1. परिचय
1.1 5जी क्रांति और पीसीबी चुनौतियां
5G वायरलेस तकनीक का वैश्विक स्तर पर विस्तार, 4G LTE के आगमन के बाद से दूरसंचार अवसंरचना में सबसे महत्वपूर्ण परिवर्तन का प्रतिनिधित्व करता है। यह दो अलग-अलग आवृत्ति बैंडों पर काम करता है: व्यापक कवरेज के लिए सब-6 GHz और अल्ट्रा-हाई सिग्नल सिग्नल के लिए 24 से 77 GHz तक की मिलीमीटर वेव (mmWave) आवृत्तियाँ।
5G नेटवर्क में डेटा ट्रांसमिशन की तीव्र गति के लिए प्रिंटेड सर्किट बोर्ड (पीसीबी) डिजाइन में अभूतपूर्व सटीकता की आवश्यकता होती है। पारंपरिक पीसीबी अनुप्रयोगों के विपरीत, 5G सिस्टम को ऐसी सिग्नल आवृत्तियों को संभालना होता है जहां सूक्ष्म डिजाइन दोष भी प्रदर्शन में भारी गिरावट का कारण बन सकते हैं।
उद्योग विश्लेषण के अनुसार, वैश्विक 5G इंफ्रास्ट्रक्चर बाजार 2027 तक 47.7 बिलियन डॉलर से अधिक होने का अनुमान है, जिससे उच्च-प्रदर्शन पीसीबी समाधानों की भारी मांग उत्पन्न होगी। यह वृद्धि पीसीबी डिजाइनरों के लिए अवसर और चुनौतियां दोनों पैदा करती है, जिन्हें रेडियो आवृत्तियों पर सामग्री गुणों, परत विन्यास और सिग्नल व्यवहार के बीच जटिल संबंधों में महारत हासिल करनी होगी। 4G से 5G में परिवर्तन केवल एक क्रमिक उन्नयन नहीं है, बल्कि इसके लिए पीसीबी स्टैक अप आर्किटेक्चर पर मौलिक पुनर्विचार की आवश्यकता है।
चित्र 1 – आवृत्ति स्पेक्ट्रम जिसमें सब-6 GHz और mmWave बैंड हाइलाइट किए गए हैं
1.2 5G प्रदर्शन में स्टैक-अप डिज़ाइन की महत्वपूर्ण भूमिका
पीसीबी स्टैक-अप - तांबे की परतों, डाइइलेक्ट्रिक सामग्रियों और कोर सबस्ट्रेट्स की सावधानीपूर्वक व्यवस्थित व्यवस्था - वह आधार है जिस पर 5G सिग्नल की अखंडता निर्भर करती है। मिलीमीटर-वेव आवृत्तियों पर, विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा उन सिद्धांतों के अनुसार व्यवहार करती है जो कम आवृत्ति वाले अनुप्रयोगों के अभ्यस्त डिजाइनरों के लिए लगभग विपरीत प्रतीत होते हैं। सिग्नल तरंगदैर्ध्य मिलीमीटर पैमाने तक सिकुड़ जाती है, जिससे
वाया स्टब्स और ट्रेस असंतुलन जैसी विशेषताएं जो 1 GHz पर नगण्य थीं, 28 GHz पर सिग्नल परावर्तन और हानि के प्रमुख स्रोत बन जाती हैं।
एक सही ढंग से डिज़ाइन किए गए 5G पीसीबी स्टैक-अप को एक साथ कई परस्पर विरोधी आवश्यकताओं को पूरा करना होता है: सिग्नल रिफ्लेक्शन को रोकने के लिए नियंत्रित प्रतिबाधा, सिग्नल की मजबूती बनाए रखने के लिए कम इंसर्शन लॉस, सर्किटों के बीच क्रॉसस्टॉक को रोकने के लिए प्रभावी इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंटरफेरेंस (ईएमआई) शील्डिंग, और अधिक ऊर्जा खपत करने वाले आरएफ एम्पलीफायरों से निकलने वाली गर्मी को दूर करने के लिए मजबूत थर्मल मैनेजमेंट। स्टैक-अप कॉन्फ़िगरेशन इन सभी मापदंडों को सीधे प्रभावित करता है, जिससे यह संपूर्ण 5G पीसीबी डिज़ाइन प्रक्रिया में सबसे महत्वपूर्ण निर्णय बन जाता है।
2. 5G पीसीबी की आवश्यकताओं को समझना
2.1 5जी आवृत्ति स्पेक्ट्रम और सिग्नल विशेषताएँ
सब-6 GHz बैंड: व्यापक कवरेज की नींव
600 मेगाहर्ट्ज से 6 गीगाहर्ट्ज तक की आवृत्तियों को शामिल करने वाला सब-6 गीगाहर्ट्ज स्पेक्ट्रम, 5G की कवरेज का मुख्य आधार है। ये कम आवृत्तियाँ व्यापक क्षेत्र नेटवर्क तैनाती के लिए आवश्यक प्रसार विशेषताएँ प्रदान करती हैं, जिससे मिलीमीटर वेव की तुलना में बेहतर भवन भेदन क्षमता और लंबी रेंज मिलती है। पीसीबी डिज़ाइन के दृष्टिकोण से, सब-6 गीगाहर्ट्ज सिग्नल 4G LTE की तुलना में मध्यम चुनौतियाँ प्रस्तुत करते हैं, जो मिलीमीटर वेव अनुप्रयोगों की तुलना में कम चुनौतीपूर्ण हैं।
मिलीमीटर वेव बैंड (24-77 GHz): अत्यधिक परिशुद्धता की आवश्यकता मिलीमीटर वेव 5G, जो मुख्य रूप से 24 GHz, 28 GHz, 39 GHz और 77 GHz बैंड में काम करता है, पीसीबी तकनीक की क्षमताओं की चरम सीमा को परखता है। 28 GHz पर, एक सामान्य रोजर्स RO4350B लैमिनेट (Dk = 3.48) में तरंगदैर्ध्य केवल 5.7 मिमी होता है। इसका मतलब है कि एक चौथाई तरंगदैर्ध्य स्टब की महत्वपूर्ण अनुनाद लंबाई केवल 1.4 मिमी होती है। पारंपरिक प्लेटेड थ्रू-होल वाया, जो आमतौर पर 2-3 मिमी के स्टब छोड़ते हैं, महत्वपूर्ण परजीवी अनुनादक बन जाते हैं जो सिग्नल की अखंडता को पूरी तरह से नष्ट कर सकते हैं।
चित्र 2 – भौतिक आयामों को दर्शाते हुए तरंगदैर्ध्य की विस्तृत तुलना
2.2 5G स्टैक-अप के लिए प्रमुख विद्युत पैरामीटर
कई विद्युत पैरामीटर 5G पीसीबी के प्रदर्शन को नियंत्रित करते हैं, और स्टैक-अप डिज़ाइन के दौरान प्रत्येक पैरामीटर पर सावधानीपूर्वक विचार करना आवश्यक है। परावैद्युत स्थिरांक (Dk या εr) सिग्नल प्रसार वेग और नियंत्रित प्रतिबाधा मानों को निर्धारित करता है। 5G अनुप्रयोगों के लिए, आवृत्ति और तापमान दोनों पर Dk की स्थिरता अत्यंत महत्वपूर्ण है। एक ऐसा पदार्थ जिसका Dk तापमान के साथ 5% तक बदलता है, प्रतिबाधा में भिन्नता उत्पन्न करेगा जिससे परावर्तन उत्पन्न होंगे और सटीक RF परिपथों में सिग्नल की अखंडता कम हो जाएगी।
क्षय गुणांक (Df), जिसे हानि स्पर्शरेखा (tan δ) भी कहा जाता है, परावैद्युत हानियों का मापन करता है। मानक FR-4 10 GHz पर 0.015-0.020 के Df मान प्रदर्शित करता है, जबकि रोजर्स RO3003 जैसी उच्च-प्रदर्शन सामग्री समान आवृत्ति पर 0.0010 का मान प्राप्त करती है, जो 15-20 गुना सुधार है।
5G अनुप्रयोगों के लिए प्रतिबाधा नियंत्रण सहनशीलता में काफी सख्ती बरती जाती है। हालांकि कई अनुप्रयोगों के लिए ±10% प्रतिबाधा सहनशीलता पर्याप्त हो सकती है, लेकिन 5G RF सर्किटों को आमतौर पर ±5% या इससे भी सख्त नियंत्रण की आवश्यकता होती है।
| सामग्री | ढांकता हुआ स्थिरांक (डीके) | अपव्यय कारक (डीएफ) | सर्वश्रेष्ठ आवेदन |
| एफआर-4 मानक | 4.2-4.5 @ 1GHz | 0.015-0.020 | डिजिटल, सब-6 GHz गैर-महत्वपूर्ण |
| रोजर्स RO4350B | 3.48 @ 10GHz | 0.0037 | सब-6 GHz RF, किफायती mmWave |
| रोजर्स RO3003 | 3.00 @ 10GHz | 0.0010 | उच्च प्रदर्शन वाले mmWave बेस स्टेशन |
| आरटी/ड्यूरोइड 5880 | 2.20 @ 10GHz | 0.0009 | अति निम्न हानि >20 GHz, फेज़्ड एरे |
तालिका 1: 5G पीसीबी अनुप्रयोगों के लिए उच्च-आवृत्ति लैमिनेट सामग्री की तुलना
2.3 भौतिक और तापीय आवश्यकताएँ
आधुनिक आरएफ ट्रांससीवर, बेस बैंड प्रोसेसर, पावर मैनेजमेंट सर्किट और संबंधित डिजिटल इंटरफेस की सघन रूटिंग आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए 5जी पीसीबी में आमतौर पर 10-16 कॉपर लेयर की आवश्यकता होती है। 0.1 मिमी व्यास जितने छोटे माइक्रोविया, ब्लाइंड और बरीड विया और किसी भी लेयर रूटिंग वाली हाई-डेंसिटी इंटरकनेक्ट (एचडीआई) तकनीक, नियंत्रित प्रतिबाधा सिग्नल पथों को बनाए रखते हुए 5जी सिस्टम एकीकरण की मांग के अनुरूप घटक घनत्व प्राप्त करने के लिए आवश्यक हो जाती है।
5G डिज़ाइनों में थर्मल प्रबंधन एक महत्वपूर्ण चुनौती है। बेस स्टेशन अनुप्रयोगों में पावर एम्पलीफायर 50-100 वाट तक ऊष्मा उत्सर्जित कर सकते हैं, जिससे परिचालन के दौरान 85-100°C तक के स्थानीय हॉटस्पॉट उत्पन्न हो जाते हैं। पीसीबी सब्सट्रेट में पर्याप्त थर्मल चालकता (≥1.5 W/m·K) होनी चाहिए ताकि इस ऊष्मा को पूरे बोर्ड क्षेत्र में फैलाया जा सके और इसे हीट सिंक या थर्मल प्रबंधन प्रणालियों तक पहुँचाया जा सके। ≥150°C के सापेक्ष थर्मल सूचकांक (RTI) के रूप में मापा गया उच्च तापमान प्रतिरोध, निरंतर परिचालन स्थितियों में सामग्री की स्थिरता सुनिश्चित करता है।
5G पीसीबी के लिए विनिर्माण सहनशीलता काफी सख्त हो गई है। पंजीकरण सटीकता, यानी तांबे की परतों के बीच संरेखण परिशुद्धता, मिलीमीटर-वेव अनुप्रयोगों के लिए ±75 μm (±3 mils) या उससे बेहतर होनी चाहिए, जबकि पारंपरिक डिज़ाइनों के लिए यह ±150 μm होती है।
3. 5G स्टैक-अप के लिए सामग्री का चयन
3.1 उच्च आवृत्ति वाले लैमिनेट सामग्री
रॉजर्स मैटेरियल्स: आरएफ प्रदर्शन के लिए उद्योग मानक
रोजर्स कॉर्पोरेशन के हाई-फ्रीक्वेंसी लैमिनेट 5G पीसीबी अनुप्रयोगों के लिए सर्वमान्य बन गए हैं, जो सावधानीपूर्वक इंजीनियर किए गए डाइइलेक्ट्रिक गुण प्रदान करते हैं जो व्यापक आवृत्ति और तापमान श्रेणियों में स्थिर रहते हैं। RO4000 श्रृंखला, विशेष रूप से RO4350B, RF प्रदर्शन और निर्माण क्षमता के बीच उत्कृष्ट संतुलन स्थापित करती है। 10 GHz पर 3.48 ±0.05 के डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक और 0.0037 के अपव्यय कारक के साथ, RO4350B मानक FR-4 प्रसंस्करण तकनीकों का उपयोग करते हुए पूर्वानुमानित प्रतिबाधा नियंत्रण प्रदान करता है; इसके लिए किसी विशेष वाया उपचार या संशोधित ड्रिलिंग मापदंडों की आवश्यकता नहीं होती है।
बेहद कम हानि की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए, RO3000 श्रृंखला असाधारण प्रदर्शन प्रदान करती है। सिरेमिक-भरे PTFE संरचना वाले RO3003 में 0.0010 का Df और 3.00 का Dk मान प्राप्त होता है, जो 10 MHz से 40 GHz तक उल्लेखनीय रूप से स्थिर रहता है। यह सामग्री बेस स्टेशन पावर एम्पलीफायर डिज़ाइन और अन्य अनुप्रयोगों में उत्कृष्ट है जहाँ प्रत्येक dB का इंसर्शन लॉस सिस्टम के प्रदर्शन को प्रभावित करता है। हालांकि, इसकी कीमत अधिक होती है (आमतौर पर RO4350B से 3-5 गुना अधिक) और निर्माण की आवश्यकताएं भी अधिक जटिल होती हैं।
चित्र 3 – रॉजर्स RO4350B लैमिनेट संरचना का अनुप्रस्थ काट दृश्य जिसमें तांबे की पन्नी, राल प्रणाली और कांच का सुदृढ़ीकरण दिखाया गया है।
3.2 5G अनुप्रयोगों में FR-4: सीमाओं को समझना
मानक FR-4 5G डिज़ाइन के विशिष्ट भागों, विशेष रूप से डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग अनुभागों, बिजली वितरण नेटवर्क और सब-6 GHz अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बना हुआ है, जहाँ RF प्रदर्शन आवश्यकताएँ कम कठोर होती हैं। शेनगी, पैनासोनिक और ITEQ जैसे निर्माताओं से आधुनिक उच्च-गुणवत्ता वाले FR-4 उपयुक्त रेज़िन सिस्टम और ग्लास सुदृढीकरण का उपयोग करने पर 5 GHz पर 0.012-0.015 के Df मान प्राप्त कर सकते हैं।
कई सब-6 GHz सिग्नल पथों के लिए स्वीकार्य।
हालांकि, उच्च आवृत्तियों पर FR-4 की सीमाएँ स्पष्ट हो जाती हैं। इस सामग्री का Dk आमतौर पर परिचालन तापमान सीमा (-40°C से +85°C) में ±10% तक बदलता रहता है, जबकि उच्च-आवृत्ति लैमिनेट के लिए यह ±2% होता है। यह भिन्नता प्रतिबाधा में उतार-चढ़ाव उत्पन्न करती है, जिससे उच्च-गति वाले डिजिटल इंटरफेस में परावर्तन-प्रेरित बिट त्रुटियाँ हो सकती हैं और RF सिस्टम का प्रदर्शन खराब हो सकता है। इसके अतिरिक्त, FR-4 के ग्लास सुदृढ़ीकरण से प्रभावी Dk में स्थानीय भिन्नताएँ उत्पन्न होती हैं - 'फाइबर वीव प्रभाव' - जो ग्लास फाइबर पैटर्न के तिरछे कोणों पर चलने वाले ट्रेस के लिए समस्याग्रस्त हो जाता है।
3.3 हाइब्रिड स्टैक-अप रणनीतियाँ: प्रदर्शन और लागत का अनुकूलन
हाई-फ्रीक्वेंसी लैमिनेट और FR-4 को मिलाकर बनाए गए हाइब्रिड स्टैक-अप, जटिल 5G डिज़ाइनों में परफॉर्मेंस और लागत के बीच संतुलन बनाने का एक बेहतरीन तरीका प्रदान करते हैं। इस रणनीति के तहत, महंगे और कम नुकसान वाले पदार्थों का उपयोग केवल वहीं किया जाता है जहां RF सिग्नल प्रवाहित होते हैं, जबकि डिजिटल सिग्नल, बिजली वितरण और यांत्रिक सहायता प्रदान करने वाली आंतरिक परतों के लिए किफायती FR-4 का उपयोग किया जाता है। एक सामान्य हाइब्रिड स्टैक-अप में, RF माइक्रोस्ट्रिप ट्रांसमिशन लाइनों वाली बाहरी दो परतों (12-परत डिज़ाइन में L1 और L12) के लिए Rogers RO4350B का उपयोग किया जा सकता है, जबकि आंतरिक परतों में FR-4 कोर का उपयोग किया जाता है।
चित्र 4 – 12-परतों वाले हाइब्रिड स्टैक-अप का अनुप्रस्थ काट आरेख, जिसमें RF संकेतों के लिए रोजर्स RO4350B की बाहरी परतें दिखाई गई हैं।
4. 5G के लिए लेयर कॉन्फ़िगरेशन रणनीतियाँ
4.1 मूलभूत स्टैक-अप सिद्धांत
विशिष्ट लेयर कॉन्फ़िगरेशन में जाने से पहले, कुछ मूलभूत सिद्धांत सभी पेशेवर 5G पीसीबी स्टैक-अप डिज़ाइनों को नियंत्रित करते हैं। समरूपता सबसे महत्वपूर्ण निर्माण संबंधी पहलू है: लेमिनेशन और थर्मल साइक्लिंग के दौरान विकृति को रोकने के लिए स्टैक-अप को बोर्ड की सेंटरलाइन के चारों ओर संतुलित होना चाहिए। इसका अर्थ है कि सेंटर प्लेन के विपरीत किनारों पर कॉपर का वजन, कोर की मोटाई और प्रीप्रेग की संख्या समान होनी चाहिए। एक तरफ अधिक कॉपर वाला बोर्ड रिफ्लो सोल्डरिंग के बाद आलू के चिप्स की तरह मुड़ जाएगा - जो सटीक आरएफ असेंबली के लिए अस्वीकार्य परिणाम है।
संदर्भ तल की निकटता भी उतनी ही महत्वपूर्ण है: प्रत्येक सिग्नल परत के ठीक बगल में एक निर्बाध ग्राउंड या पावर तल होना चाहिए। यह उच्च-आवृत्ति संकेतों के लिए आवश्यक कम प्रेरकत्व वाला वापसी पथ प्रदान करता है, साथ ही सिग्नल परत को हस्तक्षेप से बचाता है।
लेयर पेयरिंग में सिग्नल लेयर्स को उनके कार्य और विद्युत आवश्यकताओं के आधार पर समूहित किया जाता है। हाई-स्पीड डिफरेंशियल पेयर्स को एक ही लेयर पर रूट किया जाना चाहिए, और लंबाई का मिलान सर्पेन्टाइन रूटिंग के माध्यम से किया जाना चाहिए, न कि पेयर्स को लेयर्स में विभाजित करके। आरएफ सिग्नल लेयर्स आमतौर पर बाहरी लेयर्स पर स्थित होती हैं, जहां उन्हें माइक्रोस्ट्रिप ट्रांसमिशन लाइनों के रूप में कार्यान्वित किया जा सकता है, जिससे ट्यूनिंग और डिबगिंग में आसानी होती है।
4.2 8-लेयर स्टैक-अप: 5G डिज़ाइनों के लिए प्रवेश बिंदु
आठ परतों वाली संरचना बुनियादी 5G अनुप्रयोगों जैसे कि IoT उपकरणों, छोटे सेल रेडियो या साधारण सब-6 GHz RF मॉड्यूल के लिए न्यूनतम व्यावहारिक परत संख्या को दर्शाती है। हालांकि अधिक परतों की तुलना में सीमित होने के बावजूद, एक अच्छी तरह से डिज़ाइन की गई आठ परतों वाली संरचना सावधानीपूर्वक रूटिंग और घटक प्लेसमेंट के साथ मध्यम रूप से जटिल डिज़ाइनों को प्रभावी ढंग से सपोर्ट कर सकती है।
अनुशंसित 8-परत विन्यास:
∙ परत 1: आरएफ सिग्नल और क्रिटिकल हाई-स्पीड (माइक्रोस्ट्रिप, 50Ω)
∙ परत 2: ग्राउंड प्लेन (प्राथमिक आरएफ रिटर्न पथ)
∙ लेयर 3: हाई-स्पीड डिजिटल सिग्नल (स्ट्रिपलाइन, 50Ω या 100Ω डिफरेंशियल) ∙ लेयर 4: पावर प्लेन (+3.3V, +1.8V स्प्लिट)
∙ लेयर 5: पावर प्लेन (मिरर किया हुआ: +3.3V, +1.8V स्प्लिट)
∙ लेयर 6: हाई-स्पीड डिजिटल सिग्नल (स्ट्रिपलाइन, L3 के लंबवत)
∙ परत 7: ग्राउंड प्लेन (द्वितीयक वापसी पथ)
∙ परत 8: आरएफ सिग्नल और क्रिटिकल हाई-स्पीड (माइक्रोस्ट्रिप, 50Ω)
यह विन्यास समरूपता प्रदान करता है (L1-L2-L3-L4, L8-L7-L6-L5 का दर्पण है), यह सुनिश्चित करता है कि प्रत्येक सिग्नल परत के पास एक निकटवर्ती संदर्भ तल हो, और पावर तलों को केंद्र में रखता है जहाँ उनकी धारिता वियोजन में सर्वोत्तम कार्य करती है। विशिष्ट परावैद्युत मोटाई इस प्रकार हो सकती है: L1-L2 = 6 मिल्स (RF के लिए RO4350B), L2-L3 = 8 मिल्स (कोर), L3-L4 = 14 मिल्स (प्रीप्रेग), L4-L5 = 20 मिल्स (कोर), जो L8 के सममित रूप से दर्पणित हैं।
4.3 12-लेयर स्टैक-अप: उन्नत 5G अनुप्रयोग
अत्याधुनिक 5G सिस्टम, बेस स्टेशन मॉड्यूल, मैसिव MIMO एंटीना ऐरे या हाई-एंड स्मार्टफोन के लिए, 12-लेयर स्टैक-अप इष्टतम परिणामों के लिए आवश्यक रूटिंग घनत्व और सिग्नल अखंडता प्रदर्शन प्रदान करता है। अतिरिक्त परतें सक्षम बनाती हैं
बेहतर शील्डिंग के लिए कई ग्राउंड प्लेन प्रदान करते हुए आरएफ, डिजिटल और पावर सेक्शन का पूर्ण पृथक्करण।
mmWave के लिए अनुकूलित 12-परत विन्यास:
∙ परत 1: आरएफ सिग्नल परत ए (मिमीवेव एंटीना फीड, माइक्रोस्ट्रिप 50Ω) ∙ परत 2: ग्राउंड प्लेन ए (प्राथमिक आरएफ रिटर्न, 1 औंस कॉपर)
∙ परत 3: आरएफ सिग्नल परत बी (द्वितीयक आरएफ पथ, स्ट्रिपलाइन 50Ω)
∙ परत 4: ग्राउंड प्लेन बी (आरएफ आइसोलेशन और रिटर्न, 1 औंस तांबा)
∙ परत 5: पावर प्लेन ए (आरएफ पावर: +5V पीए सप्लाई, 2 औंस कॉपर)
∙ लेयर 6: हाई-स्पीड डिजिटल (SerDes, DDR, PCIe स्ट्रिपलाइन)
∙ लेयर 7: हाई-स्पीड डिजिटल (L6 के लिए ऑर्थोगोनल रूटिंग)
∙ परत 8: पावर प्लेन बी (डिजिटल पावर: +3.3V, +1.8V, +1.2V स्प्लिट्स, 2 औंस कॉपर) ∙ परत 9: ग्राउंड प्लेन सी (डिजिटल रिटर्न और शील्डिंग, 1 औंस कॉपर)
∙ लेयर 10: कम गति वाले सिग्नल और रूटिंग (नियंत्रण, I2C, SPI)
∙ परत 11: ग्राउंड प्लेन डी (अंतिम परिरक्षण परत, 1 औंस तांबा)
∙ परत 12: आरएफ सिग्नल परत C (द्वितीयक आरएफ, घटक प्लेसमेंट, माइक्रोस्ट्रिप 50Ω) यह SGSGPSSSPGSGS कॉन्फ़िगरेशन असाधारण प्रदर्शन प्रदान करता है: चार अलग-अलग ग्राउंड प्लेन कई परिरक्षण अवरोध बनाते हैं, आरएफ परतें डिजिटल स्विचिंग शोर से पूरी तरह से पृथक होती हैं, और L3 पर स्ट्रिपलाइन आरएफ रूटिंग संवेदनशील पथों के लिए उत्कृष्ट परिरक्षण प्रदान करती है। स्टैक-अप L6-L7 केंद्र तल के बारे में समरूपता बनाए रखता है।
चित्र 5 – 12-परतों वाले 5G पीसीबी स्टैक-अप का विस्तृत क्रॉस-सेक्शन, जिसमें परतों की मोटाई, तांबे का भार और सिग्नल/प्लेन दिखाया गया है।
5. 5G पीसीबी के लिए ग्राउंडिंग तकनीकें
5.1 उच्च-आवृत्ति डिजाइन के लिए आधारभूत सिद्धांत
उच्च आवृत्तियों पर, ग्राउंड केवल एक शून्य-वोल्टेज संदर्भ बिंदु नहीं है, बल्कि एक जटिल विद्युत चुम्बकीय संरचना है जिसका व्यवहार सिग्नल अखंडता प्रदर्शन को प्रभावित करता है। मूल सिद्धांत यह है कि उच्च-आवृत्ति वापसी धाराएं न्यूनतम प्रतिबाधा के पथ का अनुसरण करते हुए, सीधे अपने संबंधित सिग्नल ट्रेस के नीचे प्रवाहित होती हैं। यह पथ डीसी प्रतिरोध पर नहीं, बल्कि प्रेरकत्व पर निर्भर करता है; वापसी धाराएं स्वाभाविक रूप से सिग्नल कंडक्टर के साथ अधिकतम चुंबकीय क्षेत्र युग्मन वाले क्षेत्र में केंद्रित होती हैं।
मिलीमीटर वेव आवृत्तियों पर स्किन इफ़ेक्ट के कारण रिटर्न करंट ग्राउंड प्लेन की सतह के केवल ऊपरी कुछ सौ नैनोमीटर में ही प्रवाहित होता है। इससे सतह की फिनिश और ऑक्सीकरण क्षमता का महत्व बढ़ जाता है; धूमिल तांबे में चमकदार तांबे की तुलना में उच्च आरएफ प्रतिरोध होता है। इसी कारण से, कई डिज़ाइनर महत्वपूर्ण आरएफ क्षेत्रों में ग्राउंड प्लेन पर ENIG (इलेक्ट्रोलेस निकेल इमर्शन गोल्ड) सतह फिनिश का उपयोग करते हैं, भले ही निकेल परत के कारण थोड़ा अतिरिक्त इंडक्टेंस उत्पन्न होता हो।
5.2 ठोस ग्राउंड प्लेन कार्यान्वयन
किसी भी हाई-फ्रीक्वेंसी पीसीबी स्टैक-अप की सबसे महत्वपूर्ण विशेषता एक निरंतर, निर्बाध ग्राउंड प्लेन है। ग्राउंड प्लेन को ऐसे समझें जैसे यह रिटर्न करंट के प्रवाह के लिए एक बिल्कुल चिकनी झील की सतह प्रदान करता है; कोई भी रुकावट (रिक्त स्थान, स्लॉट, कटआउट) अशांति पैदा करती है जो ऊर्जा विकीर्ण करती है और सिग्नल को परावर्तित करती है। 5G अनुप्रयोगों के लिए, ग्राउंड प्लेन की अखंडता अप्रतिबंधित है: प्रत्येक ग्राउंड प्लेन को न्यूनतम रुकावटों के साथ बोर्ड के एक किनारे से दूसरे किनारे तक फैला होना चाहिए।
जब एनालॉग और डिजिटल सेक्शन को अलग करने के लिए या माउंटिंग होल के आसपास थर्मल रिलीफ बनाने के लिए ग्राउंड प्लेन स्प्लिट्स अपरिहार्य हो जाते हैं, तो गैप को भरने के लिए स्टिचिंग कैपेसिटर का उपयोग करें। स्प्लिट के साथ 1-2 इंच के अंतराल पर 0.1 μF या उससे छोटे कैपेसिटर लगाएं, जो RF फ्रीक्वेंसी पर AC शॉर्ट प्रदान करते हुए DC आइसोलेशन बनाए रखते हैं। हाई-स्पीड या RF सिग्नल को कभी भी ग्राउंड प्लेन स्प्लिट्स से न गुजारें; यदि किसी ट्रेस को स्प्लिट को पार करना ही है, तो लूप एरिया को कम करने के लिए इसे लंबवत रूप से गुजारें और क्रॉसिंग पॉइंट के ठीक बगल में एक ग्राउंड वाया जोड़ें।
5.3 वाया स्टिचिंग और ग्राउंड फेंसिंग तकनीकें
ग्राउंड प्लेन को परतों के बीच जोड़ने के लिए ग्राउंडिंग वाया का रणनीतिक प्लेसमेंट 5G पीसीबी डिज़ाइन के सबसे महत्वपूर्ण पहलुओं में से एक है, लेकिन अक्सर इस पर ध्यान नहीं दिया जाता। मिलीमीटर-वेव आवृत्तियों पर, एक छोटे से ग्राउंड कनेक्शन का इंडक्टेंस भी काफी अधिक हो जाता है। 62 मिल मोटी बोर्ड में 10 मिल व्यास का एक सिंगल वाया लगभग 0.7 nH का इंडक्टेंस दिखाता है, जो देखने में नगण्य लगता है, लेकिन 28 GHz पर यह लगभग 123 ओम का इंपीडेंस दर्शाता है, जो उच्च-आवृत्ति ग्राउंड कनेक्शन को बुरी तरह प्रभावित करने के लिए पर्याप्त है।
इसका समाधान समानांतर वाया एरे में निहित है। चार वाया को समानांतर में उपयोग करने से प्रभावी इंडक्टेंस लगभग 4 गुना कम हो जाता है (पारस्परिक इंडक्टेंस प्रभावों को ध्यान में रखते हुए), जिससे कनेक्शन प्रतिबाधा अधिक स्वीकार्य स्तर पर आ जाती है। महत्वपूर्ण आरएफ घटकों के लिए, प्रत्येक ग्राउंड पिन के ठीक बगल में 3-4 ग्राउंड वाया लगाएं, जो निकटतम पिन से जुड़े हों।
ठोस ग्राउंड प्लेन। इन वाया को कंपोनेंट के जितना संभव हो उतना करीब रखें; वाया की लंबाई बढ़ने के साथ इंडक्टेंस बढ़ता है, इसलिए छोटे पथ आवश्यक हैं।
चित्र 6 – पीसीबी लेआउट का ऊपरी दृश्य जिसमें चारों ओर वाया स्टिचिंग पैटर्न दिखाया गया है
6. 5G स्टैक-अप में प्रतिबाधा नियंत्रण
6.1 नियंत्रित प्रतिबाधा के मूल सिद्धांत
नियंत्रित प्रतिबाधा उच्च गति और आरएफ सिग्नल अखंडता का आधार है। जब किसी सिग्नल के स्रोत, संचरण पथ और समापन बिंदु सभी एक ही विशिष्ट प्रतिबाधा प्रदर्शित करते हैं, तो ऊर्जा बिना किसी परावर्तन के स्रोत से लोड तक पूरी तरह से स्थानांतरित हो जाती है। प्रतिबाधा बेमेल होने पर सिग्नल का कुछ हिस्सा स्रोत की ओर वापस परावर्तित हो जाता है, जिससे स्थिर तरंगें, रिंगिंग और अंतर-प्रतीकात्मक व्यतिकरण उत्पन्न होते हैं जो डिजिटल सिग्नलों को दूषित करते हैं और आरएफ सिस्टम के प्रदर्शन को कम करते हैं।
5G अनुप्रयोगों के लिए, RF और माइक्रोवेव सर्किट के लिए 50-ओम सिंगल-एंडेड प्रतिबाधा सार्वभौमिक मानक बन गई है। यह मान समाक्षीय केबलों में बिजली संभालने की क्षमता और हानि के बीच अनुकूलन से उत्पन्न हुआ है, और संपूर्ण RF इकोसिस्टम कनेक्टर, परीक्षण उपकरण, घटक 50-ओम सिस्टम को मानते हैं।
स्पीड डिजिटल इंटरफेस आमतौर पर या तो 50-ओम सिंगल-एंडेड (क्लॉक जैसे सिंगल-एंडेड सिग्नल के लिए) या 100-ओम डिफरेंशियल इंपीडेंस (एमआईपीआई, पीसीआईई और यूएसबी जैसे डिफरेंशियल पेयर के लिए) का उपयोग करते हैं।
6.2 आरएफ संकेतों के लिए माइक्रोस्ट्रिप कॉन्फ़िगरेशन
बोर्ड की बाहरी परत पर एक सिग्नल ट्रेस को माइक्रोस्ट्रिप करना और उससे सटी भीतरी परत पर एक ग्राउंड प्लेन का होना, आरएफ सर्किट के लिए सबसे आम ट्रांसमिशन लाइन कॉन्फ़िगरेशन को दर्शाता है।
माइक्रोस्ट्रिप की अभिलाक्षणिक प्रतिबाधा ट्रेस की चौड़ाई (W), ग्राउंड प्लेन से ऊपर की ऊँचाई (H), तांबे की मोटाई (T) और सब्सट्रेट सामग्री के परावैद्युत स्थिरांक (εr) पर निर्भर करती है। प्रथम-कोटि सन्निकटन के अनुसार, चौड़े ट्रेस और मोटे परावैद्युत प्रतिबाधा को बढ़ाते हैं, जबकि उच्च परावैद्युत स्थिरांक प्रतिबाधा को घटाते हैं।
उदाहरण के लिए, माइक्रोस्ट्रिप गणना: 1 औंस तांबे के साथ 5 मिल मोटाई वाली रोजर्स RO4350B (εr = 3.48) पर 50Ω प्रतिबाधा प्राप्त करने के लिए लगभग 11 मिल चौड़ाई की ट्रेस की आवश्यकता होती है। 4 मिल डाइइलेक्ट्रिक पर समान प्रतिबाधा के लिए 8.5 मिल चौड़ाई की आवश्यकता होती है, जो डाइइलेक्ट्रिक की मोटाई के प्रति संवेदनशीलता को दर्शाता है।
चित्र 7 – माइक्रोस्ट्रिप ट्रांसमिशन लाइन की ज्यामिति का अनुप्रस्थ काट आरेख
6.4 उच्च गति इंटरफेस के लिए विभेदक युग्म प्रतिबाधा
दो पूरक संकेतों के बीच वोल्टेज अंतर के रूप में डेटा संचारित करने वाली विभेदक सिग्नलिंग, बेहतर शोर प्रतिरोधक क्षमता और कम ईएमआई के कारण आधुनिक उच्च-गति डिजिटल इंटरफेस में प्रमुख भूमिका निभाती है। विभेदक प्रतिबाधा (Zdiff) प्रत्येक ट्रेस की एकल-छोर प्रतिबाधा (Z0) और ट्रेस के बीच युग्मन दोनों पर निर्भर करती है। शिथिल रूप से युग्मित ट्रेस के लिए, Zdiff ≈ 2 × Z0 होता है। जैसे-जैसे ट्रेस एक-दूसरे के करीब आते हैं, युग्मन बढ़ता जाता है, जिससे विभेदक प्रतिबाधा इस 2:1 अनुपात से नीचे गिर जाती है।
100 ओम के अंतर प्रतिबाधा (अधिकांश हाई-स्पीड डिजिटल इंटरफेस के लिए मानक) के लिए, सामान्य डिज़ाइन में 50 ओम के सिंगल-एंडेड ट्रेस का उपयोग किया जाता है, जिसमें कपलिंग के माध्यम से अंतर प्रतिबाधा को 100 ओम तक कम किया जाता है। एज-कपल्ड ट्रेस वाले माइक्रोस्ट्रिप में, 100 ओम का अंतर प्राप्त करने के लिए आमतौर पर ट्रेस की चौड़ाई के 1.5-2 गुना ट्रेस स्पेसिंग की आवश्यकता होती है। कम स्पेसिंग से कपलिंग बढ़ती है और अंतर प्रतिबाधा और कम हो जाती है; अधिक स्पेसिंग से कपलिंग घटती है और अंतर प्रतिबाधा बढ़ जाती है।
| परत | समारोह | प्रकार | घन वजन | मोटाई | सामग्री |
| L1 | आरएफ सिग्नल | माइक्रोस्ट्रिप 50Ω | 0.5 आस्ट्रेलिया | - | आरओ4350बी |
| L2 | जमीन | विमान | 1 आस्ट्रेलिया | एक हज़ार 5 | मूल |
| L3 | आरएफ सिग्नल | स्ट्रिपलाइन 50Ω | 0.5 आस्ट्रेलिया | एक हज़ार 6 | prepreg |
| L4 | जमीन | विमान | 1 आस्ट्रेलिया | एक हज़ार 8 | मूल |
| ... | सममित | आईना | ... | ... | ... |
तालिका 2: शीर्ष परतों को दर्शाते हुए 12-परत 5G स्टैक-अप कॉन्फ़िगरेशन का उदाहरण (आंशिक)।
7. सिग्नल अखंडता संबंधी विचार
5G पीसीबी में सिग्नल अखंडता में कई परस्पर संबंधित घटनाएं शामिल हैं, जिन्हें यदि ठीक से प्रबंधित न किया जाए तो सिस्टम का प्रदर्शन खराब हो सकता है। सिग्नल क्षरण के तंत्र और उन्हें कम करने वाली स्टैक-अप डिज़ाइन तकनीकों को समझना ही कार्यात्मक डिज़ाइनों को इष्टतम डिज़ाइनों से अलग करता है।
7.1 उच्च आवृत्ति हानि तंत्र
कई भौतिक प्रभावों के कारण आवृत्ति बढ़ने पर सिग्नल हानि में नाटकीय रूप से वृद्धि होती है। परावैद्युत हानि सब्सट्रेट सामग्री में आणविक ध्रुवीकरण से उत्पन्न होती है क्योंकि विद्युत क्षेत्र आरएफ आवृत्तियों पर दोलन करता है, सामग्री में द्विध्रुव क्षेत्र के साथ संरेखित होने का प्रयास करते हैं, जिससे ऊर्जा ऊष्मा के रूप में नष्ट हो जाती है। यह हानि सीधे अपव्यय कारक (डीएफ) से संबंधित है: डीएफ को दोगुना करने पर हानि लगभग दोगुनी हो जाती है। मानक एफआर-4 (डीएफ ≈ 0.020) में 28 GHz पर, परावैद्युत हानि 1.5 dB प्रति इंच से अधिक हो सकती है, जबकि रोजर्स आरओ3003 (डीएफ ≈ 0.001) समान परिस्थितियों में 0.3 dB प्रति इंच से कम हानि प्राप्त करता है। चालक हानि आवृत्ति के वर्गमूल के साथ बढ़ती है क्योंकि त्वचा प्रभाव के कारण उच्च-आवृत्ति धाराएं चालक सतहों के पास केंद्रित होती हैं, जिससे प्रभावी प्रतिरोध बढ़ जाता है।
7.2 मिमीवेव अनुप्रयोगों के लिए वाया डिज़ाइन
थ्रू-होल वाया का वह अप्रयुक्त भाग जो सिग्नल निकास परत से आगे तक फैला होता है, उसे वाया स्टब्स कहते हैं। ये स्टब्स विशिष्ट आवृत्तियों पर सिग्नल को परावर्तित करने वाली अनुनादी संरचनाएं बनाते हैं। स्टब एक शॉर्ट-सर्किटेड ट्रांसमिशन लाइन की तरह काम करता है, जिसका क्वार्टर-वेवलेंथ अनुनाद अधिकतम परावर्तन का कारण बनता है। 28 GHz आवृत्ति और 50 मिल मोटाई वाले बोर्ड पर, 15 मिल का स्टब भी समस्याग्रस्त अनुनाद उत्पन्न कर सकता है। समाधानों में स्टब्स को हटाने के लिए बैक-ड्रिलिंग करना या ब्लाइंड/बर्ड वाया का उपयोग करना शामिल है जो सिग्नल परत पर ही समाप्त होते हैं।
चित्र 9 – बैक ड्रिल्ड पीसीबी वाया
निष्कर्ष
सफल 5G पीसीबी स्टैक-अप डिज़ाइन के लिए कई विषयों की विशेषज्ञता आवश्यक है, जैसे कि पदार्थ विज्ञान, विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत, विनिर्माण प्रक्रियाएं और थर्मल प्रबंधन। इस लेख में पदार्थ चयन से लेकर ग्राउंडिंग रणनीतियों और प्रतिबाधा नियंत्रण तक के दिशानिर्देश उच्च गुणवत्ता वाले पीसीबी बनाने के लिए एक व्यापक ढांचा प्रदान करते हैं।
उच्च प्रदर्शन वाले 5G डिज़ाइन।
प्रमुख परिणामों में शामिल हैं:
1. सामग्री का चयन प्रदर्शन और लागत को प्रभावित करता है; जहां आवश्यक हो वहां उच्च-आवृत्ति वाले लैमिनेट का उपयोग करें, अन्यत्र FR-4 का उपयोग करें।
2. उचित संदर्भ तलों के साथ सममित स्टैक-अप अनिवार्य हैं। 3. ग्राउंड प्लेन की अखंडता और वाया स्टिचिंग मिलीमीटर वेव पर सिग्नल अखंडता निर्धारित करते हैं।
4. प्रतिबाधा नियंत्रण के लिए सटीक परावैद्युत मोटाई नियंत्रण और फील्ड सॉल्वर सत्यापन की आवश्यकता होती है।
5. पीसीबी निर्माता के साथ प्रारंभिक सहयोग से महंगे पुनर्निर्माण से बचा जा सकता है।
जैसे-जैसे 5G तकनीक उच्च आवृत्तियों और अधिक जटिलता की ओर विकसित होती जा रही है, यहाँ बताए गए चरण और विधियाँ मूलभूत बनी रहेंगी। चाहे आप अपना पहला 5G उत्पाद डिज़ाइन कर रहे हों या किसी मौजूदा प्लेटफ़ॉर्म को अनुकूलित कर रहे हों, स्टैक-अप अनुकूलन में समय निवेश करने से सिस्टम के प्रदर्शन, उत्पादन क्षमता और उत्पाद को बाज़ार में लाने में लगने वाले समय में लाभ मिलता है।
