چھوٹے سائز اور سائز کی وجہ سے، بڑھتے ہوئے پہننے کے قابل IoT مارکیٹ کے لیے تقریباً کوئی موجودہ پرنٹ شدہ سرکٹ بورڈ کے معیارات موجود نہیں ہیں۔ ان معیارات کے سامنے آنے سے پہلے، ہمیں بورڈ کی سطح کی ترقی میں سیکھے گئے علم اور مینوفیکچرنگ کے تجربے پر انحصار کرنا پڑتا تھا اور اس بارے میں سوچنا پڑتا تھا کہ انہیں منفرد ابھرتے ہوئے چیلنجز پر کیسے لاگو کیا جائے۔ تین شعبے ایسے ہیں جن پر ہماری خصوصی توجہ کی ضرورت ہے۔ وہ ہیں: سرکٹ بورڈ کی سطح کا مواد، RF/مائیکرو ویو ڈیزائن اور RF ٹرانسمیشن لائنز۔

پی سی بی مواد

"پی سی بی" عام طور پر ٹکڑے ٹکڑے پر مشتمل ہوتا ہے، جو فائبر سے تقویت یافتہ ایپوکسی (FR4)، پولیمائیڈ یا راجرز مواد یا دیگر ٹکڑے ٹکڑے کے مواد سے بنا ہوتا ہے۔ مختلف تہوں کے درمیان موصل مواد کو پری پریگ کہا جاتا ہے۔

پہننے کے قابل آلات کو زیادہ قابل اعتماد کی ضرورت ہوتی ہے، لہذا جب PCB ڈیزائنرز کو FR4 (سب سے زیادہ لاگت والا PCB مینوفیکچرنگ میٹریل) یا زیادہ جدید اور زیادہ مہنگا مواد استعمال کرنے کے انتخاب کا سامنا کرنا پڑتا ہے، تو یہ ایک مسئلہ بن جائے گا۔

اگر پہننے کے قابل پی سی بی ایپلی کیشنز کو تیز رفتار، اعلی تعدد والے مواد کی ضرورت ہوتی ہے، تو FR4 بہترین انتخاب نہیں ہوسکتا ہے۔ FR4 کا ڈائی الیکٹرک کانسٹینٹ (Dk) 4.5 ہے، زیادہ جدید Rogers 4003 سیریز کے مواد کا ڈائی الیکٹرک مستقل 3.55 ہے، اور برادر سیریز Rogers 4350 کا ڈائی الیکٹرک کنسٹنٹ 3.66 ہے۔

لیمینیٹ کے ڈائی الیکٹرک کنسٹنٹ سے مراد لیمینیٹ کے قریب کنڈکٹرز کے جوڑے کے درمیان کیپیسیٹینس یا انرجی کا تناسب اور خلا میں کنڈکٹرز کے جوڑے کے درمیان کیپیسیٹینس یا توانائی کا تناسب ہے۔ اعلی تعدد میں، یہ بہتر ہے کہ ایک چھوٹا سا نقصان ہو. لہذا، 3.66 کے ڈائی الیکٹرک مستقل کے ساتھ راجر 4350 4.5 کے ڈائی الیکٹرک مستقل کے ساتھ FR4 کے مقابلے زیادہ فریکوئنسی ایپلی کیشنز کے لیے زیادہ موزوں ہے۔

عام حالات میں، پہننے کے قابل آلات کے لیے پی سی بی کی تہوں کی تعداد 4 سے 8 تہوں تک ہوتی ہے۔ پرت کی تعمیر کا اصول یہ ہے کہ اگر یہ 8-پرت کا پی سی بی ہے، تو اسے کافی گراؤنڈ اور پاور لیئرز فراہم کرنے اور وائرنگ پرت کو سینڈوچ کرنے کے قابل ہونا چاہیے۔ اس طرح، کراسسٹالک میں لہر کے اثر کو کم سے کم رکھا جا سکتا ہے اور برقی مقناطیسی مداخلت (EMI) کو نمایاں طور پر کم کیا جا سکتا ہے۔

سرکٹ بورڈ لے آؤٹ ڈیزائن کے مرحلے میں، لے آؤٹ پلان عام طور پر پاور ڈسٹری بیوشن پرت کے قریب ایک بڑی گراؤنڈ پرت کو رکھنا ہوتا ہے۔ یہ ایک بہت ہی کم لہر کا اثر بنا سکتا ہے، اور سسٹم شور کو بھی تقریباً صفر تک کم کیا جا سکتا ہے۔ یہ خاص طور پر ریڈیو فریکوئنسی سب سسٹم کے لیے اہم ہے۔

راجرز کے مواد کے مقابلے میں، FR4 میں ڈسپشن فیکٹر (Df) زیادہ ہوتا ہے، خاص طور پر ہائی فریکوئنسی پر۔ اعلی کارکردگی والے FR4 لیمینیٹ کے لیے، Df قدر تقریباً 0.002 ہے، جو کہ عام FR4 سے بہتر طول و عرض کا آرڈر ہے۔ تاہم، راجرز کا اسٹیک صرف 0.001 یا اس سے کم ہے۔ جب FR4 مواد کو ہائی فریکوئنسی ایپلی کیشنز کے لیے استعمال کیا جاتا ہے، تو اندراج کے نقصان میں نمایاں فرق ہوگا۔ FR4، راجرز یا دیگر مواد کا استعمال کرتے وقت اندراج کے نقصان کو پوائنٹ A سے پوائنٹ B تک سگنل کی طاقت کے نقصان کے طور پر بیان کیا جاتا ہے۔

مسائل پیدا کریں

پہننے کے قابل پی سی بی کو سخت مائبادا کنٹرول کی ضرورت ہوتی ہے۔ یہ پہننے کے قابل آلات کے لیے ایک اہم عنصر ہے۔ رکاوٹ ملاپ کلینر سگنل ٹرانسمیشن پیدا کر سکتی ہے۔ اس سے پہلے، سگنل لے جانے والے نشانات کے لیے معیاری رواداری ±10% تھی۔ یہ اشارے واضح طور پر آج کے ہائی فریکوئنسی اور تیز رفتار سرکٹس کے لیے کافی اچھا نہیں ہے۔ موجودہ ضرورت ±7% ہے، اور بعض صورتوں میں ±5% یا اس سے بھی کم۔ یہ پیرامیٹر اور دیگر متغیرات ان پہننے کے قابل PCBs کی تیاری کو خاص طور پر سخت مائبادی کنٹرول کے ساتھ سنجیدگی سے متاثر کریں گے، اس طرح ان کاروباروں کی تعداد کو محدود کر دیں گے جو انہیں تیار کر سکتے ہیں۔

راجرز UHF مواد سے بنے ٹکڑے کی ڈائی الیکٹرک مستقل رواداری کو عام طور پر ±2% پر برقرار رکھا جاتا ہے، اور کچھ مصنوعات ±1% تک بھی پہنچ سکتی ہیں۔ اس کے برعکس، FR4 لیمینیٹ کی ڈائی الیکٹرک مستقل رواداری 10% تک زیادہ ہے۔ لہذا، موازنہ کریں ان دو مواد کو پایا جا سکتا ہے کہ راجرز کے اندراج نقصان خاص طور پر کم ہے. روایتی FR4 مواد کے مقابلے میں، راجرز اسٹیک کے ٹرانسمیشن نقصان اور اندراج کا نقصان نصف کم ہے۔

زیادہ تر معاملات میں، لاگت سب سے اہم ہے۔ تاہم، راجرز قابل قبول قیمت پوائنٹ پر نسبتاً کم نقصان والے ہائی فریکوئنسی لیمینیٹ کارکردگی فراہم کر سکتے ہیں۔ تجارتی ایپلی کیشنز کے لیے، راجرز کو epoxy پر مبنی FR4 کے ساتھ ایک ہائبرڈ PCB بنایا جا سکتا ہے، جن کی کچھ پرتیں Rogers میٹریل استعمال کرتی ہیں، اور دوسری پرتیں FR4 استعمال کرتی ہیں۔

راجرز اسٹیک کا انتخاب کرتے وقت، فریکوئنسی بنیادی خیال ہے۔ جب فریکوئنسی 500MHz سے زیادہ ہو جاتی ہے، تو PCB ڈیزائنرز خاص طور پر RF/microwave سرکٹس کے لیے Rogers میٹریل کا انتخاب کرتے ہیں، کیونکہ جب اوپری نشانات کو رکاوٹ کے ذریعے سختی سے کنٹرول کیا جاتا ہے تو یہ مواد اعلیٰ کارکردگی فراہم کر سکتے ہیں۔

FR4 میٹریل کے مقابلے میں، راجرز میٹریل کم ڈائی الیکٹرک نقصان بھی فراہم کر سکتا ہے، اور اس کا ڈائی الیکٹرک کنسٹنٹ وسیع فریکوئنسی رینج میں مستحکم ہے۔ اس کے علاوہ، راجرز کا مواد اعلی تعدد آپریشن کے لیے مطلوبہ کم اندراج نقصان کی کارکردگی فراہم کر سکتا ہے۔

Rogers 4000 سیریز کے مواد کے تھرمل ایکسپینشن (CTE) کے گتانک میں بہترین جہتی استحکام ہے۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ FR4 کے مقابلے میں، جب پی سی بی سرد، گرم اور بہت گرم ریفلو سولڈرنگ سائیکل سے گزرتا ہے، سرکٹ بورڈ کے تھرمل توسیع اور سکڑاؤ کو زیادہ فریکوئنسی اور زیادہ درجہ حرارت کے چکروں کے تحت ایک مستحکم حد پر برقرار رکھا جا سکتا ہے۔

مخلوط اسٹیکنگ کے معاملے میں، عام مینوفیکچرنگ پراسیس ٹیکنالوجی کو استعمال کرنا آسان ہے تاکہ راجرز اور اعلیٰ کارکردگی والے FR4 کو ایک ساتھ ملایا جا سکے، اس لیے اعلیٰ پیداواری پیداوار حاصل کرنا نسبتاً آسان ہے۔ راجرز اسٹیک کو تیاری کے عمل کے ذریعے خصوصی کی ضرورت نہیں ہے۔

عام FR4 بہت قابل بھروسہ برقی کارکردگی حاصل نہیں کر سکتا، لیکن اعلی کارکردگی والے FR4 مواد میں قابل اعتماد خصوصیات ہیں، جیسے زیادہ Tg، پھر بھی نسبتاً کم قیمت، اور سادہ آڈیو ڈیزائن سے لے کر کمپلیکس مائکروویو ایپلی کیشنز تک ایپلی کیشنز کی ایک وسیع رینج میں استعمال کیا جا سکتا ہے۔ .

RF/مائیکرو ویو ڈیزائن کے تحفظات

پورٹیبل ٹیکنالوجی اور بلوٹوتھ نے پہننے کے قابل آلات میں RF/مائیکرو ویو ایپلی کیشنز کے لیے راہ ہموار کی ہے۔ آج کی فریکوئنسی کی حد زیادہ سے زیادہ متحرک ہوتی جا رہی ہے۔ کچھ سال پہلے، بہت زیادہ فریکوئنسی (VHF) کو 2GHz ~ 3GHz کے طور پر بیان کیا گیا تھا۔ لیکن اب ہم الٹرا ہائی فریکوئنسی (UHF) ایپلی کیشنز کو 10GHz سے لے کر 25GHz تک دیکھ سکتے ہیں۔

اس لیے، پہننے کے قابل پی سی بی کے لیے، آر ایف حصے کو وائرنگ کے مسائل پر زیادہ توجہ دینے کی ضرورت ہے، اور سگنلز کو الگ الگ کیا جانا چاہیے، اور وہ نشانات جو زیادہ فریکوئنسی سگنلز پیدا کرتے ہیں، کو زمین سے دور رکھنا چاہیے۔ دیگر تحفظات میں شامل ہیں: بائی پاس فلٹر فراہم کرنا، مناسب ڈیکپلنگ کیپسیٹرز، گراؤنڈ کرنا، اور ٹرانسمیشن لائن اور ریٹرن لائن کو تقریباً برابر کرنے کے لیے ڈیزائن کرنا۔

بائی پاس فلٹر شور کے مواد اور کراس اسٹالک کے لہر اثر کو دبا سکتا ہے۔ ڈیکپلنگ کیپسیٹرز کو پاور سگنلز والے ڈیوائس پنوں کے قریب رکھنے کی ضرورت ہے۔

تیز رفتار ٹرانسمیشن لائنوں اور سگنل سرکٹس کو پاور لیئر سگنلز کے درمیان گراؤنڈ لیئر لگانے کی ضرورت ہوتی ہے تاکہ شور کے سگنلز سے پیدا ہونے والی گڑبڑ کو ہموار کیا جا سکے۔ زیادہ سگنل کی رفتار پر، چھوٹی رکاوٹ کی مماثلت غیر متوازن ٹرانسمیشن اور سگنلز کے استقبال کا سبب بنتی ہے، جس کے نتیجے میں بگاڑ پیدا ہوتا ہے۔ لہذا، ریڈیو فریکوئنسی سگنل سے متعلق مائبادا مماثلت کے مسئلے پر خصوصی توجہ دی جانی چاہیے، کیونکہ ریڈیو فریکوئنسی سگنل میں تیز رفتار اور ایک خاص رواداری ہوتی ہے۔

RF ٹرانسمیشن لائنوں کو ایک مخصوص IC سبسٹریٹ سے PCB تک RF سگنل منتقل کرنے کے لیے کنٹرول شدہ رکاوٹ کی ضرورت ہوتی ہے۔ ان ٹرانسمیشن لائنوں کو بیرونی پرت، اوپر کی تہہ اور نیچے کی تہہ پر لاگو کیا جا سکتا ہے، یا درمیانی تہہ میں ڈیزائن کیا جا سکتا ہے۔

پی سی بی آر ایف ڈیزائن لے آؤٹ کے دوران استعمال ہونے والے طریقے مائیکرو اسٹریپ لائن، فلوٹنگ سٹرپ لائن، کوپلنر ویو گائیڈ یا گراؤنڈنگ ہیں۔ مائیکرو اسٹریپ لائن دھات یا نشانات کی ایک مقررہ لمبائی پر مشتمل ہوتی ہے اور اس کے نیچے پورے زمینی طیارے یا زمینی طیارے کا کچھ حصہ ہوتا ہے۔ عام مائیکرو اسٹریپ لائن ڈھانچے میں خصوصیت کی رکاوٹ 50Ω سے 75Ω تک ہوتی ہے۔

فلوٹنگ سٹرپ لائن وائرنگ اور شور کو دبانے کا ایک اور طریقہ ہے۔ یہ لائن اندرونی پرت پر مقررہ چوڑائی کی وائرنگ اور مرکز کنڈکٹر کے اوپر اور نیچے ایک بڑے زمینی جہاز پر مشتمل ہے۔ زمینی طیارہ پاور ہوائی جہاز کے درمیان سینڈویچ کیا جاتا ہے، لہذا یہ ایک بہت ہی موثر گراؤنڈ اثر فراہم کر سکتا ہے۔ یہ پہننے کے قابل پی سی بی آر ایف سگنل وائرنگ کے لیے ترجیحی طریقہ ہے۔

Coplanar waveguide RF سرکٹ اور سرکٹ کے قریب بہتر تنہائی فراہم کر سکتا ہے جسے قریب سے روٹ کرنے کی ضرورت ہے۔ یہ میڈیم مرکزی کنڈکٹر اور دونوں طرف یا نیچے زمینی طیاروں پر مشتمل ہوتا ہے۔ ریڈیو فریکوئنسی سگنلز کی ترسیل کا بہترین طریقہ یہ ہے کہ پٹی لائنوں یا کوپلنر ویو گائیڈز کو معطل کیا جائے۔ یہ دونوں طریقے سگنل اور آر ایف ٹریس کے درمیان بہتر تنہائی فراہم کر سکتے ہیں۔

coplanar waveguide کے دونوں طرف نام نہاد "بذریعہ باڑ" استعمال کرنے کی سفارش کی جاتی ہے۔ یہ طریقہ سینٹر کنڈکٹر کے ہر دھاتی گراؤنڈ ہوائی جہاز پر زمینی ویاس کی ایک قطار فراہم کر سکتا ہے۔ درمیان میں چلنے والے مرکزی نشان کی ہر طرف باڑ لگی ہوئی ہے، اس طرح نیچے زمین پر کرنٹ کی واپسی کے لیے شارٹ کٹ فراہم کرتا ہے۔ یہ طریقہ RF سگنل کے ہائی ریپل اثر سے وابستہ شور کی سطح کو کم کر سکتا ہے۔ 4.5 کا ڈائی الیکٹرک کنسٹنٹ پری پریگ کے FR4 میٹریل جیسا ہی رہتا ہے، جبکہ پری پریگ کا ڈائی الیکٹرک کنسٹنٹ — مائیکرو اسٹریپ، سٹرپ لائن یا آفسیٹ سٹرپ لائن سے تقریباً 3.8 سے 3.9 ہے۔

کچھ آلات میں جو گراؤنڈ ہوائی جہاز کا استعمال کرتے ہیں، بلائنڈ ویاس کا استعمال پاور کیپسیٹر کی ڈیکپلنگ کارکردگی کو بہتر بنانے اور ڈیوائس سے زمین تک شنٹ پاتھ فراہم کرنے کے لیے کیا جا سکتا ہے۔ زمین کی طرف شنٹ کا راستہ راستے کی لمبائی کو کم کر سکتا ہے۔ اس سے دو مقاصد حاصل ہو سکتے ہیں: آپ نہ صرف شنٹ یا گراؤنڈ بناتے ہیں، بلکہ چھوٹے علاقوں والے آلات کی ترسیل کا فاصلہ بھی کم کرتے ہیں، جو کہ RF ڈیزائن کا ایک اہم عنصر ہے۔