प्रिंटेड सर्किट बोर्ड (PCB) के मूल तत्व: इलेक्ट्रॉनिक्स और सर्किट डिज़ाइन

परिचय

स्मार्टफोन, घड़ियाँ, टेलीविजन और अन्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरण हमारे दैनिक जीवन में सर्वव्यापी हैं और अनगिनत सुविधाएँ लाते हैं। इनका उदय मुद्रित सर्किट बोर्ड (PCB) के आविष्कार से अविभाज्य है। मुद्रित सर्किट बोर्ड इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के मिनिएचरीकरण को सक्षम करते हैं और उच्च प्रदर्शन वाले सर्किट की निर्माण लागत को भी कम करते हैं। इस लेख में, मैं यह विस्तार से बताऊंगा कि PCB क्या हैं, उनके प्रकार और डिज़ाइन क्या हैं, और आधुनिक प्रौद्योगिकी के विकास में उनका क्या महत्व है।

PCB क्या है?

पीसीबी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के मुख्य घटकों में से एक है। यह कई महत्वपूर्ण भागों से मिलकर बना होता है, जिनमें से प्रत्येक का एक विशिष्ट कार्य होता है। पीसीबी का उपयोग इलेक्ट्रॉनिक घटकों को जोड़ने और समर्थन प्रदान करने के लिए किया जाता है तथा विद्युत और यांत्रिक सहायता प्रदान करता है। पीसीबी चांदी की चादरों से उत्कीर्णित चालक मार्गों, पथ या सिग्नल ट्रेस का उपयोग करते हैं, जो एक गैर-चालक आधार पर लेमिनेटेड होते हैं जो बिजली का संचालन नहीं करता। फिर बोर्ड पर इलेक्ट्रॉनिक घटक जोड़े जाते हैं और इसकी सतह पर उत्कीर्णन किए जाते हैं, जो धातु के माध्यम से धारा को एक घटक से दूसरे घटक तक प्रवाहित होने देते हैं।

पीसीबी के मूल तत्व

• बेस बोर्ड: एक बेस बोर्ड, जिसे अनपॉपुलेटेड पीसीबी के रूप में भी जाना जाता है, एक मुद्रित सर्किट बोर्ड है जिस पर कोई इलेक्ट्रॉनिक घटक नहीं होते और जो कोई विद्युत कार्य नहीं कर सकता।
• सिंगल-साइडेड पीसीबी: सिंगल-साइडेड पीसीबी का अर्थ है कि घटक और सर्किट ट्रेस बोर्ड के केवल एक तरफ स्थित होते हैं। यह प्रकार का पीसीबी सरल और सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला पीसीबी है क्योंकि इन पीसीबी को डिजाइन और निर्माण करना आसान होता है।
• डबल-साइडेड पीसीबी: विशेषताएँ कॉपर ट्रेस आधार पदार्थ के दोनों ओर लेमिनेट होते हैं, जो अधिक जटिल सर्किट डिज़ाइन का समर्थन करते हैं और परतों के बीच कनेक्शन स्थापित करने के लिए वायास (प्लेटेड थ्रू-होल) का उपयोग करते हैं। एकल-पक्षीय बोर्ड की तुलना में, यह अधिक परिष्कृत सर्किट को समायोजित कर सकता है जबकि उत्कृष्ट लागत प्रभावशीलता बनाए रखता है।
• बहुल परत PCB: मल्टीलेयर PCB का अर्थ है कि, इस प्रकार के PCB में कम से कम तीन कॉपर की चालक परतें होती हैं। इसे मुख्य रूप से इंसुलेटिंग प्रीप्रेग सामग्री के साथ कई PCB परतों को लेमिनेट और बॉन्ड करके प्राप्त किया जाता है, जिससे उच्च सर्किट घनत्व प्राप्त होता है और कंप्यूटर, सर्वर और दूरसंचार उपकरणों के लिए उन्नत सर्किट बोर्ड के उत्पादन की सुविधा मिलती है।

PCB के रूप में कार्य करता है

• प्रत्येक सर्किट डिज़ाइन के लिए pcb का आधार।
• घटकों को माउंट करने और सिग्नल को रूट करने के लिए एक मानचित्र।
• जटिल इलेक्ट्रॉनिक उपकरण संचालन को लागू करने का एक मंच।

सर्किट बोर्ड और PCB परतों के प्रकार

इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में प्रवेश करने वाले इंजीनियरों, डिजाइनरों और छात्रों के लिए सर्किट बोर्ड के विभिन्न प्रकारों को समझना आवश्यक है।

सामान्य प्रकार और संरचनाएँ

पीसीबी डिज़ाइन में सामग्री और संरचना

पीसीबी की परत व्यवस्था और सामग्री का चयन सीधे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की विश्वसनीयता, प्रदर्शन और उत्पादन लागत निर्धारित करता है।

आवश्यक सामग्री

• तांबा परत: यह एक PCB की चालक मुख्य रीढ़ होती है, जो आमतौर पर तांबे की पन्नी से बनी होती है, और सर्किट बोर्ड पर संकेत संचरण मार्ग बनाती है।
• निरोधक सामग्री: सामान्य सब्सट्रेट सामग्री में FR-4 (फाइबरग्लास एपॉक्सी) मानक बोर्ड के लिए, लचीले सर्किट के लिए पॉलिइमाइड और उच्च-स्तरीय सैन्य/चिकित्सा उपकरणों के लिए सिरेमिक सब्सट्रेट शामिल हैं।
• सोल्डर मास्क: रंगीन कोटिंग (आमतौर पर हरी) जो तांबे की पन्नी को ढकती है, तांबे की सुरक्षा करती है और PCB की सतह को परिभाषित करती है।
• सिल्कस्क्रीन: PCB सतह पर पहचानकर्ता और मार्गदर्शन छापे जाते हैं जो घटक स्थापना और प्रणाली निदान में सुविधा प्रदान करते हैं।

पीसीबी लेयर और बोर्ड लेआउट

• PCB की परत: PCB की परत को सिग्नल, बिजली या अर्थिंग आवश्यकताओं के लिए कॉन्फ़िगर किया जा सकता है। डिज़ाइन नियम और स्टैक-अप सीधे सिग्नल गति, क्रॉसटॉक और EMI प्रबंधन को प्रभावित करते हैं।
• PCB ट्रेस: सर्किट पैटर्न तांबे के पतले और सटीक पथ द्वारा परिभाषित होता है। उनकी चौड़ाई और दूरी वर्तमान क्षमता और सिग्नल व्यवहार में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।
• वाया: पीसीबी के परतों को जोड़ने वाले प्लेटेड छिद्र जो डबल-साइडेड और मल्टीलेयर बोर्ड में महत्वपूर्ण कार्य करते हैं।

सरलीकृत तुलना

पीसीबी कैसे बनाई जाती है और डिज़ाइन प्रक्रिया

पीसीबी डिज़ाइन उपकरण और चरण

अवधारणा एवं अनुसूची

परिपथ को परिभाषित करें और घटकों का चयन करें। अल्टियम, ईगल और किकैड जैसे पीसीबी डिज़ाइन उपकरण कंप्यूटर-सहायता डिज़ाइन क्षमताएं प्रदान करते हैं जो सटीक और त्रुटि-मुक्त लेआउट सुनिश्चित करते हैं।

लेआउट एवं रूटिंग

अनुसूची को पीसीबी लेआउट में परिवर्तित करें, घटकों की व्यवस्था करें और संपर्क ट्रेस खींचें। महत्वपूर्ण संकेतों के लिए ट्रेस लंबाई को न्यूनतम करना मुख्य बिंदु है।

डिज़ाइन समीक्षा एवं अनुकरण

उत्पादन जोखिम को कम करने के लिए डिज़ाइन नियम जाँच (DRC) का संचालन करें; सुनिश्चित करने के लिए संकेत प्रवाह का अनुकरण करें कि क्रॉसटॉक या प्रदर्शन हानि न हो।

गर्बर फ़ाइल उत्पादन

पीसीबी उत्पादन के लिए डिज़ाइन को उद्योग-मानक फ़ाइलों में परिवर्तित करें।

निर्माण

पीसीबी को तांबे और निरोधक सामग्री की परतों, सर्किट की इमेजिंग, अम्लांकन, वायास ड्रिलिंग, सोल्डर मास्क लगाने और फिर सिल्कस्क्रीन के द्वारा बनाया जाता है।

विधानसभा

घटकों को (SMT सतह-माउंट के लिए या THT थ्रू-होल के लिए) पीसीबी पर माउंट किया जाता है और सोल्डर किया जाता है।

अंतिम बोर्ड्स का निरीक्षण, परीक्षण किया जाता है और शिप किया जाता है।

पीसीबी पर घटक और सर्किट कैसे काम करते हैं

मुद्रित सर्किट बोर्ड (PCBs) स्वतंत्र रूप से कार्य नहीं कर सकते, इसलिए प्रत्येक PCB विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक घटकों से मिलकर बना होता है, जिसमें प्रतिरोधकों और संधारित्रों जैसी मूल निष्क्रिय उपकरणों के साथ-साथ एकीकृत सर्किट, रिले, सेंसर और कनेक्टर जैसे जटिल घटक भी शामिल होते हैं। इन घटकों की व्यवस्था अत्यधिक लचीली होती है और डिज़ाइन आवश्यकताओं के अनुसार व्यवस्थित की जा सकती है। इन्हें बोर्ड की ऊपरी या निचली परतों पर अलग-अलग वितरित किया जा सकता है, या दोहरी-पक्षीय या बहु-परतीय बोर्ड संरचना में दोनों तरफ सहयोगपूर्वक असेंबल किया जा सकता है, जिससे एक पूर्णतः कार्यात्मक सर्किट प्रणाली का निर्माण होता है।

• ट्रेस और वायास: संकेतों को संक्षिप्त और सुरक्षित तरीके से बोर्ड के "पार" और परतों के बीच जाने की अनुमति देते हैं।
• आईसी: तार्किक संक्रियाएँ, डेटा भंडारण और सिग्नल प्रोसेसिंग करते हैं—आधुनिक स्मार्ट इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आधार।
• निष्क्रिय तत्व: फ़िल्टरिंग, समय निर्धारण और बिजली प्रबंधन प्रदान करते हैं।
• सक्रिय घटक: स्विचिंग, प्रवर्धन या डेटा प्रोसेसिंग को नियंत्रित करते हैं।

सर्किट बोर्ड कैसे काम करते हैं:

• पीसीबी डिज़ाइन द्वारा परिभाषित सर्किट पैटर्न को सक्रिय करने के लिए एक स्रोत से तांबे के ट्रेस के माध्यम से प्रत्येक घटक तक बिजली का प्रवाह होता है।
• जटिल सर्किट डिज़ाइन में स्पष्ट संचालन सुनिश्चित करने के लिए सिग्नल मार्गों को ग्राउंड और पावर परतों द्वारा ढका या अलग किया जाता है।

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स में अनुप्रयोग और लाभ

लगभग हर क्षेत्र में बोर्ड का उपयोग किया जाता है:

• उपभोक्ता उपकरण: फोन, लैपटॉप, स्मार्टवॉच और पहनने योग्य उपकरणों में सिंगल-साइडेड, डबल-साइडेड और उच्च-घनत्व वाले मल्टीलेयर बोर्ड का उपयोग किया जाता है।
• औद्योगिक इलेक्ट्रॉनिक्स: रोबोटिक्स, नियंत्रण मॉड्यूल, सेंसर और बिजली की आपूर्ति, विशेष रूप से गतिशील जोड़ों के लिए मजबूत रिजिड पीसीबी डिज़ाइन और कभी-कभी फ्लेक्स सर्किट की आवश्यकता होती है।
• चिकित्सा उपकरण: नैदानिक मशीनों और पोर्टेबल मॉनिटर में अक्सर उच्च विश्वसनीयता वाले मल्टीलेयर, रिजिड-फ्लेक्स या एचडीआई पीसीबी की आवश्यकता होती है।
• ऑटोमोटिव एवं एयरोस्पेस: कंपन, कठोर तापमान और उच्च विद्युत भार को सहने के लिए फ्लेक्सिबल, मल्टीलेयर या मेटल-कोर पीसीबी का उपयोग किया जाता है।

प्रमुख लाभ

• कॉम्पैक्ट डिज़ाइन के लिए उच्चतर सर्किट घनत्व प्राप्त करें।
• स्वचालित पीसीबी उत्पादन और असेंबली के माध्यम से लागत कम करें।
• मॉड्यूलर मरम्मत और अपग्रेड के साथ दोषपूर्ण बोर्ड को आसानी से बदलें।
• तांबे की परतों की सुरक्षा करें और सर्किट के उपयोग को बनाए रखें।
• आधुनिक आवश्यकताओं के लिए जटिल, विश्वसनीय और तेज़ सर्किट डिज़ाइन को सुविधाजनक बनाएं।

पीसीबी उद्योग में भविष्य के रुझान और सुझाव

जैसे-जैसे तकनीक आगे बढ़ रही है, पीसीबी उद्योग भी विकसित होता जा रहा है। यहाँ वे बातें हैं जो मुद्रित सर्किट बोर्ड के विकास और अनुप्रयोग के अगले युग को आकार दे रही हैं:

उच्च घनत्व और लघुकरण की ओर प्रगति

• एचडीआई डिज़ाइन: उच्चतर सर्किट घनत्व की बढ़ती मांग उच्च-घनत्व इंटरकनेक्ट (HDI) पीसीबी के व्यापक दिशा में अपनाए जाने को बढ़ावा दे रही है। ये स्मार्टफोन, टैबलेट और उन्नत वियरेबल्स में अभिन्न हैं, जिनमें सूक्ष्म वाया (माइक्रोवाया) और अति-सूक्ष्म ट्रेस होते हैं जो कम स्थान में अधिक कनेक्शन फिट करने में सक्षम बनाते हैं।
• लचीला सब्सट्रेट और फ्लेक्स पीसीबी नवाचार: लचीले सर्किट की लोकप्रियता का अर्थ है कि अब अधिक डिज़ाइनों को फ्लेक्स पीसीबी या रिजिड-फ्लेक्स समाधानों की आवश्यकता होती है, जो इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को मोड़ने, मोड़कर रखने और इससे पहले असंभव आकार में फिट करने की अनुमति देते हैं—विशेष रूप से मेडिकल इम्प्लांट, फोल्डेबल फोन और ऑटोमोटिव सेंसर के लिए महत्वपूर्ण।

उन्नत सामग्री और पर्यावरण पर ध्यान केंद्रित

• नए इन्सुलेटिंग सामग्री और बोर्ड सब्सट्रेट लगातार उभर रहे हैं, जिनका उद्देश्य कम ट्रांसमिशन नुकसान, बेहतर थर्मल प्रबंधन दक्षता और अधिक पर्यावरण-अनुकूल विनिर्माण प्रक्रियाओं को प्राप्त करना है।
• ग्लोबल स्थिरता मानकों को पूरा करने के लिए लीड-मुक्त सोल्डरिंग, हैलोजन-मुक्त लैमिनेट्स और रीसाइकिल पीसीबी उत्पादन को बढ़ावा दिया जा रहा है।

स्मार्टर पीसीबी डिज़ाइन और परीक्षण

• कंप्यूटर-सहायता प्राप्त डिज़ाइन उपकरण: ये भौतिक बोर्ड बनाए जाने से पहले त्वरित प्रोटोटाइपिंग, त्रुटि भविष्यवाणी और सिमुलेशन को सक्षम करते हैं, जिससे महंगी पुनर्कार्य की आवश्यकता कम होती है और जटिल सर्किट बोर्ड के लिए भी डिज़ाइन चक्र काफी कम हो जाते हैं।
• डिज़ाइन समीक्षा और परीक्षण: डिजिटल ट्विन और सर्किट सिमुलेशन तकनीक वास्तविक दुनिया के सर्किट व्यवहार को सटीक रूप से प्रतिपादित कर सकती है, डिज़ाइन चरण में ही संभावित दोषों की पहचान कर सकती है।
• स्वचालित ऑप्टिकल निरीक्षण (AOI): जबकि पीसीबी का उत्पादन के बाद परीक्षण किया जाता है, एआई-संचालित AOI और विद्युत परीक्षण सूक्ष्म दोषों को पकड़ते हैं, जिससे मिशन-महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए उत्पादन उपज और विश्वसनीयता सुनिश्चित होती है।

निष्कर्ष

सारांश में, पीसीबी सभी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की अदृश्य कंकाल की तरह होता है। हम अपने दैनिक जीवन में इसे अक्सर नहीं देखते, लेकिन यह हमारे उपयोग करने वाले हर उत्पाद के भीतर छिपा होता है। यह केवल इलेक्ट्रॉनिक घटकों को जोड़ने और सुरक्षित करने तक सीमित नहीं है। अपने विविध प्रकारों और सटीक डिज़ाइनों के साथ, यह विभिन्न परिदृश्यों की आवश्यकताओं के अनुरूप ढल जाता है, जिससे स्मार्ट जीवन की संभावनाएं वास्तविकता बन जाती हैं।