नल के लिए महत्वपूर्ण घटक
तांबे की पन्नी को अक्सर अनदेखा किया जाता है, लेकिन इसकी सतह की मोटाई और मोटाई का उच्च गति संकेत प्रदर्शन पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता हैः
1रिवर्स-ट्रेटेड (आरटी) कॉपर
आरटी तांबे में एक चिकनी डायलेक्ट्रिक-आधारित सतह और एक मोटी घटक-आधारित सतह होती है, जो आसंजन और संकेत प्रदर्शन को संतुलित करती है।
a. प्रमुख गुण:
सतह रफनेस (Rz): 1.5 ∼ 3.0μm
मोटाईः 12 ‰ 70 ‰ (0.5 ‰ 3 औंस)
b. फायदेः
उच्च आवृत्तियों पर संकेत हानि को कम करता है (चर्म प्रभाव चिकनी सतहों पर कम हो जाता है) ।
सब्सट्रेट पर मजबूत आसंजन।
c.Best For: 5G और ऑटोमोटिव रडार में 1 ¢ 28GHz सिग्नल।

2बहुत कम प्रोफाइल (वीएलपी) तांबा
वीएलपी तांबे में अत्यधिक उच्च आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए अति चिकनी सतहें (Rz <1.0μm) हैं।
a. प्रमुख गुण:
सतह रफनेस (Rz): 0.3 ∼ 0.8μm
मोटाईः 1235μm (0.51.5 औंस)
b. फायदेः
त्वचा प्रभाव के नुकसान को कम करके >28GHz पर सम्मिलन हानि को कम करता है।
c.सीमाएंः
कम आसंजन (विशेष बंधन एजेंटों की आवश्यकता होती है) ।
d.Best For: मिमीवेव (28 ¢ 100GHz) उपग्रह और 6G प्रणालियों में.

3. एनील्ड कॉपर
एनील्ड कॉपर को डक्टिलिटी में सुधार के लिए हीट ट्रीटमेंट से गुजरना पड़ता है, जिससे यह लचीला हाई-स्पीड पीसीबी के लिए आदर्श हो जाता है।
a. प्रमुख गुण:
तन्य शक्तिः 200-250 एमपीए (मानक तांबे के लिए 300-350 एमपीए के विपरीत) ।
फ्लेक्स लाइफः >100,000 चक्र (180° घुमाव)
b.Best For: पहनने योग्य और घुमावदार एंटेना में लचीला LCP पीसीबी।

तुलनात्मक विश्लेषणः उच्च गति वाली सामग्री

सामग्री चयन के लिए डिजाइन विचार
सही सामग्री चुनने के लिए काम करने की क्षमता, लागत और निर्माण क्षमता का संतुलन रखना ज़रूरी है। इन दिशानिर्देशों का पालन करें:
1आवृत्ति और डेटा दर
a.<10GHz (जैसे, 5G उप-6GHz): उच्च-Tg FR-4 या HCC लेमिनेट कम लागत पर पर्याप्त प्रदर्शन प्रदान करते हैं।
b.10~28GHz (जैसे, 5G मध्य बैंड): HCC लेमिनेट (RO4000) नुकसान और लागत का सबसे अच्छा संतुलन प्रदान करते हैं।
c.> 28GHz (जैसे, mmWave): कम करने के लिए PTFE या LCP लेमिनेट की आवश्यकता होती है।

2थर्मल आवश्यकताएं
a.उच्च-शक्ति वाले घटकों (जैसे, 5G पावर एम्पलीफायर) को थर्मल चालकता >0.5 W/m·K (जैसे, सिरेमिक भराव के साथ HCC) वाली सामग्री की आवश्यकता होती है।
b.ऑटोमोबाइल या औद्योगिक वातावरण (एम्बियंट तापमान > 85°C) के लिए Tg ≥ 180°C की आवश्यकता होती है (उदाहरण के लिए, Megtron 8, RO4830) ।

3. लागत प्रतिबंध
a.उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स (जैसे, स्मार्टफोन) लागत को प्राथमिकता देते हैंः 5G उप-6GHz के लिए उच्च-Tg FR-4 का उपयोग करें।
b.एयरोस्पेस/सैन्य अनुप्रयोगों में प्रदर्शन को प्राथमिकता दी जाती है: उच्च लागत के बावजूद पीटीएफई उचित है।

4विनिर्माण संगतता
a.PTFE और LCP के लिए विशेष प्रक्रियाओं (जैसे, आसंजन के लिए प्लाज्मा उपचार) की आवश्यकता होती है, जिससे उत्पादन जटिलता बढ़ जाती है।
उच्च-टीजी एफआर-4 और एचसीसी मानक पीसीबी निर्माण के साथ काम करते हैं, जिससे लीड समय और लागत कम होती है।

केस स्टडीजः वास्तविक दुनिया के डिजाइन में सामग्री प्रदर्शन

मामला 1: 5जी बेस स्टेशन (3.5GHz)
एक दूरसंचार निर्माता को 3.5GHz 5G बेस स्टेशनों के लिए एक लागत प्रभावी पीसीबी की आवश्यकता थी जिसमें <0.5dB/इंच का नुकसान था।
सामग्री विकल्पः रॉजर्स आरओ 4350 बी (एचसीसी लेमिनेट) आरटी तांबा (1 औंस) के साथ।
परिणाम:
सम्मिलन हानिः 0.4dB/इंच 3.5GHz पर।
पीटीएफई विकल्पों की तुलना में 30% कम लागत।
मानक विनिर्माण के साथ उपज > 95%।

मामला 2: ऑटोमोटिव रडार (77GHz)
एक ऑटोमोबाइल आपूर्तिकर्ता को <1.0dB/इंच हानि और Tg ≥170°C के साथ 77GHz रडार के लिए एक पीसीबी की आवश्यकता थी।
सामग्री विकल्पः रॉजर्स आरओ 4830 (एचसीसी लेमिनेट) वीएलपी तांबा (0.5 औंस) के साथ।
परिणाम:
सम्मिलन हानिः 0.8dB/इंच 77GHz पर।
1000 थर्मल चक्रों (-40°C से 125°C) को बिना विघटन के सहन किया।

मामला 3: उपग्रह संचार (का-बैंड, 28GHz)
एक रक्षा ठेकेदार को न्यूनतम हानि और विकिरण प्रतिरोध के साथ 28GHz उपग्रह लिंक के लिए एक पीसीबी की आवश्यकता थी।
सामग्री विकल्पः आरटी/ड्यूरोइड 5880 (पीटीएफई लेमिनेट) वीएलपी तांबा (0.5 औंस) के साथ।
परिणाम:
सम्मिलन हानिः 28GHz पर 0.3dB/इंच।
विकिरण परीक्षण (100krad) से बच गया, MIL-STD-883H को पूरा करता है।

अगली पीढ़ी के हाई स्पीड पीसीबी के लिए उभरती सामग्री
अनुसंधान उच्च गति वाली सामग्री की सीमाओं को आगे बढ़ा रहा हैः
a.ग्राफीन-संवर्धित टुकड़े टुकड़ेः ग्राफीन से भरा हुआ डाईलेक्ट्रिक (Dk = 2.)5, Df = 0.001) 100+ GHz अनुप्रयोगों के लिए, थर्मल चालकता >1.0 W/m·K के साथ।
b.बायो-आधारित हाई-टीजी FR-4: Dk = 3 के साथ पौधे से प्राप्त इपॉक्सी राल।8, डीएफ = 0003, सततता नियमों (यूरोपीय संघ की ग्रीन डील) को पूरा करते हैं।
c.मेटामैटेरियल सब्सट्रेटः 6G सिस्टम में अनुकूलन प्रतिबाधा मिलान के लिए ट्यून करने योग्य Dk (2.0 √4.0) के साथ इंजीनियर सामग्री।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न
प्रश्न: क्या 28 गीगाहर्ट्ज अनुप्रयोगों के लिए उच्च-टीजी एफआर-4 का उपयोग किया जा सकता है?
A: हाँ, लेकिन सीमाओं के साथ। उन्नत उच्च-Tg FR-4 (जैसे, मेगट्रॉन 7) ~1.2dB/इंच हानि के साथ 28GHz के लिए काम करता है, छोटे निशान (<6 इंच) के लिए उपयुक्त है। लंबे निशान के लिए, HCC या PTFE बेहतर है।

प्रश्न: तांबे की मोटाई उच्च गति के प्रदर्शन को कैसे प्रभावित करती है?
एः मोटी तांबा (1 ′′ 3 औंस) वर्तमान हैंडलिंग में सुधार करता है लेकिन त्वचा प्रभाव के कारण > 10GHz पर नुकसान बढ़ता है। उच्च आवृत्ति डिजाइनों के लिए 0.5 ′′ 1 औंस वीएलपी तांबा का उपयोग करें।

प्रश्न: क्या उच्च गति संकेतों के लिए लचीली सामग्री उपयुक्त है?
उत्तर: हां, वीएलपी तांबे के साथ एलसीपी लेमिनेट्स लचीले फॉर्म फैक्टर्स (जैसे, पहनने योग्य उपकरणों में घुमावदार एंटीना) में 60GHz सिग्नल का समर्थन करते हैं।

प्रश्न: उच्च गति सामग्री के लिए विशिष्ट नेतृत्व समय क्या है?
A: उच्च-Tg FR-4 और HCC टुकड़े टुकड़ेः 2-4 सप्ताह। PTFE और LCP: 4-8 सप्ताह विशेष निर्माण के कारण।

निष्कर्ष
उच्च गति पीसीबी डिजाइनों के लिए सर्वोत्तम सामग्री का चयन करने के लिए संकेत आवृत्ति, थर्मल आवश्यकताओं, लागत और विनिर्माण बाधाओं की गहरी समझ की आवश्यकता होती है।उच्च-टीजी एफआर-4 लागत-संवेदनशील के लिए काम का घोड़ा बना हुआ हैपीटीएफई और एलसीपी क्रमशः अत्यंत उच्च आवृत्ति (28100GHz) और लचीले डिजाइनों पर हावी हैं।
आवेदन की जरूरतों के साथ सामग्री गुणों को संरेखित करके, चाहे 5 जी बेस स्टेशनों में नुकसान को कम करना हो या ऑटोमोटिव रडार में स्थायित्व सुनिश्चित करना हो, इंजीनियर उच्च गति पीसीबी को प्रदर्शन के लिए अनुकूलित कर सकते हैं।विश्वसनीयताजैसे-जैसे 6जी और एमएमवेव प्रौद्योगिकियां आगे बढ़ेंगी, सामग्री नवाचार उच्च गति इलेक्ट्रॉनिक्स की अगली पीढ़ी को चलाना जारी रखेगा।
मुख्य निष्कर्षः सही सामग्री उच्च गति पीसीबी प्रदर्शन को बदल देती है। आवृत्ति के लिए डीके / डीएफ स्थिरता, शक्ति के लिए थर्मल चालकता को प्राथमिकता दें,और अपनी उच्च गति डिजाइन में सफलता सुनिश्चित करने के लिए स्केलेबिलिटी के लिए लागत.