1. تعارف
1.1 5G انقلاب اور PCB چیلنجز
5G وائرلیس ٹیکنالوجی کا عالمی رول آؤٹ 4G LTE کی آمد کے بعد ٹیلی کمیونیکیشن انفراسٹرکچر میں سب سے اہم تبدیلی کی نمائندگی کرتا ہے۔ وسیع کوریج کے لیے دو الگ الگ فریکوئنسی بینڈز ذیلی 6 گیگا ہرٹز اور ملی میٹر ویو (ایم ایم ویو) فریکوئنسیوں پر کام کرنا جو الٹرا ہائی کے لیے 24 سے 77 گیگا ہرٹز تک ہیں۔
اسپیڈ ڈیٹا ٹرانسمیشن 5G نیٹ ورک پرنٹ شدہ سرکٹ بورڈ (PCB) ڈیزائن میں بے مثال درستگی کا مطالبہ کرتے ہیں۔ روایتی PCB ایپلی کیشنز کے برعکس، 5G سسٹمز کو سگنل فریکوئنسیوں کو ہینڈل کرنا چاہیے جہاں مائکروسکوپک ڈیزائن کی خامیاں بھی تباہ کن کارکردگی میں کمی کا سبب بن سکتی ہیں۔
صنعت کے تجزیے کے مطابق، عالمی 5G انفراسٹرکچر مارکیٹ 2027 تک 47.7 بلین ڈالر سے تجاوز کرنے کا امکان ہے، جس سے اعلیٰ کارکردگی والے PCB سلوشنز کی بڑے پیمانے پر مانگ بڑھے گی۔ یہ ترقی پی سی بی ڈیزائنرز کے لیے مواقع اور چیلنجز دونوں پیدا کرتی ہے جنہیں مادی خصوصیات، پرت کی ترتیب، اور ریڈیو فریکوئنسیوں پر سگنل کے رویے کے درمیان پیچیدہ تعلق پر عبور حاصل کرنا چاہیے۔ 4G سے 5G میں منتقلی محض ایک اضافی اپ گریڈ نہیں ہے اس کے لیے PCB اسٹیک اپ فن تعمیر پر بنیادی نظر ثانی کی ضرورت ہے۔
شکل 1 - ذیلی 6 GHz اور mmWave بینڈ کے ساتھ فریکوئنسی سپیکٹرم کو نمایاں کیا گیا
1.2 5G کارکردگی میں اسٹیک اپ ڈیزائن کا اہم کردار
پی سی بی تانبے کی تہوں، ڈائی الیکٹرک میٹریلز، اور بنیادی سبسٹریٹس کے احتیاط سے ترتیب دیے گئے انتظام کو اسٹیک اپ اس بنیاد کے طور پر کام کرتا ہے جس پر تمام 5G سگنل کی سالمیت منحصر ہے۔ ایم ایم ویو فریکوئنسیوں پر، برقی مقناطیسی توانائی ان اصولوں کے مطابق برتاؤ کرتی ہے جو کم تعدد ایپلی کیشنز کے عادی ڈیزائنرز کے لیے تقریباً متضاد معلوم ہوتے ہیں۔ سگنل کی طول موج ملی میٹر پیمانے پر سکڑتی ہے، بناتی ہے۔
سٹب کے ذریعے اور ٹریس ڈس انکانٹیوٹیز جیسی خصوصیات جو 1 گیگا ہرٹز پر غیر معمولی تھیں 28 گیگا ہرٹز پر سگنل کی عکاسی اور نقصان کا بڑا ذریعہ بن جاتی ہیں۔
ایک مناسب طریقے سے ڈیزائن کیا گیا 5G PCB اسٹیک اپ بیک وقت متعدد مسابقتی تقاضوں کو پورا کرتا ہے: سگنل کی عکاسی کو روکنے کے لیے کنٹرول شدہ رکاوٹ، سگنل کی طاقت کو محفوظ رکھنے کے لیے کم اندراج نقصان، سرکٹس کے درمیان کراسسٹالک کو روکنے کے لیے موثر برقی مقناطیسی مداخلت (EMI) شیلڈنگ، اور طاقت کے بھوکے RFampers سے گرمی کو ختم کرنے کے لیے مضبوط تھرمل مینجمنٹ۔ اسٹیک اپ کنفیگریشن ان پیرامیٹرز میں سے ہر ایک کو براہ راست متاثر کرتی ہے، جس سے یہ پورے 5G PCB ڈیزائن کے عمل میں واحد سب سے اہم فیصلہ ہے۔
2. 5G پی سی بی کے تقاضوں کو سمجھنا
2.1 5G فریکوئنسی سپیکٹرم اور سگنل کی خصوصیات
ذیلی 6 گیگا ہرٹز بینڈز: وسیع کوریج کے لیے بنیاد
ذیلی 6 گیگا ہرٹز سپیکٹرم، 600 میگا ہرٹز سے 6 گیگا ہرٹز تک فریکوئنسیوں پر مشتمل، 5 جی کی کوریج ریڑھ کی ہڈی کی نمائندگی کرتا ہے۔ یہ نچلی تعدد وسیع ایریا نیٹ ورک کی تعیناتی کے لیے ضروری پروپیگیشن خصوصیات فراہم کرتی ہیں، جو mmWave کے مقابلے میں اعلیٰ عمارت میں دخول اور طویل رینج پیش کرتی ہیں۔ پی سی بی ڈیزائن کے نقطہ نظر سے، ذیلی 6 گیگا ہرٹز سگنلز 4G LTE کے مقابلے میں اعتدال پسند چیلنجز پیش کرتے ہیں لیکن mmWave ایپلی کیشنز کے مقابلے میں انتہائی کم ہیں۔
mmWave بینڈز (24-77 GHz): انتہائی درستگی کے تقاضے ملی میٹر لہر 5G، بنیادی طور پر 24 GHz، 28 GHz، 39 GHz، اور 77 GHz بینڈز میں کام کرتی ہے، PCB ٹیکنالوجی کو اپنی حدود تک لے جاتی ہے۔ 28 GHz پر، ایک عام Rogers RO4350B laminate (Dk = 3.48) میں طول موج صرف 5.7 ملی میٹر ہے۔ اس کا مطلب ہے کہ ایک چوتھائی طول موج کا سٹب ایک اہم گونج کی لمبائی صرف 1.4 ملی میٹر تک پھیلا ہوا ہے۔ روایتی پلیٹڈ تھرو ہول ویاس، جو معمول کے مطابق 2-3 ملی میٹر کے سٹب چھوڑتے ہیں، اہم پرجیوی گونجنے والے بن جاتے ہیں جو سگنل کی سالمیت کو مکمل طور پر تباہ کر سکتے ہیں۔
شکل 2 - طول موج کا تفصیلی موازنہ جسمانی جہتوں کو ظاہر کرتا ہے۔
5G اسٹیک اپس کے لیے 2.2 کلیدی برقی پیرامیٹرز
کئی الیکٹریکل پیرامیٹرز 5G PCB کی کارکردگی کو کنٹرول کرتے ہیں، ہر ایک کو اسٹیک اپ ڈیزائن کے دوران احتیاط سے غور کرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔ ڈائی الیکٹرک مستقل (Dk یا εr) سگنل کے پھیلاؤ کی رفتار اور کنٹرول شدہ رکاوٹ کی قدروں کا تعین کرتا ہے۔ 5G ایپلی کیشنز کے لیے، فریکوئنسی اور درجہ حرارت دونوں میں Dk استحکام سب سے اہم ہے۔ ایک ایسا مواد جس کا Dk درجہ حرارت کے مقابلے میں 5% کا فرق ہوتا ہے اس سے مائبادی کی مختلف حالتیں پیدا ہوں گی جو عکاسی پیدا کرتی ہیں اور درست RF سرکٹس میں سگنل کی سالمیت کو کم کرتی ہیں۔
ڈسپیشن فیکٹر (Df)، جسے نقصان کا ٹینجنٹ (tan δ) بھی کہا جاتا ہے، ڈائی الیکٹرک نقصانات کی مقدار درست کرتا ہے۔ معیاری FR-4 10 GHz پر 0.015-0.020 کی Df قدروں کی نمائش کرتا ہے، جب کہ اعلی کارکردگی والے مواد جیسے Rogers RO3003 اسی فریکوئنسی پر 0.0010 کو 15-20x بہتری حاصل کرتے ہیں۔
5G ایپلی کیشنز کے لیے مائبادی کنٹرول رواداری ڈرامائی طور پر سخت ہوتی ہے۔ جبکہ ±10% مائبادی رواداری بہت سی ایپلی کیشنز کے لیے کافی ہو سکتی ہے، 5G RF سرکٹس کو عام طور پر ±5% یا سخت کنٹرول کی ضرورت ہوتی ہے۔
| مواد | متحرک مستقل (Dk) | کھپت عنصر (Df) | بہترین ایپلی کیشن |
| FR-4 سٹینڈرڈ | 4.2-4.5 @ 1GHz | 0.015-0.020 | ڈیجیٹل، ذیلی 6 گیگا ہرٹز غیر اہم |
| راجرز RO4350B | 3.48 @ 10GHz | 0.0037 | ذیلی 6 GHz RF، سرمایہ کاری مؤثر mmWave |
| راجرز RO3003 | 3.00 @ 10GHz | 0.0010 | اعلی کارکردگی والے ایم ایم ویو، بیس اسٹیشن |
| RT/duroid 5880 | 2.20 @ 10GHz | 0.0009 | انتہائی کم نقصان >20 GHz، مرحلہ وار صفیں۔ |
جدول 1: 5G پی سی بی ایپلی کیشنز کے لیے ہائی فریکوئنسی لیمینیٹ مواد کا موازنہ
2.3 جسمانی اور حرارتی تقاضے
5G PCBs کو عام طور پر 10-16 تانبے کی تہوں کی ضرورت ہوتی ہے تاکہ جدید RF ٹرانسسیورز، بیس بینڈ پروسیسرز، پاور مینجمنٹ سرکٹس، اور منسلک ڈیجیٹل انٹرفیس کی گھنی روٹنگ کی ضروریات کو پورا کیا جا سکے۔ ہائی ڈینسٹی انٹر کنیکٹ (HDI) ٹیکنالوجی جس میں مائکروویا کی خاصیت 0.1 ملی میٹر قطر، بلائنڈ اور بیریڈ ویاس، اور کسی بھی پرت کی روٹنگ اس جزو کی کثافت کو حاصل کرنے کے لیے ضروری ہو جاتی ہے جس کا 5G سسٹم انٹیگریشن کنٹرولڈ امپیڈینس سگنل پاتھ کو برقرار رکھتے ہوئے مطالبہ کرتا ہے۔
تھرمل مینجمنٹ 5G ڈیزائن میں اہم چیلنجز پیش کرتا ہے۔ بیس سٹیشن ایپلی کیشنز میں پاور ایمپلیفائر 50-100 واٹ کو ختم کر سکتے ہیں، جس سے مقامی ہاٹ سپاٹ پیدا ہوتے ہیں جو آپریشن کے دوران 85-100°C تک پہنچ جاتے ہیں۔ پی سی بی سبسٹریٹ میں اس گرمی کو بورڈ کے پورے علاقے میں پھیلانے اور اسے ہیٹ سنک یا تھرمل مینجمنٹ سسٹم میں منتقل کرنے کے لیے کافی تھرمل چالکتا (≥1.5 W/m·K) کا ہونا ضروری ہے۔ اعلی درجہ حرارت کی مزاحمت، ≥150°C کے رشتہ دار تھرمل انڈیکس (RTI) کے طور پر ماپا جاتا ہے، پائیدار آپریٹنگ حالات میں مواد کے استحکام کو یقینی بناتا ہے۔
5G PCBs کے لیے مینوفیکچرنگ رواداری کافی حد تک سخت ہو جاتی ہے۔ رجسٹریشن کی درستگی روایتی ڈیزائن کے لیے ±150 μm کے مقابلے میں، تانبے کی تہوں کے درمیان صف بندی کی درستگی ±75 μm (±3 mils) یا mmWave ایپلی کیشنز کے لیے بہتر ہونی چاہیے۔
3. 5G اسٹیک اپس کے لیے مواد کا انتخاب
3.1 اعلی تعدد لیمینیٹ مواد
راجرز میٹریلز: انڈسٹری اسٹینڈرڈ فار آر ایف پرفارمنس
راجرز کارپوریشن کے ہائی فریکوئنسی لیمینیٹ 5G PCB ایپلی کیشنز کے لیے ڈی فیکٹو سٹینڈرڈ بن چکے ہیں، جو احتیاط سے انجنیئرڈ ڈائی الیکٹرک خصوصیات پیش کرتے ہیں جو وسیع فریکوئنسی اور درجہ حرارت کی حدود میں مستحکم رہتی ہیں۔ RO4000 سیریز، خاص طور پر RO4350B، RF کی کارکردگی اور تیاری کے درمیان ایک بہترین توازن قائم کرتا ہے۔ 10 GHz پر 3.48 ±0.05 کے ڈائی الیکٹرک کنسٹنٹ اور 0.0037 کے ڈسپیشن فیکٹر کے ساتھ، RO4350B معیاری FR-4 پروسیسنگ تکنیکوں کو استعمال کرتے ہوئے پیش گوئی کے قابل مائبادی کنٹرول فراہم کرتا ہے، علاج یا ترمیم شدہ ڈرلنگ پیرامیٹرز کے ذریعے کوئی خاص ضرورت نہیں۔
اس سے بھی کم نقصان کا مطالبہ کرنے والی ایپلی کیشنز کے لیے، RO3000 سیریز غیر معمولی کارکردگی پیش کرتی ہے۔ RO3003، اپنی سیرامک سے بھرے PTFE کنسٹرکشن کے ساتھ، 0.0010 کا Df اور 3.00 پراپرٹیز کا Dk حاصل کرتا ہے جو 10 میگاہرٹز سے 40 گیگا ہرٹز تک نمایاں طور پر مطابقت رکھتا ہے۔ یہ مواد بیس سٹیشن پاور ایمپلیفائر ڈیزائنز اور دیگر ایپلی کیشنز میں بہترین ہے جہاں اندراج کے نقصان کے ڈی بی کا ہر دسواں حصہ سسٹم کی کارکردگی کو متاثر کرتا ہے۔ ٹریڈ آف اعلی مادی لاگت (عام طور پر 3-5x RO4350B) اور زیادہ ضروری من گھڑت تقاضوں میں آتا ہے۔
شکل 3 – راجرز RO4350B ٹکڑے ٹکڑے کی تعمیر کا کراس سیکشنل منظر جس میں تانبے کے ورق، رال سسٹم، اور شیشے کی کمک دکھائی دے رہی ہے۔
3.2 FR-4 5G ایپلیکیشنز میں: حدود کو سمجھنا
معیاری FR-4 5G ڈیزائن کے مخصوص حصوں، خاص طور پر ڈیجیٹل سگنل پروسیسنگ سیکشنز، پاور ڈسٹری بیوشن نیٹ ورکس، اور ذیلی 6 GHz ایپلی کیشنز کے لیے قابل عمل رہتا ہے جہاں RF کارکردگی کے تقاضے کم سخت ہوتے ہیں۔ Shengyi، Panasonic، اور ITEQ جیسے مینوفیکچررز سے جدید اعلیٰ معیار کا FR-4 مناسب رال سسٹمز اور شیشے کی کمک کا استعمال کرتے ہوئے 5 GHz پر 0.012-0.015 کی Df اقدار حاصل کر سکتا ہے۔
بہت سے ذیلی 6 GHz سگنل راستوں کے لیے قابل قبول۔
تاہم، اعلی تعدد پر FR-4 کی حدود واضح ہو جاتی ہیں۔ مواد کا Dk عام طور پر آپریٹنگ درجہ حرارت کی حد (-40°C سے +85°C) میں ±10% تک مختلف ہوتا ہے، اس کے مقابلے میں ہائی فریکوئنسی لیمینیٹ کے لیے ±2%۔ یہ تغیر مائبادی کے اتار چڑھاؤ میں ترجمہ کرتا ہے جو تیز رفتار ڈیجیٹل انٹرفیس میں عکاسی کی وجہ سے بٹ کی غلطیوں کا سبب بن سکتا ہے اور RF سسٹم کی کارکردگی کو کم کر سکتا ہے۔ مزید برآں، FR-4 کی شیشے کی مضبوطی مؤثر Dk 'فائبر ویو ایفیکٹ' میں مقامی تغیرات پیدا کرتی ہے جو شیشے کے فائبر پیٹرن کے ترچھے زاویوں پر چلنے والے نشانات کے لیے مسئلہ بن جاتی ہے۔
3.3 ہائبرڈ اسٹیک اپ حکمت عملی: کارکردگی اور لاگت کو بہتر بنانا
FR-4 کے ساتھ ہائی فریکوئنسی لیمینیٹ کو ملانے والے ہائبرڈ اسٹیک اپ پیچیدہ 5G ڈیزائنوں میں کارکردگی اور لاگت کو متوازن کرنے کے لیے ایک بہترین طریقہ پیش کرتے ہیں۔ بنیادی حکمت عملی مہنگے کم نقصان والے مواد کو صرف اسی جگہ رکھتی ہے جہاں RF سگنل سفر کرتے ہیں، جبکہ ڈیجیٹل سگنلز، بجلی کی تقسیم، اور مکینیکل سپورٹ والی اندرونی تہوں کے لیے اقتصادی FR-4 کا استعمال کرتے ہیں۔ ایک عام ہائبرڈ اسٹیک اپ روجرز RO4350B کو بیرونی دو تہوں (12 پرتوں کے ڈیزائن میں L1 اور L12) کے لیے استعمال کر سکتا ہے جہاں RF مائیکرو اسٹریپ ٹرانسمیشن لائنیں رہتی ہیں، اندرونی تہوں پر مشتمل FR-4 کور کے ساتھ۔
شکل 4 – RF سگنلز کے لیے Rogers RO4350B بیرونی تہوں کو دکھاتے ہوئے 12-پرتوں کے ہائبرڈ اسٹیک اپ کا کراس سیکشنل ڈایاگرام
4. 5G کے لیے پرت کنفیگریشن کی حکمت عملی
4.1 بنیادی اسٹیک اپ اصول
مخصوص پرت کنفیگریشنز میں غوطہ لگانے سے پہلے، کئی بنیادی اصول تمام پیشہ ورانہ 5G PCB اسٹیک اپ ڈیزائنز کو کنٹرول کرتے ہیں۔ ہم آہنگی کو مینوفیکچرنگ کے سب سے اہم خیال کے طور پر درجہ بندی کیا جاتا ہے: لیمینیشن اور تھرمل سائیکلنگ کے دوران وار پیج کو روکنے کے لیے اسٹیک اپ کو بورڈ کی سینٹر لائن کے ارد گرد متوازن ہونا چاہیے۔ اس کا مطلب ہے کہ تانبے کے وزن، بنیادی موٹائی، اور مرکز کے طیارہ کے مخالف سمتوں پر پری پریگ گنتی کو ملانا۔ ایک بورڈ جو ایک طرف تانبے سے بھرا ہوا ہے، ری فلو سولڈرنگ کے بعد آلو کی چپ کی طرح جھک جائے گا جو درست RF اسمبلیوں کے لیے ناقابل قبول نتیجہ ہے۔
حوالہ ہوائی جہاز کا ملحقہ بھی اتنا ہی اہم ہے: ہر سگنل کی تہہ کے ساتھ فوری طور پر ایک بلاتعطل گراؤنڈ یا پاور ہوائی جہاز ہونا چاہئے۔ یہ کم انڈکٹنس واپسی کا راستہ فراہم کرتا ہے جس کی اعلی تعدد سگنلز کی ضرورت ہوتی ہے جبکہ بیک وقت سگنل کی تہہ کو مداخلت سے بچاتے ہیں۔
پرتوں کی جوڑی میں فنکشن اور برقی ضروریات کے لحاظ سے سگنل کی تہوں کو گروپ کرنا شامل ہے۔ تیز رفتار تفریق والے جوڑوں کو ایک ہی پرت پر روٹ کرنا چاہیے، جس میں لمبائی کی مماثلت سرپینٹائن روٹنگ کے ذریعے حاصل کی جاتی ہے نہ کہ تہوں میں جوڑوں کو تقسیم کرنے کے۔ RF سگنل پرتیں عام طور پر بیرونی تہوں پر قابض ہوتی ہیں جہاں انہیں مائکرو اسٹریپ ٹرانسمیشن لائنوں کے طور پر لاگو کیا جا سکتا ہے، جو ٹیوننگ اور ڈیبگ کے لیے آسان رسائی فراہم کرتی ہے۔
4.2 8-لیئر اسٹیک اپ: 5G ڈیزائنز کے لیے انٹری پوائنٹ
ایک 8 لیئر اسٹیک اپ بنیادی 5G ایپلی کیشنز جیسے IoT ڈیوائسز، چھوٹے سیل ریڈیوز، یا سادہ ذیلی 6 GHz RF ماڈیولز کے لیے کم از کم عملی پرت کی گنتی کی نمائندگی کرتا ہے۔ اعلیٰ پرتوں کی تعداد کے مقابلے میں محدود ہونے کے باوجود، اچھی طرح سے ڈیزائن کیا گیا 8 پرتوں کا ڈھانچہ محتاط روٹنگ ڈسپلن اور اجزاء کی جگہ کے ساتھ معتدل پیچیدہ ڈیزائنوں کو مؤثر طریقے سے سپورٹ کر سکتا ہے۔
تجویز کردہ 8-پرت کنفیگریشن:
∙ پرت 1: RF سگنل اور اہم تیز رفتار (مائکرو اسٹریپ، 50Ω)
∙ پرت 2: زمینی طیارہ (پرائمری RF واپسی کا راستہ)
∙ پرت 3: تیز رفتار ڈیجیٹل سگنلز (سٹرپ لائن، 50Ω یا 100Ω فرق) ∙ پرت 4: پاور پلین (+3.3V، +1.8V تقسیم)
∙ پرت 5: پاور پلین (عکس: +3.3V، +1.8V تقسیم)
∙ پرت 6: تیز رفتار ڈیجیٹل سگنلز (سٹرپ لائن، آرتھوگونل سے L3)
∙ پرت 7: زمینی طیارہ (ثانوی واپسی کا راستہ)
∙ پرت 8: RF سگنل اور اہم تیز رفتار (مائکرو اسٹریپ، 50Ω)
یہ کنفیگریشن ہم آہنگی فراہم کرتی ہے (L1-L2-L3-L4 آئینہ L8-L7-L6-L5)، اس بات کو یقینی بناتی ہے کہ ہر سگنل لیئر میں ایک ملحقہ حوالہ طیارہ ہے، اور پاور طیاروں کو مرکز میں رکھتا ہے جہاں ان کی گنجائش بہترین طریقے سے ڈیکپلنگ کا کام کرتی ہے۔ عام ڈائی الیکٹرک موٹائی یہ ہو سکتی ہے: L1-L2 = 6 mils (RF کے لیے RO4350B)، L2-L3 = 8 mils (core)، L3-L4 = 14 mils (prepreg)، L4-L5 = 20 mils (core)، L8 پر ہم آہنگی سے آئینہ دار۔
4.3 12-لیئر اسٹیک اپ: ایڈوانسڈ 5G ایپلیکیشنز
نفیس 5G سسٹمز بیس اسٹیشن ماڈیولز، بڑے پیمانے پر MIMO اینٹینا اری، یا اعلیٰ درجے کے اسمارٹ فونز کے لیے 12 لیئر اسٹیک اپ بہترین نتائج کے لیے درکار روٹنگ کثافت اور سگنل کی سالمیت کی کارکردگی فراہم کرتا ہے۔ اضافی پرتیں فعال کرتی ہیں۔
RF، ڈیجیٹل، اور پاور سیکشنز کی مکمل تنہائی جبکہ اعلیٰ حفاظت کے لیے متعدد زمینی طیارے فراہم کرتے ہیں۔
mmWave کے لیے آپٹمائزڈ 12-لیئر کنفیگریشن:
∙ پرت 1: RF سگنل لیئر A (mmWave اینٹینا فیڈز، microstrip 50Ω) ∙ پرت 2: گراؤنڈ پلین A (پرائمری RF ریٹرن، 1 oz Cu)
∙ پرت 3: RF سگنل لیئر B (ثانوی RF راستے، سٹرپ لائن 50Ω)
∙ پرت 4: گراؤنڈ پلین B (RF تنہائی اور واپسی، 1 آانس Cu)
∙ پرت 5: پاور پلین A (RF پاور: +5V PA سپلائی، 2 oz Cu)
∙ پرت 6: تیز رفتار ڈیجیٹل (SerDes، DDR، PCIe سٹرپ لائن)
∙ پرت 7: تیز رفتار ڈیجیٹل (آرتھوگونل روٹنگ سے L6)
∙ پرت 8: پاور پلین بی (ڈیجیٹل پاور: +3.3V، +1.8V، +1.2V اسپلٹس، 2 اوز Cu) ∙ پرت 9: گراؤنڈ پلین C (ڈیجیٹل واپسی اور شیلڈنگ، 1 اوز Cu)
∙ پرت 10: کم رفتار سگنلز اور روٹنگ (کنٹرول، I2C، SPI)
∙ پرت 11: گراؤنڈ پلین ڈی (آخری شیلڈنگ پرت، 1 آانس Cu)
∙ پرت 12: RF سگنل لیئر C (ثانوی RF، اجزاء کی جگہ کا تعین، مائیکرو اسٹریپ 50Ω) یہ SGSGPSSPGSGS کنفیگریشن غیر معمولی کارکردگی فراہم کرتی ہے: چار علیحدہ گراؤنڈ ہوائی جہاز ایک سے زیادہ شیلڈنگ رکاوٹیں بناتے ہیں، RF تہوں کو ڈیجیٹل سوئچنگ شور سے مکمل طور پر الگ کر دیا جاتا ہے، اور RF پرتیں بہترین RF لائنوں کے لیے بہترین پیشکش کرتی ہیں۔ راستے اسٹیک اپ L6-L7 مرکز کے طیارے کے بارے میں ہم آہنگی کو برقرار رکھتا ہے۔
شکل 5 - 12-پرت 5G PCB اسٹیک اپ کا تفصیلی کراس سیکشن جس میں پرت کی موٹائی، تانبے کا وزن، اور سگنل/ہوائی جہاز دکھایا گیا ہے۔
5. 5G PCBs کے لیے گراؤنڈنگ تکنیک
5.1 ہائی فریکوئنسی ڈیزائن کے لیے بنیادی اصول
اعلی تعدد پر، زمین صرف ایک صفر وولٹیج حوالہ نقطہ نہیں ہے بلکہ ایک پیچیدہ برقی مقناطیسی ڈھانچہ ہے جس کا رویہ سگنل کی سالمیت کی کارکردگی پر حاوی ہے۔ بنیادی اصول: اعلی تعدد کی واپسی کے دھارے کم سے کم رکاوٹ کے راستے پر چلتے ہوئے اپنے متعلقہ سگنل کے نشانات کے نیچے براہ راست بہتے ہیں۔ اس راستے کا انحصار ڈی سی مزاحمت پر نہیں بلکہ انڈکٹینس ریٹرن کرنٹ پر ہوتا ہے جو قدرتی طور پر سگنل کنڈکٹر کے ساتھ زیادہ سے زیادہ مقناطیسی فیلڈ کپلنگ کے علاقے میں مرتکز ہوتے ہیں۔
ایم ایم ویو فریکوئنسیوں پر جلد کے اثر کا مطلب ہے کہ واپسی کے دھارے صرف زمینی جہاز کی سطح کے اوپری چند سو نینو میٹر میں بہہ رہے ہیں۔ اس سے سطح کی تکمیل اور آکسیڈیشن کی صلاحیت حیرت انگیز طور پر اہم داغدار تانبا روشن تانبے سے زیادہ RF مزاحمت کو ظاہر کرتا ہے۔ اس وجہ سے، بہت سے ڈیزائنرز ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) کی سطح کو RF کے اہم علاقوں میں زمینی طیاروں پر ختم کرنے کی وضاحت کرتے ہیں، اس کے باوجود کہ نکل کی تہہ متعارف کرائی گئی معمولی اضافی انڈکٹنس کے باوجود۔
5.2 ٹھوس زمینی طیارہ کا نفاذ
ایک مسلسل، غیر ٹوٹا ہوا زمینی طیارہ کسی بھی اعلی تعدد پی سی بی اسٹیک اپ کی واحد سب سے اہم خصوصیت کی نمائندگی کرتا ہے۔ زمینی ہوائی جہاز کے بارے میں سوچیں کہ واپسی کے دھاروں کو کسی بھی رکاوٹ (باطل، سلاٹ، کٹ آؤٹ) کے بہاؤ کے لیے بالکل ہموار جھیل کی سطح فراہم کرتا ہے جو ہنگامہ خیزی پیدا کرتا ہے جو توانائی کو پھیلاتا ہے اور سگنلز کی عکاسی کرتا ہے۔ 5G ایپلی کیشنز کے لیے، زمینی جہاز کی سالمیت غیر گفت و شنید ہے: ہر زمینی جہاز کو بورڈ کے کنارے سے کنارے تک کم سے کم رکاوٹوں کے ساتھ پھیلانا چاہیے۔
جب زمینی ہوائی جہاز کے ٹکڑے ناگزیر ہو جاتے ہیں تو شاید ینالاگ اور ڈیجیٹل حصوں کو الگ کرنے کے لیے، یا بڑھتے ہوئے سوراخوں کے گرد تھرمل ریلیف پیدا کرنے کے لیے خلا کو پر کرنے کے لیے سلائی کیپسیٹرز کا استعمال کریں۔ 0.1 μF یا اس سے چھوٹے کیپسیٹرز کو اسپلٹ کے ساتھ 1-2 انچ کے وقفوں پر رکھیں، DC تنہائی کو برقرار رکھتے ہوئے RF فریکوئنسیوں پر AC شارٹ فراہم کریں۔ زمینی ہوائی جہاز کے سپلٹس کے درمیان تیز رفتار یا RF سگنلز کو کبھی بھی روٹ نہ کریں۔ اگر کسی ٹریس کو اسپلٹ کو عبور کرنا ضروری ہے تو، لوپ ایریا کو کم سے کم کرنے کے لیے اسے کھڑا کر دیں اور کراسنگ پوائنٹ سے فوراً ملحقہ گراؤنڈ شامل کریں۔
5.3 سلائی اور زمینی باڑ لگانے کی تکنیک کے ذریعے
پرتوں کے درمیان زمینی طیاروں کو جوڑنے کے لیے گراؤنڈنگ ویاس کے اسٹریٹجک پلیسمنٹ کو سلائی کے ذریعے 5G PCB ڈیزائن کے انتہائی اہم لیکن اکثر نظر انداز کیے جانے والے پہلوؤں میں شمار ہوتا ہے۔ mmWave تعدد پر، یہاں تک کہ ایک مختصر زمینی کنکشن کا انڈکٹنس اہم ہو جاتا ہے۔ 62 ملی موٹے بورڈ کے ذریعے ایک واحد 10 ملی میٹر قطر تقریباً 0.7 nH انڈکٹنس کی نمائش کرتا ہے جو بظاہر نہ ہونے کے برابر ہے، لیکن 28 GHz پر یہ تقریباً 123 اوہم کی رکاوٹ کی نمائندگی کرتا ہے، جو کہ اعلی تعدد والے زمینی رابطوں کو شدید طور پر کم کرنے کے لیے کافی ہے۔
حل صفوں کے ذریعے متوازی میں ہے۔ متوازی طور پر چار ویاس کا استعمال مؤثر انڈکٹنس کو تقریباً 4x تک کم کرتا ہے (باہمی انڈکٹنس اثرات کا حساب کتاب)، کنکشن کی رکاوٹ کو زیادہ قابل قبول سطحوں تک لاتا ہے۔ RF کے اہم اجزاء کے لیے، ہر گراؤنڈ پن کے ساتھ فوری طور پر 3-4 گراؤنڈ ویاز لگائیں، جو قریب ترین سے جڑیں
ٹھوس زمینی ہوائی جہاز۔ ان ویاس کو جزو کے قریب رکھیں جتنا ممکن ہو انڈکٹنس لمبائی کے ساتھ بڑھتا ہے، جس سے چھوٹے راستے ضروری ہوتے ہیں۔
شکل 6 - پی سی بی لے آؤٹ کا اوپری منظر ارد گرد سلائی کے پیٹرن کے ذریعے دکھا رہا ہے۔
6. 5G اسٹیک اپس میں رکاوٹ کا کنٹرول
6.1 کنٹرولڈ امپیڈینس کے بنیادی اصول
کنٹرول شدہ رکاوٹ تیز رفتار اور RF سگنل کی سالمیت کی بنیاد کی نمائندگی کرتی ہے۔ جب سگنل کا ماخذ، ترسیل کا راستہ، اور ختم ہونے میں سب ایک ہی خصوصیت کی رکاوٹ پیش کرتے ہیں، تو توانائی مکمل طور پر ماخذ سے بوجھ تک بغیر کسی عکاسی کے منتقل ہوتی ہے۔ رکاوٹ کی مماثلت سگنل کے کچھ حصے واپس ماخذ کی طرف جھلکنے کا سبب بنتی ہے، کھڑی لہریں، گھنٹی بجتی، اور بین علامت کی مداخلت پیدا کرتی ہے جو ڈیجیٹل سگنلز کو خراب کرتی ہے اور RF سسٹم کی کارکردگی کو کم کرتی ہے۔
5G ایپلی کیشنز کے لیے، 50-ohm سنگل اینڈڈ مائبادا RF اور مائکروویو سرکٹس کے لیے عالمگیر معیار بن گیا ہے۔ یہ قدر پاور ہینڈلنگ کی صلاحیت اور سماکشیی کیبلز میں ہونے والے نقصان کے درمیان اصلاح سے ابھری ہے، اور پورے RF ایکو سسٹم کنیکٹرز، ٹیسٹ آلات، اجزاء 50-ohm سسٹمز کو فرض کرتے ہیں۔ اعلی
سپیڈ ڈیجیٹل انٹرفیس عام طور پر یا تو 50-اوہم سنگل اینڈڈ (گھڑیوں جیسے سنگل اینڈڈ سگنلز کے لیے) یا 100-اوہم ڈیفرینشل امپیڈینس (ایم آئی پی آئی، پی سی آئی، اور یو ایس بی جیسے ڈیفرینشل جوڑوں کے لیے) استعمال کرتے ہیں۔
6.2 RF سگنلز کے لیے مائیکرو اسٹریپ کنفیگریشن
مائیکرو اسٹریپ بورڈ کی بیرونی تہہ پر ایک سگنل ٹریس جس کے ساتھ ملحقہ اندرونی تہہ پر زمینی طیارہ ہے RF سرکٹس کے لیے سب سے عام ٹرانسمیشن لائن کنفیگریشن کی نمائندگی کرتا ہے۔
مائیکرو اسٹریپ کی خصوصیت کا انحصار ٹریس چوڑائی (W)، زمینی جہاز (H) سے اوپر کی اونچائی، تانبے کی موٹائی (T)، اور سبسٹریٹ میٹریل کے ڈائی الیکٹرک مستقل (εr) پر ہوتا ہے۔ فرسٹ آرڈر کے قریب ہونے کے لیے، وسیع تر نشانات اور موٹے ڈائی الیکٹرکس مائبادی کو بڑھاتے ہیں، جبکہ زیادہ ڈائی الیکٹرک کنسٹنٹ رکاوٹ کو کم کرتے ہیں۔
مائیکرو اسٹریپ کیلکولیشن کی مثال: 5 ملی موٹی راجرز RO4350B (εr = 3.48) پر 1 اوز کاپر کے ساتھ 50Ω حاصل کرنے کے لیے تقریباً 11 ملی لٹر چوڑائی درکار ہوتی ہے۔ 4-مِل ڈائی الیکٹرک پر ایک ہی رکاوٹ کے لیے 8.5 ملین چوڑائی کی ضرورت ہوتی ہے جو ڈائی الیکٹرک موٹائی کی حساسیت کو ظاہر کرتی ہے۔
شکل 7 – مائیکرو اسٹریپ ٹرانسمیشن لائن جیومیٹری کا کراس سیکشنل خاکہ
6.4 تیز رفتار انٹرفیس کے لیے مختلف جوڑے کی رکاوٹ
دو تکمیلی سگنلز کے درمیان وولٹیج کے فرق کے طور پر ڈیٹا کی ترسیل کا فرق اعلیٰ شور سے استثنیٰ اور کم EMI کی وجہ سے جدید تیز رفتار ڈیجیٹل انٹرفیس پر حاوی ہے۔ تفریق مائبادا (Zdiff) ہر ٹریس (Z0) کے سنگل اینڈیڈ مائبادا اور نشانات کے درمیان جوڑے دونوں پر منحصر ہے۔ ڈھیلے جوڑے ہوئے نشانات کے لیے، Zdiff ≈ 2 × Z0۔ جیسے جیسے نشانات ایک دوسرے کے قریب جاتے ہیں، جوڑے میں اضافہ ہوتا ہے، اس 2:1 کے تناسب سے نیچے کی امتیازی رکاوٹ کو کم کرتا ہے۔
100-ohm تفریق مائبادا (زیادہ تر تیز رفتار ڈیجیٹل انٹرفیس کا معیار) کے لیے، عام ڈیزائن 50-ohm سنگل اینڈڈ ٹریس کو جوڑے کے ساتھ استعمال کرتے ہیں جو 100 اوہم تک فرق کو کم کر دیتا ہے۔ کنارے سے جڑے نشانات کے ساتھ مائکرو اسٹریپ میں، 100-ohm کے فرق کو حاصل کرنے کے لیے عام طور پر ٹریس کی چوڑائی 1.5-2× کے ٹریس اسپیسنگ کی ضرورت ہوتی ہے۔ سخت فاصلہ جوڑے کو بڑھاتا ہے اور تفریق کی رکاوٹ کو مزید کم کرتا ہے۔ وسیع فاصلہ جوڑے کو کم کرتا ہے اور امتیازی رکاوٹ کو بڑھاتا ہے۔
| پرت | فنکشن | قسم | کیو وزن | موٹائی | مواد |
| L1 | آریف سگنل | مائیکرو اسٹریپ 50Ω | 0.5 آانس | - | RO4350B۔ |
| L2 | گراؤنڈ | ہوائی جہاز | 1 آانس | 5 ہزار۔ | کور |
| L3 | آریف سگنل | سٹرپ لائن 50Ω | 0.5 آانس | 6 ہزار۔ | پریپریگ |
| L4 | گراؤنڈ | ہوائی جہاز | 1 آانس | 8 ہزار۔ | کور |
| ... | توازن | عکس | ... | ... | ... |
جدول 2: مثال 12-پرت 5G اسٹیک اپ کنفیگریشن (جزوی) اوپر کی تہوں کو دکھا رہی ہے
7. سگنل سالمیت کے تحفظات
5G PCBs میں سگنل کی سالمیت متعدد باہم منسلک مظاہر پر محیط ہے جو مناسب طریقے سے منظم نہ ہونے کی صورت میں سسٹم کی کارکردگی کو کم کر سکتی ہے۔ سگنل انحطاط کے طریقہ کار اور اسٹیک اپ ڈیزائن کی تکنیکوں کو سمجھنا جو ان کو کم کرتی ہیں فنکشنل ڈیزائن کو بہترین ڈیزائنوں سے الگ کرتی ہے۔
7.1 اعلی تعدد کے نقصان کا طریقہ کار
متعدد جسمانی اثرات کی وجہ سے سگنل کا نقصان تعدد کے ساتھ ڈرامائی طور پر بڑھ جاتا ہے۔ ڈائی الیکٹرک نقصان سبسٹریٹ میٹریل میں مالیکیولر پولرائزیشن سے پیدا ہوتا ہے کیونکہ الیکٹرک فیلڈ RF فریکوئنسیوں پر گھومتی ہے، مادے میں ڈوپولس فیلڈ کے ساتھ سیدھ میں ہونے کی کوشش کرتے ہیں، توانائی کو حرارت کے طور پر ضائع کرتے ہیں۔ یہ نقصان کھپت کے عنصر سے براہ راست تعلق رکھتا ہے: Df کو دوگنا کرنے سے تقریباً دوگنا نقصان ہوتا ہے۔ معیاری FR-4 (Df ≈ 0.020) میں 28 GHz پر، ڈائی الیکٹرک نقصانات 1.5 dB فی انچ سے زیادہ ہو سکتے ہیں، جبکہ Rogers RO3003 (Df ≈ 0.001) یکساں حالات میں 0.3 dB فی انچ سے کم نقصانات حاصل کرتا ہے۔ کنڈکٹر کا نقصان جلد کے اثر کی وجہ سے فریکوئنسی کے مربع جڑ کے ساتھ بڑھتا ہے اعلی تعدد کرنٹ کنڈکٹر کی سطحوں کے قریب مرتکز ہوتا ہے، مؤثر مزاحمت میں اضافہ ہوتا ہے۔
7.2 ایم ایم ویو ایپلی کیشنز کے لیے ڈیزائن کے ذریعے
کے ذریعے سوراخ کے غیر استعمال شدہ حصے کو اسٹب کرتا ہے جو اس پرت سے گزرتا ہے جہاں سگنل سے باہر نکلنے سے گونجنے والے ڈھانچے بنتے ہیں جو مخصوص تعدد پر سگنل کی عکاسی کرتے ہیں۔ سٹب ایک شارٹ سرکیٹ ٹرانسمیشن لائن کے طور پر کام کرتا ہے جس کی سہ ماہی طول موج کی گونج زیادہ سے زیادہ عکاسی کا باعث بنتی ہے۔ 28 GHz پر 50 mil بورڈ کی موٹائی کے ساتھ، یہاں تک کہ 15 mil کا سٹب بھی مشکل گونج پیدا کر سکتا ہے۔ حل میں سٹبس کو ہٹانے کے لیے بیک ڈرلنگ یا بلائنڈ/بیریڈ ویاس کا استعمال شامل ہے جو بالکل سگنل لیئر پر ختم ہوتے ہیں۔
شکل 9 - پیچھے سے ڈرل شدہ پی سی بی کے ذریعے
نتیجہ
کامیاب 5G PCB اسٹیک اپ ڈیزائن کے لیے متعدد شعبوں کی مہارت کی ضرورت ہوتی ہے یعنی مادی سائنس، برقی مقناطیسی تھیوری، مینوفیکچرنگ کے عمل، اور تھرمل مینجمنٹ۔ اس مضمون میں پیش کردہ رہنما خطوط مواد کے انتخاب سے لے کر گراؤنڈنگ حکمت عملیوں کے ذریعے مائبادا کنٹرول تک ایک جامع فریم ورک فراہم کرتے ہیں۔
کارکردگی 5G ڈیزائن۔
اہم نتائج میں شامل ہیں:
1. مٹیریل سلیکشن کارکردگی اور لاگت کو بہتر بناتا ہے جہاں ضرورت ہو اعلی تعدد والے لیمینیٹ استعمال کرتی ہے، کہیں اور FR-4۔
2. مناسب حوالہ والے طیاروں کے ساتھ سڈول اسٹیک اپس غیر گفت و شنید ہیں۔ 3. زمینی جہاز کی سالمیت اور سلائی کے ذریعے ایم ایم ویو پر سگنل کی سالمیت کا تعین کرتا ہے۔
4. امپیڈینس کنٹرول کے لیے عین ڈائی الیکٹرک موٹائی کنٹرول اور فیلڈ سولور کی تصدیق کی ضرورت ہوتی ہے۔
5. آپ کے PCB مینوفیکچرر کے ساتھ ابتدائی تعاون مہنگی ریسپن کو روکتا ہے۔
چونکہ 5G ٹیکنالوجی اعلی تعدد اور زیادہ پیچیدگی کی طرف ترقی کرتی جارہی ہے، یہاں بیان کردہ اقدامات اور طریقے بنیادی رہیں گے۔ چاہے آپ اپنا پہلا 5G پروڈکٹ ڈیزائن کر رہے ہوں یا کسی موجودہ پلیٹ فارم کو بہتر بنا رہے ہوں، اسٹیک اپ آپٹیمائزیشن میں وقت لگانے سے سسٹم کی کارکردگی، مینوفیکچرنگ کی پیداوار، اور ٹائم ٹو مارکیٹ میں منافع ملتا ہے۔
