उच्च आवृत्ति पीसीबीः निर्माण, डिजाइन और आरएफ प्रदर्शन अनुकूलन

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उच्च आवृत्ति वाले पीसीबी, जिन्हें 1GHz से ऊपर के संकेतों को संभालने वाले बोर्ड के रूप में परिभाषित किया गया है, आधुनिक वायरलेस प्रौद्योगिकी की रीढ़ हैं।5जी नेटवर्क और उपग्रह संचार से लेकर रडार प्रणाली और आईओटी उपकरणों तक सब कुछ सक्षम करनामानक पीसीबी के विपरीत, जो लागत और बुनियादी कार्यक्षमता को प्राथमिकता देते हैं, उच्च आवृत्ति डिजाइनों को संकेत अखंडता, प्रतिबाधा मिलान और हानि को कम करने पर सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है।यहां तक कि मामूली डिजाइन दोष या विनिर्माण त्रुटियों के कारण सिग्नल कमजोर हो सकता हैइस मार्गदर्शिका में महत्वपूर्ण डिजाइन सिद्धांतों, निर्माण तकनीकों,और सामग्री चयन जो उच्च आवृत्ति पीसीबी विश्वसनीय आरएफ (रेडियो आवृत्ति) प्रदर्शन प्रदान सुनिश्चित, साथ ही इंजीनियरों और निर्माताओं को मार्गदर्शन करने के लिए वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों और तुलनात्मक विश्लेषण।

उच्च आवृत्ति वाले पीसीबी को क्या अद्वितीय बनाता है?
उच्च आवृत्ति संकेत (1GHz+) अपने निम्न आवृत्ति समकक्षों से अलग व्यवहार करते हैं, जो अद्वितीय चुनौतियां पेश करते हैं जो पीसीबी डिजाइन और निर्माण को आकार देते हैंः
1त्वचा प्रभावः उच्च आवृत्तियों पर, इलेक्ट्रॉन मुख्य रूप से तांबे के निशानों की सतह के साथ (सतह के 1-5μm के भीतर) बहते हैं, प्रभावी प्रतिरोध को बढ़ाते हैं।यह खोने को कम करने के लिए चिकनी तांबे की सतहों की आवश्यकता है.
2सिग्नल कमजोर होना: उच्च आवृत्ति वाले सिग्नल अपनी यात्रा के दौरान शक्ति खो देते हैं, जिसमें आवृत्ति के साथ घाटे में वृद्धि होती है। उदाहरण के लिए,एक 60GHz सिग्नल मानक FR-4 में 10 इंच पर अपनी शक्ति का ~ 50% खो देता है, 1GHz पर 10% की तुलना में।
3प्रतिबाधा संवेदनशीलताः संकेत प्रतिबिंब को रोकने के लिए निरंतर विशेषता प्रतिबाधा (आमतौर पर आरएफ के लिए 50Ω) को बनाए रखना महत्वपूर्ण है।10% प्रतिबाधा असंगतता 1% प्रतिबिंब का कारण बन सकती है.
4क्रॉसस्टॉक और ईएमआईः उच्च आवृत्ति संकेत विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा का उत्सर्जन करते हैं, जो आसन्न निशानों (क्रॉसस्टॉक) और अन्य घटकों (ईएमआई) में हस्तक्षेप करते हैं।
इन चुनौतियों के लिए विशेष सामग्री, सख्त सहिष्णुता और उन्नत डिजाइन तकनीकों की आवश्यकता होती है जो निम्न आवृत्ति पीसीबी के लिए आवश्यक नहीं हैं।

उच्च आवृत्ति पीसीबी के लिए मुख्य डिजाइन सिद्धांत
उच्च आवृत्ति पीसीबी को डिजाइन करने के लिए नुकसान को कम करने, प्रतिबाधा को नियंत्रित करने और हस्तक्षेप को कम करने पर ध्यान केंद्रित करने की आवश्यकता होती है। निम्नलिखित सिद्धांत मौलिक हैंः
1प्रतिबाधा नियंत्रण
प्रतिबाधा (Z0) निशान चौड़ाई, सब्सट्रेट मोटाई, और dielectric स्थिर (Dk) द्वारा निर्धारित किया जाता है। आरएफ अनुप्रयोगों के लिएः
a. विशेषता प्रतिबाधाः अधिकांश आरएफ सर्किट के लिए लक्ष्य 50Ω (वीडियो के लिए 75Ω, अंतर जोड़े के लिए 100Ω) ।
b. सहिष्णुताः प्रतिबिंब को कम करने के लिए लक्ष्य के ± 5% के भीतर प्रतिबाधा बनाए रखें। इसके लिए निशान आयामों (± 0.05 मिमी) और Dk (± 0.1) पर सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है।
c. औजारः प्रतिबाधा का अनुकरण करने के लिए 3 डी क्षेत्र समाधानकर्ता (जैसे, Ansys HFSS) का उपयोग करें, ट्रेस ज्यामिति और सब्सट्रेट गुणों के लिए लेखांकन करें।

2. रूटिंग का पता लगाएं
a.शॉर्ट, डायरेक्ट पथः कम करने के लिए निशान लंबाई को कम करें। 28GHz पर 1 इंच का निशान कम नुकसान वाले सब्सट्रेट में ~ 0.5dB खो देता है।
बी.निरंतर ज्यामिति: अचानक मोड़, मार्ग या चौड़ाई परिवर्तनों से बचें, जो प्रतिबाधा विखंडन का कारण बनते हैं। प्रतिबिंब को कम करने के लिए 90° के बजाय 45° कोणों का उपयोग करें।
c. ग्राउंड प्लेन: आरएफ के निशानों के ठीक नीचे एक निरंतर ग्राउंड प्लेन लगाएं ताकि कम प्रतिबाधा वाला वापसी पथ प्रदान किया जा सके और हस्तक्षेप से बचा जा सके।
सर्वोत्तम अभ्यासः शीर्ष परत पर उच्च आवृत्ति के निशानों को एक समर्पित ग्राउंड प्लेन के साथ सीधे नीचे, एक पतली डाईलेक्ट्रिक (0.2 ∼ 0.5 मिमी) द्वारा तंग युग्मन के लिए अलग किया जाता है।

3. डिजाइन के माध्यम से
वाइस (विशेष रूप से छेद के माध्यम से वाइस) प्रतिबाधा को बाधित करते हैं और उच्च आवृत्तियों पर संकेत प्रतिबिंब का कारण बनते हैं। शमन रणनीतियों में शामिल हैंः
a.माइक्रोवियाः स्टब लंबाई (वीया का अप्रयुक्त भाग) को कम करने के लिए अंधा/दफन माइक्रोविया (≤0.15 मिमी व्यास) का उपयोग करें। एक स्टब <0.5 मिमी 2 मिमी स्टब की तुलना में 60GHz पर 30% तक हानि को कम करता है।
b.Via Shielding: विकिरण को रोकने और क्रॉसस्टॉक को कम करने के लिए ग्राउंड वायस (सिंटेड वायस) के साथ वायस को घेरें।
c. एंटी-पैड अनुकूलनः प्रतिबाधा निरंतरता बनाए रखने के लिए आकार एंटी-पैड (जमीनी विमानों में व्यास के चारों ओर सफाई) ।

4. घटक स्थान
a. समूह आरएफ घटक: क्लस्टर एम्पलीफायर, मिक्सर और एंटेना उनके बीच निशान लंबाई को कम करने के लिए।
b. एनालॉग और डिजिटल खंडों को अलग करें: ईएमआई को रोकने के लिए डिजिटल तर्क से उच्च आवृत्ति आरएफ सर्किट को अलग करें। एक बिंदु पर एक कनेक्टिंग ब्रिज के साथ एक ग्राउंड प्लेन विभाजित करें।
शोर स्रोतों से बचें: हस्तक्षेप को कम करने के लिए बिजली की आपूर्ति, ऑसिलेटर और उच्च-वर्तमान के निशान आरएफ पथों से दूर रखें।

उच्च आवृत्ति पीसीबी के लिए महत्वपूर्ण सामग्री
उच्च आवृत्ति पीसीबी के प्रदर्शन में सामग्री का चयन सबसे महत्वपूर्ण कारक है, क्योंकि डाइलेक्ट्रिक गुण सीधे हानि और संकेत अखंडता को प्रभावित करते हैं।
1. सब्सट्रेट सामग्री

प्रमुख मेट्रिक्स:
डीके स्थिरता: कम डीके (3.03.5) सिग्नल विलंब को कम करता है; स्थिर डीके तापमान (±0.05) पर स्थिर प्रतिबाधा सुनिश्चित करता है।
डीएफ (विसारण कारक): कम डीएफ डायलेक्ट्रिक हानि को कम करता है। 28GHz पर, 0.002 (RO4350B) के डीएफ के परिणामस्वरूप डीएफ 0.004 (मेगट्रॉन 6) की तुलना में 50% कम हानि होती है।

2तांबे की पन्नी
a.सतह रफनेसः चिकनी तांबा (Rz <1μm) त्वचा प्रभाव हानि को कम करता है। बहुत कम प्रोफाइल (VLP) तांबा (Rz 0.3 ¢ 0.8μm) > 28GHz के लिए आदर्श है।
b. मोटाईः 0.5 ′′ 1 औंस (17 ′′ 35 μm) चालकता और त्वचा प्रभाव को संतुलित करता है। त्वचा प्रभाव के कारण उच्च आवृत्तियों पर मोटी तांबा कोई लाभ प्रदान नहीं करता है।
c.Annealing: रोल्ड annealed तांबा बढ़ी हुई हानि के बिना घुमावदार डिजाइन (जैसे, एंटीना) के लिए लचीलापन में सुधार करता है।

3सोल्डरमास्क और कवरले
a.सोल्डरमास्कः प्रभावी Dk को बढ़ाने से बचने के लिए पतले (1020μm), कम Dk सोल्डरमास्क (जैसे, तरल फोटोइमेज करने योग्य) का उपयोग करें।
b.Coverlay (Flex PCBs): Dk <3.0 के साथ Polyimide coverlay लचीले उच्च आवृत्ति डिजाइनों में सिग्नल अखंडता बनाए रखते हैं।

उच्च आवृत्ति पीसीबी के लिए निर्माण तकनीक
उच्च आवृत्ति वाले पीसीबी को प्रदर्शन बनाए रखने के लिए सख्त सहिष्णुता और विशेष प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती हैः
1सटीक उत्कीर्णन
ए.एच सहिष्णुताः प्रतिबाधा बनाए रखने के लिए ±0.01 मिमी निशान चौड़ाई नियंत्रण प्राप्त करें। इसके लिए स्प्रे दबाव नियंत्रण के साथ उन्नत एचिंग मशीनों की आवश्यकता होती है।
b.अंडरकट को कम करना: कम ईट-फैक्टर रसायन का उपयोग करके अंडरकट (ऊपरी और निचले निशान चौड़ाई के बीच का अंतर) को कम करें, लगातार प्रतिबाधा सुनिश्चित करें।

2ड्रिलिंग
a. माइक्रोविया ड्रिलिंगः लेजर ड्रिलिंग (यूवी या सीओ 2 लेजर) उच्च घनत्व आरएफ डिजाइनों के लिए महत्वपूर्ण ± 2μm स्थिति सटीकता के साथ 0.05 ′′ 0.15 मिमी माइक्रोविया बनाता है।
b.थ्रू-होल ड्रिलिंगः राल स्मीयर को कम करने के लिए 118 डिग्री के बिंदु कोणों के साथ कार्बाइड ड्रिल का उपयोग करें, जो यदि हटाया नहीं जाता है तो नुकसान बढ़ सकता है।

3लमिनेटिंग
a.तापमान और दबाव नियंत्रणः एक समान dielectric मोटाई (± 5μm) सुनिश्चित करने के लिए टुकड़े टुकड़े को सटीक दबाव (20-30 kgf/cm2) और तापमान (180-220°C) के साथ बंधा जाना चाहिए।
b.Void Prevention: वैक्यूम लेमिनेशन वायु बुलबुले को हटा देता है, जो Dk भिन्नता और संकेत हानि का कारण बनता है।

4परीक्षण और निरीक्षण
a. टाइम-डोमेन रिफ्लेक्टोमेट्री (टीडीआर): पीसीबी में प्रतिबाधा विखंडन को मापता है, ट्रेस चौड़ाई परिवर्तन या स्टब्स के माध्यम से मुद्दों की पहचान करता है।
b.Network Analyzer Testing: प्रदर्शन सत्यापित करने के लिए 100GHz तक सम्मिलन हानि (S21) और वापसी हानि (S11) की विशेषता।
सी.एक्स-रे निरीक्षण: बीजीए/आरएफआईसी घटकों में संरेखण और मिलाप जोड़ों की गुणवत्ता की जांच।

अनुप्रयोगः उच्च आवृत्ति पीसीबी कार्रवाई में
उच्च आवृत्ति वाले पीसीबी विभिन्न अत्याधुनिक प्रौद्योगिकियों को सक्षम करते हैं, जिनमें से प्रत्येक की विशिष्ट आवश्यकताएं होती हैंः
15जी बुनियादी ढांचा
a. बेस स्टेशनः 28GHz और 39GHz mmWave सरणी में खोने को कम करने के लिए 0.5mm की डाइलेक्ट्रिक मोटाई के साथ RO4350B सब्सट्रेट का उपयोग किया जाता है।
b.छोटी कोशिकाएंः कॉम्पैक्ट 5जी छोटी कोशिकाएं उच्च-Tg FR-4 (मेगट्रॉन 6) पर निर्भर करती हैं ताकि 6GHz से नीचे के बैंड में लागत प्रभावी हो सके।
c.आवश्यकताएंः 28GHz पर प्रति इंच <0.3dB सम्मिलन हानि; ± 3% प्रतिबाधा सहिष्णुता।

2एयरोस्पेस और रक्षा
a.रडार प्रणाली: 77GHz ऑटोमोटिव रडार और 100GHz सैन्य रडार न्यूनतम हानि के लिए PTFE सब्सट्रेट (RT/duroid 5880) का उपयोग करते हैं।
उपग्रह संचार: का-बैंड (26.5~40 गीगाहर्ट्ज) ट्रांससीवर के लिए -55°C से 125°C से अधिक स्थिर डीके के साथ विकिरण-कठोर सामग्री की आवश्यकता होती है।

3उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स
a.स्मार्टफोन: 5जी स्मार्टफोन में उप-6GHz और mmWave एंटेना के लिए FR-4 और LCP (लिक्विड क्रिस्टल पॉलिमर) पीसीबी को एकीकृत किया गया है, जिससे लागत और प्रदर्शन में संतुलन बना है।
b.Wi-Fi 6E: 6GHz Wi-Fi राउटर बहु-एंटेना MIMO डिजाइनों का समर्थन करने के लिए माइक्रोविया के साथ उच्च-Tg FR-4 का उपयोग करते हैं।

4चिकित्सा उपकरण
एमआरआई कॉइल्स: उच्च आवृत्ति (64MHz3T) एमआरआई कॉइल्स सिग्नल हस्तक्षेप को कम करने और छवि गुणवत्ता में सुधार करने के लिए कम डीके सब्सट्रेट का उपयोग करते हैं।
बी.वायरलेस सेंसर: पहनने योग्य स्वास्थ्य मॉनिटर 2.4GHz ब्लूटूथ कनेक्टिविटी के लिए लचीले एलसीपी पीसीबी का उपयोग करते हैं, जो कम नुकसान के साथ संगतता को जोड़ते हैं।

तुलनात्मक विश्लेषणः उच्च आवृत्ति बनाम मानक पीसीबी

उच्च आवृत्ति पीसीबी प्रौद्योगिकी में भविष्य के रुझान
सामग्री और डिजाइन में प्रगति उच्च आवृत्ति पीसीबी प्रदर्शन को आगे बढ़ा रही हैः
1ग्राफीन-संवर्धित सब्सट्रेटः ग्राफीन-प्रशंसित डीईलेक्ट्रिक Dk <2.0 और Df <0.001 के साथ विकास में हैं, जो 100+ GHz अनुप्रयोगों को लक्षित करते हैं।
2.अतिरिक्त विनिर्माण: पीसीबी के साथ एकीकृत 3डी-मुद्रित आरएफ संरचनाएं (जैसे, एंटीना, तरंग मार्ग) नुकसान को कम करती हैं और एकीकरण में सुधार करती हैं।
3एआई-संचालित डिजाइनः मशीन लर्निंग टूल ट्रेस रूटिंग और सामग्री चयन को अनुकूलित करते हैं, प्रदर्शन में सुधार करते हुए डिजाइन समय को 40% तक कम करते हैं।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न
प्रश्न: पीसीबी अधिकतम कितनी आवृत्ति संभाल सकता है?
उत्तरः वर्तमान उच्च आवृत्ति पीसीबी PTFE सब्सट्रेट का उपयोग करके 100GHz तक का समर्थन करते हैं। नई सामग्रियों के साथ टेराहर्ट्ज आवृत्तियों तक इसका विस्तार करने के लिए अनुसंधान जारी है।

प्रश्न: क्या उच्च आवृत्ति डिजाइनों के लिए मानक FR-4 का उपयोग किया जा सकता है?
A: मानक FR-4 उच्च Df और Dk भिन्नता के कारण <1GHz तक सीमित है। उन्नत उच्च-Tg FR-4 (जैसे, मेगट्रॉन 6) लागत-संवेदनशील अनुप्रयोगों के लिए 10GHz तक काम करता है।

प्रश्न: तापमान उच्च आवृत्ति पीसीबी के प्रदर्शन को कैसे प्रभावित करता है?
उत्तरः तापमान परिवर्तन सब्सट्रेट डीके (आमतौर पर +0.02 प्रति 10 °C) को बदलते हैं, जो प्रतिबाधा को प्रभावित करते हैं। व्यापक परिचालन सीमाओं के लिए तापमान-स्थिर सब्सट्रेट (जैसे, आरओ 4350 बी) का उपयोग करें।

प्रश्न: उच्च आवृत्ति और मानक पीसीबी के बीच लागत अंतर क्या है?
उत्तर: उच्च आवृत्ति वाले पीसीबी की लागत विशेष सामग्री (जैसे पीटीएफई), सख्त सहिष्णुता और उन्नत परीक्षण के कारण 2 ¢ 5 गुना अधिक है।

प्रश्न: क्या लचीले पीसीबी उच्च आवृत्तियों के लिए उपयुक्त हैं?
उत्तर: हां, एलसीपी (तरल क्रिस्टल पॉलिमर) लचीले पीसीबी कम हानि के साथ 60GHz तक का समर्थन करते हैं, जिससे वे घुमावदार एंटीना और पहनने योग्य उपकरणों के लिए आदर्श होते हैं।

निष्कर्ष
उच्च आवृत्ति पीसीबी अगली पीढ़ी की वायरलेस तकनीक के लिए महत्वपूर्ण हैं, जिसके लिए डिजाइन सटीकता, सामग्री विज्ञान और विनिर्माण विशेषज्ञता के सावधानीपूर्वक मिश्रण की आवश्यकता होती है।प्रतिबाधा नियंत्रण को प्राथमिकता देकर, कम डीके/डीएफ सामग्री के माध्यम से नुकसान को कम करने और उन्नत विनिर्माण तकनीकों का उपयोग करके, इंजीनियर पीसीबी बना सकते हैं जो 1GHz और उससे आगे विश्वसनीय प्रदर्शन प्रदान करते हैं।
चाहे 5जी बेस स्टेशनों, रडार सिस्टम या चिकित्सा उपकरणों के लिए, कुंजी अनुप्रयोगों की आवृत्ति, लागत और पर्यावरण आवश्यकताओं के लिए सामग्री और डिजाइन विकल्पों का मिलान करना है।जैसे-जैसे वायरलेस प्रौद्योगिकियां उच्च आवृत्तियों (6G) की ओर आगे बढ़ती जाती हैं, टेराहर्ट्ज) उच्च आवृत्ति पीसीबी नवाचार प्रगति का एक आधारशिला रहेगा।

मुख्य बात: उच्च आवृत्ति वाले पीसीबी केवल मानक पीसीबी के तेज़ संस्करण नहीं हैं, वे विशेष प्रणाली हैं जहां हर सामग्री, निशान,और इसके माध्यम से अद्वितीय उच्च आवृत्ति चुनौतियों के सामने संकेत अखंडता बनाए रखने के लिए इंजीनियर है.