माइक्रोवेव पार्ट्स की खरीदारी के समय किन बातों पर ध्यान देना चाहिए

माइक्रोवेव भागों के लिए सामग्री चयन: Dk, Df, और सब्सट्रेट विकल्प

माइक्रोवेव पीसीबी सामग्री चयन में परावैद्युत स्थिरांक (Dk) क्यों महत्वपूर्ण है

डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक, या जिसे इंजीनियर Dk कहते हैं, मूल रूप से यह निर्धारित करता है कि विभिन्न पदार्थों के माध्यम से विद्युत चुम्बकीय तरंगें कैसे गुजरती हैं, जो माइक्रोवेव सर्किट्स के डिज़ाइन में काफी महत्वपूर्ण होता है। जब हम ±0.05 की सीमा के आसपास स्थिर Dk मानों की बात करते हैं, तो यह 10 गीगाहर्ट्ज़ से ऊपर की उच्च आवृत्ति वाले सिग्नल्स को साफ़ और स्पष्ट रखने में मदद करता है। उदाहरण के लिए, सिरेमिक भरे हुए PTFE कंपोजिट्स लीजिए—ये सामग्री -50 डिग्री सेल्सियस से लेकर 150 डिग्री तक तापमान में तेज उतार-चढ़ाव के बावजूद अपने Dk मान को लगभग 2.94 से 3.2 के बीच बनाए रख सकती हैं। ऐसी स्थिरता उन्हें नए 5G मिलीमीटर वेव सिस्टम में इम्पीडेंस को नियंत्रित करने के लिए उत्कृष्ट विकल्प बनाती है, जहाँ सिग्नल इंटीग्रिटी वास्तव में महत्वपूर्ण होती है।

ये भिन्नताएँ इंगित करती हैं कि उच्च आवृत्ति अनुप्रयोग मानक FR-4 से बचते हैं, जिसका Dk आवृत्ति के साथ काफी कम हो जाता है, जिससे प्रतिबाधा में परिवर्तन और संकेत गिरावट होती है।

सिग्नल अखंडता के लिए कम विसर्जन गुणांक (Df) और हानि स्पर्शज्या

कम अपव्यय कारक (Df) वाली सामग्री संकेत गुणवत्ता को बनाए रखने में सहायता करती हैं क्योंकि वे परावैद्युत नुकसान के माध्यम से अधिक ऊर्जा बर्बाद नहीं करतीं। लगभग 28 गीगाहर्ट्ज़ की आवृत्तियों पर काम करते समय, नियमित FR-4 बोर्ड्स के बजाय Df मान 0.004 से कम वाले सब्सट्रेट्स के उपयोग से हमें महत्वपूर्ण सुधार देखने को मिलते हैं, जो सम्मिलन हानि में लगभग 22% की कमी करता है। हाइड्रोकार्बन से बनी कुछ उन्नत सिरेमिक सामग्री वास्तव में Df स्तर को 0.0015 तक पहुँचा देती हैं, जो उन्हें रडार अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाती हैं जहाँ संकेत शक्ति का बहुत महत्व होता है। इन प्रणालियों को 77 गीगाहर्ट्ज़ की आवृत्तियों पर प्रति इंच 0.1 डीबी से कम की हानि की आवश्यकता होती है। उच्च आवृत्ति वाले मुद्रित सर्किट बोर्ड डिज़ाइन में अनुशंसित बातों को देखते हुए, Dk और Df दोनों को सख्ती से नियंत्रित रखने से उपग्रह संचार प्रणालियों में शक्ति प्रवर्धक के प्रदर्शन में लगभग 18% की वृद्धि हो सकती है। इस तरह का दक्षता लाभ इन मांग वाले अनुप्रयोगों में समय के साथ वास्तविक लाभ में बदल जाता है।

माइक्रोवेव अनुप्रयोगों के लिए PTFE, रोजर्स और सिरेमिक आधारित सब्सट्रेट्स की तुलना

• पीटीएफई : अत्यंत कम हानि प्रदान करता है (Df=0.002) लेकिन खराब यांत्रिक स्थिरता (CTE=70 ppm/°C) से ग्रस्त होता है, जो असेंबली को जटिल बना देता है।
• सेरामिक-युक्त लैमिनेट्स : PTFE की तुलना में उच्च तापीय चालकता प्रदान करते हैं—0.2 W/mK के विपरीत तक 3 W/mK तक—उच्च-शक्ति RF डिज़ाइन के लिए आदर्श।
• हाइड्रोकार्बन-आधारित सामग्री : संतुलित विद्युत और यांत्रिक गुण प्रदान करते हैं, Dk=3.5±0.05 के साथ और नमी अवशोषण 0.02% से कम।

Rogers 4003-श्रृंखला लैमिनेट्स का उपयोग आमतौर पर ऑटोमोटिव रडार (76–81 GHz) में उनकी असाधारण आयामी स्थिरता (<0.3%) के कारण लैमिनेशन के दौरान किया जाता है, जो सुरक्षा-महत्वपूर्ण प्रणालियों में दीर्घकालिक विश्वसनीयता सुनिश्चित करता है।

संकर PCB स्टैक अप: RF और मानक सामग्री का संयोजन (उदाहरण के लिए, Rogers + FR4)

संकर स्टैक अप उच्च-प्रदर्शन RF सामग्री को लागत प्रभावी डिजिटल परतों के साथ एकीकृत करते हैं, सिग्नल गुणवत्ता को बलिदान किए बिना कुल लागत में 30–40% की कमी लाते हैं। एक आम विन्यास में शामिल है:

1. RF परतें : एंटीना फीड और उच्च-गति इंटरकनेक्ट के लिए Rogers RO4350B की 2–4 परतें (Dk=3.48)
2. डिजिटल लेयर : नियंत्रण सर्किट और बिजली प्रबंधन के लिए FR-4
3. संक्रमण क्षेत्र : रिटर्न पथ को प्रबंधित करने के लिए बर्थ कैपेसिटेंस प्रीप्रेग का उपयोग करके नियंत्रित प्रतिबाधा संक्रमण

यह विधि एयरोस्पेस सिस्टम में 94 गीगाहर्ट्ज़ वेवगाइड इंटरफेस का समर्थन करती है, साथ ही IPC-6018 क्लास 3 विश्वसनीयता मानकों को पूरा करती है।

उच्च-आवृत्ति माइक्रोवेव भागों में तापीय और विद्युत प्रदर्शन

उच्च-आवृत्ति संचालन के तहत माइक्रोवेव सामग्री की तापीय विशेषताएं

उच्च आवृत्तियों पर संचालन करने से बहुत अधिक ऊष्मा उत्पन्न होती है, जिसका अर्थ है कि हमें ऐसी सामग्री की वास्तव में आवश्यकता होती है जो 0.5 W/m·K से बेहतर तापीय चालन कर सके, यदि हम तापीय प्रसार को नियंत्रित करना चाहते हैं और संकेतों के गिरावट से बचना चाहते हैं। सिरेमिक सब्सट्रेट इस मामले में काफी अच्छे होते हैं, जो लगभग 24 W/m·K तक पहुँचते हैं, इसलिए वे उन शक्तिशाली 5G बेस स्टेशनों और उपग्रह संचार उपकरणों में अच्छी तरह से काम करते हैं जहाँ तापमान प्रबंधन महत्वपूर्ण होता है। पिछले साल प्रकाशित एक अध्ययन ने यह देखा कि माइक्रोवेव ऊष्मा कैसे उत्पन्न करते हैं, और जो कुछ भी उन्होंने पाया वह काफी संकेतक था: लगभग 10 GHz से आगे, अधिकांश ऊर्जा परावैद्युत प्रभावों के कारण ऊष्मा के रूप में नष्ट हो जाती है। इससे यह स्पष्ट हो जाता है कि सब्सट्रेट सामग्री में नुकसान स्पर्शरेखा (लॉस टेन्जेंट) इतनी कम क्यों होनी चाहिए, आदर्शतः 0.002 से कम, अन्यथा घटक बहुत अधिक गर्म हो जाते हैं और पहले ही खराब होने लगते हैं।

स्थिर संकेत प्रदर्शन के लिए उच्च आवृत्ति डिज़ाइन में नियंत्रित प्रतिबाधा

28 गीगाहर्ट्ज और उससे आगे संकेतों के परावर्तन से बचने के लिए सटीक प्रतिबाधा (±5% सहिष्णुता) बनाए रखना महत्वपूर्ण है। इसे प्राप्त करने के लिए आवश्यकता होती है:

• तापमान के ऊपर स्थिर Dk के साथ रॉजर्स 4350B जैसी सामग्री का चयन करना
• सूक्ष्म ट्रेस चौड़ाई (0.1 मिमी तक) के लिए एच्स ऑफसेट एल्गोरिदम लागू करना
• लैमिनेट की मोटाई नियंत्रण सुनिश्चित करना (<3% भिन्नता)

ये प्रथाएं उत्पादन चक्र के दौरान न्यूनतम प्रतिबाधा विचलन सुनिश्चित करती हैं, mmWave प्रणालियों में मजबूत संकेत संचरण का समर्थन करती हैं।

वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में परावैद्युत स्थिरांक और संकेत प्रदर्शन

Dk सीधे चरण स्थिरता, प्रसारण देरी और सम्मिलन हानि को प्रभावित करता है। निम्नलिखित तुलना प्रमुख व्यापार-ऑफ़ को दर्शाती है:

एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में, पाइक रिसर्च के 2023 के आंकड़ों के अनुसार, मानक FR4 की तुलना में सिरेमिक युक्त सब्सट्रेट्स थर्मल मिसमैच के कारण होने वाले डिलैमिनेशन को 73% तक कम कर देते हैं।

सटीक माइक्रोवेव भागों के लिए उन्नत विनिर्माण तकनीकें

उच्च-घनत्व वाले माइक्रोवेव PCB के लिए सटीक एचिंग और ड्रिलिंग तकनीकें

15 माइक्रोमीटर से कम विशेषता सहनशीलता तक पहुँचने के लिए वास्तव में कुछ परिष्कृत निर्माण तकनीकों की आवश्यकता होती है। अभी उपलब्ध LDI प्रणालियाँ 25 माइक्रोमीटर से भी कम सटीकता के भीतर संरेखित कर सकती हैं, जिससे हमारे 5G बोर्ड्स और मिलीमीटर वेव अनुप्रयोगों के लिए उन जटिल ट्रेस पैटर्न को संभव बनाया जा सकता है। वायास (viаs) बनाने के मामले में, कंपनियाँ पुरानी यांत्रिक ड्रिलिंग के बजाय अब परिशुद्धता युक्त UV लेजर सेटअप की ओर बढ़ रही हैं। इसका लाभ? डाइलेक्ट्रिक सामग्री को लगभग 40% कम क्षति, जिसका अर्थ है कम सिग्नल परावर्तन और समग्र रूप से कम इन्सर्शन नुकसान। जो सभी लाभ हम देख रहे हैं, वे मूल रूप से उद्योग भर में सूक्ष्म मशीनीकरण तकनीक में निरंतर नवाचार का परिणाम हैं।

मल्टी-लेयर माइक्रोवेव PCBs के लिए लैमिनेशन विधियाँ

मल्टी लेयर माइक्रोवेव पीसीबी के साथ काम करते समय, ऑपरेशन के दौरान उष्मा तनाव को संभालने के लिए निर्माताओं को विशेष लैमिनेशन तकनीकों की आवश्यकता होती है। सर्वोत्तम परिणामों के लिए, कई विनिर्माण इकाइयाँ 5 psi या उससे कम के कम दबाव वाले लैमिनेश का चयन करते हैं, जिसमें क्रमिक बॉन्डिंग चरण शामिल होते हैं। इससे बोर्ड के पार डाइलेक्ट्रिक सामग्री को समान रूप से फैलाने में मदद मिलती है, जो संकर स्टैकअप के साथ काम करते समय बहुत महत्वपूर्ण होता है, जहाँ विभिन्न सामग्री को एक साथ मिलाया जाता है। उद्योग ने पाया है कि 1% से कम रिक्तता वाले प्रीप्रेग का उपयोग कॉपर इन्वर कॉपर कोर के साथ जोड़ने पर बहुत अच्छा काम करता है। ये संयोजन तापीय प्रसार के गुणांक के अंतर को प्रति डिग्री सेल्सियस 2 प्रति मिलियन भाग से कम तक लाते हैं। ऐसा कसा हुआ नियंत्रण उच्च प्रदर्शन वाले एयरोस्पेस घटकों में सिग्नल अखंडता को स्थिर रखने के लिए बहुत महत्वपूर्ण है, जो दिन-प्रतिदिन कठोर परिस्थितियों का सामना करते हैं।

उन्नत विनिर्माण प्रौद्योगिकियाँ उपज और स्थिरता में सुधार कैसे करती हैं

जब नुकसान का पता लगाने के लिए कृत्रिम बुद्धिमत्ता द्वारा संचालित स्वचालित ऑप्टिकल निरीक्षण प्रणालियों का उपयोग किया जाता है, तो निर्माता अपनी स्क्रैप दर में काफी कमी कर सकते हैं, कभी-कभी अपशिष्ट को लगभग 30% तक कम कर सकते हैं। खोदाई और प्लेटिंग जैसी प्रक्रियाओं के दौरान, वास्तविक समय में निगरानी अलग-अलग उत्पादन चक्रों के बीच प्रतिबाधा स्तर को लगभग प्लस या माइनस 2% के भीतर काफी स्थिर रखने में मदद करती है। नवीनतम योगात्मक निर्माण विधियाँ भी चीजों को बदल रही हैं। अब सब्सट्रेट सामग्री पर सीधे आरएफ शील्डिंग संरचनाओं को मुद्रित करना संभव है, जो मैनुअल असेंबली पर निर्भरता को समाप्त करता है। यह दृष्टिकोण न केवल उन झंझट भरी मानव त्रुटियों को खत्म करता है, बल्कि ग्राउंडिंग प्रभावशीलता में भी काफी वृद्धि करता है, जो 40 गीगाहर्ट्ज़ तक की आवृत्तियों पर लगभग 18 डेसीबल के सुधार के साथ होता है। ये सभी तकनीकी उन्नतियाँ माइक्रोवेव घटकों की बड़ी मात्रा में उत्पादन करना संभव बनाती हैं, जबकि पहले पैमाने पर प्राप्त करना मुश्किल थे, ऐसी सख्त प्रदर्शन आवश्यकताओं को पूरा करते हुए।

विश्वसनीय माइक्रोवेव भाग प्रदर्शन के लिए सर्किट डिज़ाइन और सिमुलेशन

उच्च आवृत्तियों पर प्रमुख सर्किट डिज़ाइन विचार

1 से 300 गीगाहर्ट्ज़ के बीच माइक्रोवेव आवृत्तियों के साथ काम करते समय, उन उबाऊ पैरासिटिक प्रभावों को न्यूनतम करने के लिए सही ट्रांसमिशन लाइन ज्यामिति प्राप्त करना वास्तव में महत्वपूर्ण हो जाता है। सब कुछ ठीक से काम करने के लिए प्रतिबाधा लगभग 50 ओम पर बनी रहनी चाहिए। 24 गीगाहर्ट्ज़ की आवृत्तियों पर संचालन के दौरान केवल 5% जैसे छोटे विचलन भी 0.5 डीबी सम्मिलन हानि जैसी समस्याएं पैदा कर सकते हैं। पिछले वर्ष IEEE माइक्रोवेव थ्योरी एंड टेक्निक्स सोसाइटी द्वारा प्रकाशित एक अध्ययन में पाया गया कि असमान ग्राउंडिंग वाले बोर्ड्स वास्तव में सममित ग्राउंडिंग व्यवस्था वाले बोर्ड्स की तुलना में लगभग 18% अधिक संकेतों को वापस प्रतिबिंबित करते हैं। जिन इंजीनियरों ने आरएफ-फर्स्ट दृष्टिकोण का पालन किया, वे संवेदनशील भागों जैसे एम्पलीफायर और फ़िल्टर को बोर्ड के उन क्षेत्रों से दूर रखते हैं जहाँ पास के घटकों से डिजिटल हस्तक्षेप आ सकता है। इससे अवांछित शोर को नाजुक माइक्रोवेव संकेतों को खराब करने से रोकने में मदद मिलती है।

उत्पादन से पहले माइक्रोवेव सर्किट्स का अनुकरण और परीक्षण

ANSYS HFSS और Keysight ADS जैसे उपकरण अब 110 गीगाहर्ट्ज़ तक की आवृत्तियों पर 2% से कम त्रुटि सीमा के भीतर उन जटिल S-पैरामीटर्स की भविष्यवाणी करने में सक्षम हैं। 5G प्रौद्योगिकी के लिए फ़िल्टर विकसित करने के मामले में, वैद्युत चुम्बकीय क्षेत्र सॉल्वर ने प्रोटोटाइप बनाने की आवश्यकता को काफी कम कर दिया है। लेट 2023 की कुछ उद्योग रिपोर्टों में सॉलिड-स्टेट एम्पलीफायर के लिए इन चक्रों में लगभग 40% की कमी का सुझाव दिया गया है। और थर्मल संरचनात्मक विश्लेषण के बारे में भी भूलें नहीं। अकेले तापमान में परिवर्तन हमारी प्रणालियों पर बर्बरता मचा सकता है। हमने ऐसे मामले देखे हैं जहाँ सिरेमिक सामग्री में केवल 15 डिग्री सेल्सियस के उतार-चढ़ाव से सब्सट्रेट निर्माण में उपयोग की जाने वाली अनुनादी आवृत्तियों में लगभग 0.3% का परिवर्तन हो जाता है। यदि इसे नियंत्रित नहीं किया जाता है, तो यह ठीक से प्रणाली कैलिब्रेशन को वास्तव में प्रभावित करता है।

अंतिम असेंबली में प्रतिबाधा परीक्षण और गुणवत्ता नियंत्रण

अंतिम सत्यापन टाइम-डोमेन रिफ्लेक्टोमेट्री (TDR) परीक्षण पर निर्भर करता है, जो सभी माइक्रोवेव ट्रांसमिशन लाइनों में <1% प्रतिबाधा सहिष्णुता सुनिश्चित करता है। IPC-6012E (2023 अद्यतन) के अनुसार, अनुपालन के लिए आवश्यकता होती है:

• 40 गीगाहर्ट्ज़ तक डिफरेंशियल युग्मों में ±3% कला विचलन
• उत्पादन इकाइयों के बीच <0.25 डीबी सम्मिलन हानि भिन्नता

आधुनिक AOI प्रणाली माइक्रोवेव-विशिष्ट दोषों, सहित प्लेटेड थ्रू-होल्स में सूक्ष्म रिक्तताओं का 99.98% का पता लगाती है, जिससे सुनिश्चित होता है कि केवल पूर्णतः अनुपालन इकाइयाँ तैनाती तक पहुँचे।

माइक्रोवेव भागों का विश्वसनीयता परीक्षण और पर्यावरणीय सत्यापन

तापीय चक्रण और आर्द्रता तनाव के तहत विश्वसनीयता परीक्षण

माइक्रोवेव घटकों के मामले में, सेवा में लगाने से पहले उन्हें काफी कठोर परीक्षणों से गुजरना पड़ता है। तनाव के तहत सामग्री के रहने की क्षमता देखने के लिए शून्य से 40 डिग्री सेल्सियस से लेकर धनात्मक 125 डिग्री सेल्सियियस के बीच हजारों बार तापमान परिवर्तन किया जाता है। फिर आर्द्रता परीक्षण आता है, जिसमें वस्तुओं को 85 डिग्री तापमान और 85% सापेक्ष आर्द्रता में सैकड़ों या यहाँ तक कि एक हजार घंटे तक उजागर किया जाता है। इससे PTFE और सिरेमिक संकर सब्सट्रेट्स जैसी जटिल सामग्री में विकृति की समस्याओं का पता चलता है, जिन्हें काम में लेना काफी मुश्किल होता है। पिछले साल प्रकाशित एक हालिया अध्ययन में विभिन्न सामग्रियों की विश्वसनीयता के बारे में देखा गया और उच्च आवृत्ति लैमिनेट्स के बारे में एक दिलचस्प बात सामने आई। इन सामग्रियों में 700 तापीय झटकों के बाद भी ढांकता हुआ स्थिरांक में लगभग 3% का परिवर्तन ही देखा गया, जो वास्तव में IEC 61189-3 मानकों द्वारा आवश्यकता की तुलना में बेहतर है। सामान्य संचालन के दौरान इन घटकों के सामने आने वाली सभी चरम परिस्थितियों को ध्यान में रखते हुए यह काफी प्रभावशाली है।

कठोर वातावरण में दीर्घकालिक सिग्नल अखंडता निगरानी

जब घटकों को ऐसे वातावरण में संचालित करने की आवश्यकता होती है जहाँ संक्षारण या यांत्रिक तनाव चिंता का विषय हो, तो उन्हें MIL-STD-202 विधि 107 परीक्षण प्रोटोकॉल को पूरा करने में सक्षम होना चाहिए। रॉजर्स RO4000 श्रृंखला के सामग्री भी शानदार स्थिरता दर्शाते हैं, और 95% आर्द्रता स्तर के संपर्क में 5,000 घंटे बिताने के बाद भी परावैद्युत स्थिरांक में भिन्नता लगभग 1.5% के भीतर बनाए रखते हैं। इससे ये सब्सट्रेट विशेष रूप से फ़ेज़्ड एरे रडार प्रणालियों और उपग्रह संचार जैसे अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हो जाते हैं, जहाँ विश्वसनीयता सर्वाधिक महत्वपूर्ण होती है। स्थापित पर्यावरणीय मानकों के खिलाफ निरंतर प्रदर्शन की जाँच करके इंजीनियर 40 गीगाहर्ट्ज़ तक की आवृत्तियों पर प्रति इंच 0.15 डीबी के महत्वपूर्ण सीमा से कम सिग्नल हानि बनाए रख सकते हैं। ऐसे परिणाम उन वास्तविक मिशन-आधारित अनुप्रयोगों के लिए IPC-6018 क्लास 3A विनिर्देशों को पूरा करते हैं, जहाँ विफलता की कोई गुंजाइश नहीं होती।