आईसी सब्सट्रेट पीसीबीः उन्नत इलेक्ट्रॉनिक्स में मुख्य कार्य और प्रमुख अनुप्रयोग

IC सब्सट्रेट पीसीबी एकीकृत सर्किट (ICs) और पारंपरिक प्रिंटेड सर्किट बोर्ड के बीच एक महत्वपूर्ण पुल का प्रतिनिधित्व करते हैं, जो आज के इलेक्ट्रॉनिक्स में आवश्यक लघुकरण और उच्च-प्रदर्शन को सक्षम करते हैं। मानक पीसीबी के विपरीत, ये विशेष सब्सट्रेट आधुनिक चिप्स के अल्ट्रा-फाइन पिच कनेक्शन को संभालने के लिए इंजीनियर किए गए हैं, जो 112Gbps तक की डेटा दरों और पावर घनत्व का समर्थन करते हैं जो पारंपरिक सर्किट बोर्ड को अभिभूत कर देंगे। स्मार्टफोन से लेकर डेटा सेंटर सर्वर तक, IC सब्सट्रेट पीसीबी बिना गाए गए नायक हैं जो अगली पीढ़ी की तकनीक को सक्षम करते हैं।

यह मार्गदर्शिका IC सब्सट्रेट पीसीबी के अद्वितीय कार्यों, उनकी निर्माण जटिलताओं, पारंपरिक पीसीबी से वे कैसे भिन्न हैं, और प्रमुख उद्योगों में उनकी अपरिहार्य भूमिकाओं का पता लगाती है। चाहे आप 5G मॉडेम या उच्च-प्रदर्शन GPU डिज़ाइन कर रहे हों, इन सब्सट्रेट को समझना अत्याधुनिक प्रदर्शन को अनलॉक करने के लिए आवश्यक है।

मुख्य बातें
  1.IC सब्सट्रेट पीसीबी ICs और पीसीबी के बीच “इंटरपोजर” के रूप में काम करते हैं, जो चिप्स के अल्ट्रा-फाइन पिच (≤50μm) को मानक पीसीबी के मोटे पिच (≥100μm) में अनुवादित करते हैं।
  2.वे पारंपरिक पीसीबी की तुलना में 3–5x उच्च I/O घनत्व का समर्थन करते हैं, जिसमें प्रति चिप 10,000 तक कनेक्शन होते हैं, जो आधुनिक प्रोसेसर और 5G ट्रांससीवर के लिए महत्वपूर्ण हैं।
  3.BT राल (बिसमेलिमाइड ट्राइज़िन) और ABF (अजीनोमोटो बिल्ड-अप फिल्म) जैसी उन्नत सामग्री कम सिग्नल हानि के साथ उच्च-आवृत्ति प्रदर्शन (112Gbps तक) को सक्षम करती है।
  4.प्रमुख अनुप्रयोगों में स्मार्टफोन (AP/BB चिप्स), डेटा सेंटर सर्वर (CPU/GPUs), और ऑटोमोटिव इलेक्ट्रॉनिक्स (ADAS चिप्स) शामिल हैं, 2026 तक वैश्विक बाजार के $35B तक पहुंचने का अनुमान है।

IC सब्सट्रेट पीसीबी क्या हैं?
IC सब्सट्रेट पीसीबी उच्च-घनत्व इंटरकनेक्ट (HDI) संरचनाएं हैं जिन्हें एकीकृत सर्किट (जैसे CPU, GPU, और RF चिप्स) को बड़े पीसीबी से शारीरिक और विद्युत रूप से जोड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है। वे एक “अनुवाद परत” के रूप में कार्य करते हैं, जो एक IC के छोटे, बारीकी से दूरी वाले पिन (अक्सर <50μm पिच) को एक मानक पीसीबी पर बड़े, अधिक व्यापक रूप से दूरी वाले पैड में परिवर्तित करते हैं (आमतौर पर 100μm+ पिच)।

मुख्य घटक
  a.आधार सामग्री: उच्च तापीय स्थिरता और कम ढांकता हुआ हानि के लिए BT राल (बिसमेलिमाइड ट्राइज़िन) या ABF (अजीनोमोटो बिल्ड-अप फिल्म)।
  b.कॉपर लेयर्स: पतले (12–18μm) कॉपर ट्रेसेस जिसमें लाइन/स्पेस (L/S) 10/10μm जितना तंग होता है, घने रूटिंग को सक्षम करता है।
  c.वियास: माइक्रोवियास (50–100μm व्यास) 1:1 तक के पहलू अनुपात के साथ, बहुत अधिक जगह लिए बिना परतों को जोड़ते हैं।
  d.सतह खत्म: IC बम्प्स के साथ विश्वसनीय सोल्डर जोड़ों के लिए इलेक्ट्रोलेस निकल इमर्शन गोल्ड (ENIG) या निकल पैलेडियम गोल्ड (ENEPIG)।

IC सब्सट्रेट पीसीबी कैसे काम करते हैं
एक IC सब्सट्रेट पीसीबी का प्राथमिक कार्य ICs और पीसीबी के बीच “पिच बेमेल” को हल करना है:
  1.चिप अटैचमेंट: IC (उदाहरण के लिए, एक स्मार्टफोन का एप्लिकेशन प्रोसेसर) को सोल्डर बम्प्स के माध्यम से सब्सट्रेट से फ्लिप-चिप बॉन्ड किया जाता है, जिसमें प्रत्येक बम्प सब्सट्रेट पर एक पैड से जुड़ता है।
  2.सिग्नल रूटिंग: सब्सट्रेट के फाइन-पिच ट्रेसेस IC के बम्प्स से सब्सट्रेट के निचले हिस्से पर बड़े पैड तक सिग्नल रूट करते हैं।
  3.पीसीबी कनेक्शन: सब्सट्रेट को फिर सोल्डर बॉल्स (BGA) के माध्यम से एक मानक पीसीबी पर लगाया जाता है, जो IC के उच्च-घनत्व कनेक्शन को पीसीबी के कम-घनत्व रूटिंग में अनुवादित करता है।
यह प्रक्रिया सुनिश्चित करती है कि सिग्नल 100Gbps से अधिक गति पर भी न्यूनतम हानि के साथ यात्रा करते हैं, जबकि उच्च-शक्ति वाले चिप्स द्वारा उत्पन्न गर्मी का प्रबंधन करते हैं।

IC सब्सट्रेट पीसीबी बनाम पारंपरिक पीसीबी: मुख्य अंतर
IC सब्सट्रेट पीसीबी मानक पीसीबी की तुलना में कहीं अधिक जटिल हैं, जिसमें IC एकीकरण के लिए विशिष्टताएँ तैयार की गई हैं:

IC सब्सट्रेट पीसीबी के मुख्य कार्य
IC सब्सट्रेट पीसीबी चार महत्वपूर्ण भूमिकाएँ निभाते हैं जो उन्नत इलेक्ट्रॉनिक्स को सक्षम करते हैं:
1. उच्च-घनत्व सिग्नल रूटिंग
आधुनिक ICs (उदाहरण के लिए, 7nm प्रोसेसर) में छोटे पदचिन्हों (उदाहरण के लिए, 15mm×15mm) में पैक किए गए हजारों I/O पिन होते हैं। IC सब्सट्रेट अल्ट्रा-फाइन ट्रेसेस (10/10μm L/S) का उपयोग करके इन सिग्नलों को रूट करते हैं, जिससे क्रॉसस्टॉक और सिग्नल हानि से बचा जा सकता है। उदाहरण के लिए, एक 5G मॉडेम का IC सब्सट्रेट 2,000+ RF और डिजिटल सिग्नल को संभालता है, जिनमें से प्रत्येक को 28GHz प्रदर्शन बनाए रखने के लिए सटीक प्रतिबाधा नियंत्रण (50Ω) की आवश्यकता होती है।

2. थर्मल प्रबंधन
उच्च-शक्ति वाले चिप्स (उदाहरण के लिए, GPUs) 100W+ गर्मी उत्पन्न करते हैं, जिसे थ्रॉटलिंग को रोकने के लिए नष्ट किया जाना चाहिए। IC सब्सट्रेट उपयोग करते हैं:
  a.थर्मली कंडक्टिव सामग्री: सिरेमिक भराव के साथ BT राल हीट सिंक में गर्मी हस्तांतरण में सुधार करता है।
  b.कॉपर हीट स्प्रेडर: सब्सट्रेट में मोटी (70μm) कॉपर लेयर्स गर्मी को समान रूप से वितरित करती हैं।
डेटा: एक कॉपर हीट स्प्रेडर वाला एक IC सब्सट्रेट एक मानक सब्सट्रेट की तुलना में चिप जंक्शन तापमान को 15°C तक कम कर देता है, जिससे विश्वसनीयता में 30% की वृद्धि होती है।

3. पावर वितरण
ICs को न्यूनतम शोर के साथ स्थिर शक्ति (उदाहरण के लिए, CPUs के लिए 0.8V) की आवश्यकता होती है। IC सब्सट्रेट इसे इसके माध्यम से प्राप्त करते हैं:
  a.पावर प्लेन: पतली, निरंतर कॉपर लेयर्स जो सभी IC पिन को बिजली की आपूर्ति करती हैं।
  b.डिकॉप्लिंग कैपेसिटर एकीकरण: एम्बेडेड कैपेसिटर (01005 आकार) वोल्टेज रिपल को कम करते हैं।
परिणाम: IC में वोल्टेज भिन्नता 2% से कम रखी जाती है, जो उच्च-लोड संचालन (उदाहरण के लिए, स्मार्टफोन पर गेमिंग) के दौरान भी स्थिर प्रदर्शन सुनिश्चित करती है।

4. यांत्रिक समर्थन
ICs नाजुक होते हैं, सोल्डर बम्प्स थर्मल या यांत्रिक तनाव के तहत क्रैकिंग के लिए प्रवण होते हैं। IC सब्सट्रेट:
  a.CTE (थर्मल विस्तार का गुणांक) से मेल खाते हैं: BT राल (12–16 ppm/°C) सिलिकॉन (2.6 ppm/°C) से निकटता से मेल खाता है, तापमान चक्र के दौरान तनाव को कम करता है।
  b.कठोरता प्रदान करें: झुकने से रोकें जो IC बम्प्स को नुकसान पहुंचा सकता है, स्मार्टफोन जैसे ड्रॉप-प्रतिरोधी उपकरणों के लिए महत्वपूर्ण है।

IC सब्सट्रेट पीसीबी की विनिर्माण प्रक्रिया
IC सब्सट्रेट का उत्पादन मानक पीसीबी प्रक्रियाओं से परे सटीक विनिर्माण की आवश्यकता है:
  1.आधार सामग्री की तैयारी: BT राल या ABF शीट को आकार में काटा जाता है, जिसमें कॉपर फॉयल को एक या दोनों तरफ लैमिनेट किया जाता है।
  2.बिल्ड-अप लेयर्स: फोटोलिथोग्राफी का उपयोग करके, परतों को क्रमिक रूप से जोड़ा जाता है:
     a.पैटर्निंग: UV प्रकाश एक मास्क के माध्यम से फोटोरेसिस्ट को उजागर करता है, जो ट्रेस पैटर्न को परिभाषित करता है।
     b.एचिंग: असुरक्षित तांबे को हटा दिया जाता है, जिससे फाइन-पिच ट्रेसेस रह जाते हैं।
     c.माइक्रोविया ड्रिलिंग: लेजर ड्रिलिंग परतों के बीच 50–100μm वियास बनाता है।
  3.प्लेटिंग: परतों को जोड़ने, चालकता सुनिश्चित करने के लिए वियास को तांबे के साथ प्लेट किया जाता है।
  4.सतह खत्म: IC बम्प्स के साथ विश्वसनीय सोल्डर बॉन्डिंग सुनिश्चित करने के लिए पैड पर ENIG या ENEPIG लगाया जाता है।
  5.निरीक्षण: AOI (स्वचालित ऑप्टिकल निरीक्षण) और एक्स-रे ट्रेस सटीकता और विया गुणवत्ता को सत्यापित करते हैं, दोष सहिष्णुता के साथ <1 प्रति 10,000 ट्रेसेस।

IC सब्सट्रेट पीसीबी के प्रमुख अनुप्रयोग
IC सब्सट्रेट पीसीबी उन उद्योगों में आवश्यक हैं जो उच्च-प्रदर्शन, लघु इलेक्ट्रॉनिक्स की मांग करते हैं:
1. मोबाइल डिवाइस
स्मार्टफोन और टैबलेट:
    एप्लिकेशन प्रोसेसर (APs): IC सब्सट्रेट 7nm/5nm चिप्स (उदाहरण के लिए, क्वालकॉम स्नैपड्रैगन, ऐप्पल ए-सीरीज़) को मुख्य पीसीबी से जोड़ते हैं, जो CPU, GPU और AI कोर के लिए 1,000+ सिग्नल को संभालते हैं।
    5G मॉडेम: कम-नुकसान वाली ABF सामग्री वाले सब्सट्रेट 28GHz/39GHz mmWave सिग्नल का समर्थन करते हैं, जो मल्टी-गिगाबिट डेटा दरों को सक्षम करते हैं।
उदाहरण: नवीनतम फ्लैगशिप स्मार्टफोन अपने 5nm AP को जोड़ने के लिए 20/20μm L/S के साथ 6-लेयर IC सब्सट्रेट का उपयोग करता है, जो पिछले डिजाइनों की तुलना में समग्र डिवाइस मोटाई को 0.5mm तक कम करता है।

2. डेटा सेंटर और कंप्यूटिंग
सर्वर और वर्कस्टेशन:
   CPU/GPUs: उच्च-शक्ति वाले चिप्स (उदाहरण के लिए, इंटेल ज़ीऑन, एनवीडिया H100) एम्बेडेड हीट स्प्रेडर के साथ IC सब्सट्रेट का उपयोग 400W+ पावर और 100Gbps+ इंटर-चिप सिग्नल को संभालने के लिए करते हैं।
   मेमोरी मॉड्यूल: DDR5 और HBM (उच्च-बैंडविड्थ मेमोरी) के लिए सब्सट्रेट 8400Mbps डेटा दरों को तंग समय मार्जिन के साथ सक्षम करते हैं।
ट्रेंड: 3D IC सब्सट्रेट (स्टैक्ड लेयर्स) मल्टी-चिप मॉड्यूल (MCMs) को जोड़ने के लिए उभर रहे हैं, जो चिप्स के बीच सिग्नल विलंब को 40% तक कम करते हैं।

3. ऑटोमोटिव इलेक्ट्रॉनिक्स
उन्नत ड्राइवर-सहायता प्रणाली (ADAS):
   राडार/LiDAR चिप्स: उच्च-तापमान BT राल (-40°C से 125°C) वाले IC सब्सट्रेट ADAS प्रोसेसर (उदाहरण के लिए, NVIDIA ओरिन) को सेंसर से जोड़ते हैं, जो कठोर वातावरण में विश्वसनीय संचालन सुनिश्चित करते हैं।
   इन्फोटेनमेंट सिस्टम: सब्सट्रेट 4K डिस्प्ले इंटरफेस और 5G कनेक्टिविटी का समर्थन करते हैं, जिसमें कंपन-प्रतिरोधी डिजाइन (20G+) हैं।
अनुपालन: ऑटोमोटिव-ग्रेड IC सब्सट्रेट IATF 16949 मानकों को पूरा करते हैं, सुरक्षा-महत्वपूर्ण प्रणालियों के लिए शून्य-दोष आवश्यकताओं के साथ।

4. उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स
  a. पहनने योग्य: स्मार्टवॉच और एआर ग्लास छोटे चिप्स (उदाहरण के लिए, हृदय गति मॉनिटर) को कॉम्पैक्ट पीसीबी से जोड़ने के लिए अल्ट्रा-थिन (0.2 मिमी) IC सब्सट्रेट का उपयोग करते हैं, जिसमें घुमावदार डिजाइनों के लिए लचीले विकल्प होते हैं।
  b. गेमिंग कंसोल: कंसोल में उच्च-प्रदर्शन GPU (उदाहरण के लिए, PlayStation 5, Xbox Series X) 4K/120fps ग्राफिक्स प्रोसेसिंग को संभालने के लिए 15/15μm L/S के साथ IC सब्सट्रेट पर निर्भर करते हैं।

IC सब्सट्रेट पीसीबी में उभरते रुझान
जैसे-जैसे इलेक्ट्रॉनिक्स उच्च प्रदर्शन और लघुकरण की ओर बढ़ते हैं, IC सब्सट्रेट विकसित हो रहे हैं:
  a. 3D एकीकरण: स्टैक्ड IC सब्सट्रेट (3D ICs) चिप्स के बीच सिग्नल पथ को 50% तक कम करते हैं, जिससे AI त्वरक में तेज़ डेटा स्थानांतरण सक्षम होता है।
  b. एम्बेडेड घटक: सब्सट्रेट में एम्बेडेड कैपेसिटर और प्रतिरोधक स्थान बचाते हैं और परजीवी अधिष्ठापन को कम करते हैं, जो 112Gbps+ सिग्नल के लिए महत्वपूर्ण है।
  c. स्थिरता: पुन: प्रयोज्य BT राल और लीड-फ्री प्लेटिंग (ENEPIG) RoHS और EU इकोडिजाइन निर्देशों के साथ संरेखित होते हैं, जिससे पर्यावरणीय प्रभाव कम होता है।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न
प्र: पारंपरिक पीसीबी IC सब्सट्रेट पीसीबी की जगह क्यों नहीं ले सकते?
उ: पारंपरिक पीसीबी में आधुनिक ICs को जोड़ने के लिए आवश्यक फाइन-पिच रूटिंग (≤50μm L/S) और सामग्री प्रदर्शन (कम Dk/Df) का अभाव है। एक मानक पीसीबी का उपयोग करने से सिग्नल हानि, क्रॉसस्टॉक और थर्मल समस्याएं होंगी।

प्र: एक IC सब्सट्रेट के लिए अधिकतम I/O गणना क्या है?
उ: अग्रणी-किनारे वाले सब्सट्रेट GPUs जैसे उच्च-प्रदर्शन चिप्स के लिए 10,000 I/Os तक का समर्थन करते हैं, जिसमें कनेक्शन के बीच 50μm पिच होती है।

प्र: IC सब्सट्रेट उच्च आवृत्तियों (उदाहरण के लिए, 100Gbps) को कैसे संभालते हैं?
उ: कम-नुकसान वाली सामग्री (ABF, Dk=3.0) और नियंत्रित प्रतिबाधा ट्रेसेस (50Ω) सिग्नल क्षीणन को कम करते हैं, जबकि ग्राउंड प्लेन EMI को कम करते हैं।

प्र: क्या IC सब्सट्रेट महंगे हैं?
उ: हाँ—वे फाइन-पिच विनिर्माण और उच्च-श्रेणी की सामग्री के कारण पारंपरिक पीसीबी की तुलना में 5–10x अधिक महंगे हैं। हालाँकि, उच्च-प्रदर्शन वाले उपकरणों को सक्षम करने में उनकी भूमिका उन्हें प्रीमियम इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए लागत प्रभावी बनाती है।

प्र: IC सब्सट्रेट तकनीक का भविष्य क्या है?
उ: 3D स्टैक्ड सब्सट्रेट और फोटोनिक्स एकीकरण (ऑप्टिकल सिग्नल के लिए) अगली पीढ़ी के सब्सट्रेट को चलाएंगे, जो 200Gbps+ डेटा दरों और 100B+ ट्रांजिस्टर वाले AI चिप्स का समर्थन करते हैं।

निष्कर्ष
IC सब्सट्रेट पीसीबी ICs की हमेशा सिकुड़ती दुनिया और बड़े पीसीबी पारिस्थितिकी तंत्र के बीच महत्वपूर्ण कड़ी हैं, जो आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स को परिभाषित करने वाले प्रदर्शन और लघुकरण को सक्षम करते हैं। 5G स्मार्टफोन से लेकर डेटा सेंटर GPUs तक, ये विशेष सब्सट्रेट सबसे अधिक मांग वाले सिग्नल, पावर और थर्मल आवश्यकताओं को संभालते हैं, अक्सर बिना उस मान्यता के जो वे हकदार हैं।
जैसे-जैसे चिप्स आगे बढ़ते रहते हैं—छोटे नोड्स, उच्च I/O काउंट और तेज़ गति के साथ—IC सब्सट्रेट पीसीबी लॉकस्टेप में विकसित होंगे, उभरती जरूरतों को पूरा करने के लिए 3D एकीकरण, एम्बेडेड घटक और नई सामग्री को अपनाएंगे। इंजीनियरों और निर्माताओं के लिए, इन सब्सट्रेट को समझना अब वैकल्पिक नहीं है—यह एक ऐसे बाजार में प्रतिस्पर्धी बने रहने के लिए आवश्यक है जहां प्रदर्शन और आकार सब कुछ है।
अंत में, IC सब्सट्रेट पीसीबी दृश्य से छिपे हो सकते हैं, लेकिन इसका प्रभाव हर उच्च-गति, उच्च-प्रदर्शन वाले डिवाइस में दिखाई देता है जिस पर हम दैनिक रूप से भरोसा करते हैं।