1. परिचय​

ऑप्टिकल मॉड्यूल के लिए थर्मल डिज़ाइन। 800G और 1.6T हाई-स्पीड ऑप्टिकल इंटरकनेक्शन सिस्टम के तीव्र विकास के साथ, 224Gbps PAM4 अगली पीढ़ी के ऑप्टिकल मॉड्यूल, सिलिकॉन फोटोनिक चिप्स और थिन-फिल्म लिथियम नायोबेट मॉड्यूलेटर के लिए मुख्य सिंगल-लेन ट्रांसमिशन मानक बन गया है। पारंपरिक कम-गति वाले डिजिटल सिग्नल, जो केवल राइज़ टाइम और प्रतिबाधा मिलान द्वारा सीमित होते हैं, के विपरीत, 56GHz से ऊपर के अल्ट्रा-हाई-फ़्रीक्वेंसी सिग्नल प्रमुख विद्युत चुम्बकीय तरंग विशेषताओं को प्रदर्शित करते हैं, जिनमें तरंगदैर्ध्य संपीड़न, परावैद्युत-निर्भर प्रसार, अनुनादी हस्तक्षेप और विद्युत चुम्बकीय विकिरण रिसाव शामिल हैं। ये भौतिक प्रभाव मौलिक रूप से आधुनिक हाई-स्पीड पीसीबी और पैकेजिंग सब्सट्रेट के अल्ट्रा-फाइन लाइनविड्थ, अल्ट्रा-नैरो स्पेसिंग और उच्च-सटीकता लेआउट नियमों को निर्धारित करते हैं।

विद्युत डिजाइन अनुकूलन के साथ-साथ, सिग्नल बैंडविड्थ और एकीकरण घनत्व में निरंतर सुधार से डीएसपी चिप्स, ईएमएल लेजर और उच्च गति ड्राइविंग सर्किट की बिजली खपत और ताप प्रवाह घनत्व में भारी वृद्धि होती है। ताप-प्रेरित तरंगदैर्ध्य विचलन, परावैद्युत स्थिरांक में भिन्नता और प्रतिबाधा विचलन उच्च आवृत्ति सिग्नल की अखंडता को गंभीर रूप से प्रभावित करते हैं। इसलिए, हीट सिंक एयर कूलिंग और लिक्विड कोल्ड प्लेट लिक्विड कूलिंग द्वारा प्रस्तुत तापीय प्रबंधन समाधान अब स्वतंत्र ताप अपव्यय डिजाइन नहीं रह गए हैं, बल्कि उच्च आवृत्ति सिग्नल स्थिरता के लिए आवश्यक सह-डिजाइन लिंक बन गए हैं। यह लेख उच्च गति सिग्नल लेआउट स्केलिंग के भौतिक सार को व्यवस्थित रूप से विस्तृत करता है, प्रमुख उच्च आवृत्ति डिजाइन समस्याओं का सारांश प्रस्तुत करता है और विद्युत परिशोधन डिजाइन और पदानुक्रमित तापीय प्रबंधन के बीच सहयोगात्मक तंत्र को स्पष्ट करता है।

2. विद्युतचुंबकीय तरंग की बुनियाद: परावैद्युत पदार्थों में आवृत्ति-प्रधान तरंगदैर्ध्य संपीड़न

सभी उच्च गति वाले विद्युत और प्रकाशीय सिग्नल मूल विद्युत चुम्बकीय प्रसार सूत्र λ = c/f का पालन करते हैं, जहाँ तरंगदैर्घ्य सिग्नल आवृत्ति के व्युत्क्रमानुपाती होता है। जैसे ही सिग्नल दर 224Gbps PAM4 तक बढ़ती है, नाइक्विस्ट मूल आवृत्ति 56GHz तक पहुँच जाती है, और इंजीनियरिंग मार्जिन के लिए वास्तविक परिचालन बैंडविड्थ को 70GHz से आगे बढ़ाने की आवश्यकता होती है। इस प्रकार की अति-उच्च आवृत्ति मुक्त-स्थान तरंगदैर्घ्य को तेजी से कम कर देती है, जबकि पीसीबी, पैकेजिंग सब्सट्रेट और फोटोनिक चिप्स का परावैद्युत माध्यम अपवर्तक सूचकांक मॉड्यूलेशन के माध्यम से प्रसार तरंगदैर्घ्य को और संकुचित कर देता है।

निर्वात संचरण से भिन्न, परावैद्युत पदार्थों में वास्तविक तरंगदैर्घ्य λ_eff = λ₀/√ε_r होता है, जहाँ √ε_r को RF अपवर्तनांक या संपीडन गुणांक के रूप में परिभाषित किया जाता है। उच्च परावैद्युत स्थिरांक अधिक तीव्र तरंगदैर्घ्य संपीडन उत्पन्न करता है, जिससे विद्युत चुम्बकीय तरंग संरचनात्मक आयामी परिवर्तनों के प्रति अधिक संवेदनशील हो जाती है। यही मूल कारण है कि उच्च-आवृत्ति संकेतों के लिए रूटिंग, इलेक्ट्रोड और पैकेजिंग संरचनाओं के आयामी नियंत्रण पर अत्यंत कठोर नियंत्रण की आवश्यकता होती है।

विद्युत चुम्बकीय तरंगों की एक विशिष्ट भौतिक विशेषता 1/4 तरंगदैर्ध्य अनुनादी व्यतिकरण प्रभाव है। VCSEL, DFB और EML जैसे लेजर उपकरण प्रकाशीय संकेतों को प्रवर्धित करने और विकिरण दक्षता बढ़ाने के लिए 1/4 तरंगदैर्ध्य ग्रेटिंग अनुनादी गुहा सुपरपोजिशन का सक्रिय रूप से उपयोग करते हैं। इसके विपरीत, उच्च गति वाले विद्युत मार्ग में 1/4 तरंगदैर्ध्य के आकार के करीब आने से पूरी तरह बचना चाहिए। एक बार जब लाइन स्पेसिंग, लाइन की लंबाई या परावैद्युत मोटाई अनुनादी आयाम के करीब पहुंच जाती है, तो विद्युत चुम्बकीय तरंगें व्यतिकरण करेंगी और बाहर की ओर विकीर्ण होंगी, जिससे गंभीर EMI व्यतिकरण और सिग्नल क्षीणन होगा। मुख्यधारा के ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक पदार्थों के तरंगदैर्ध्य संपीड़न प्रदर्शन को नीचे दी गई तालिका में क्रमबद्ध किया गया है।

3. हाई-स्पीड एंटी-ईएमआई लेआउट सिद्धांत: स्पेसिंग स्केलिंग और इलेक्ट्रोमैग्नेटिक कपलिंग टर्मिनेशन

उच्च गति वाले विद्युत संकेतों का डिज़ाइन तर्क एंटेना और लेज़र उपकरणों के डिज़ाइन तर्क से बिल्कुल विपरीत है। उच्च घनत्व वाले रूटिंग का मुख्य उद्देश्य विद्युत चुम्बकीय विकिरण को दबाना और विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों को संचरण संरचना के भीतर सीमित रखना है ताकि ईएमआई रिसाव से बचा जा सके। अति-लघु तरंगदैर्ध्य की स्थितियों में, किसी भी अनुपयुक्त संरचनात्मक आकार से अनुनाद और विकिरण उत्पन्न हो सकता है, इसलिए उद्योग ने एक एकीकृत डिज़ाइन नियम बनाया है: अनुनाद मार्जिन को समाप्त करने के लिए सभी रूटिंग और इलेक्ट्रोड रिक्ति को संपीड़ित परावैद्युत तरंगदैर्ध्य के 1/12 ~ 1/20 के भीतर नियंत्रित किया जाना चाहिए।

अति सूक्ष्म तरंगदैर्ध्य की आयामी बाधाओं को पूरा करने के लिए, उच्च गति लेआउट में तीन मुख्य मापदंडों को एक साथ कम करना आवश्यक है: सिग्नल लाइन की चौड़ाई, डिफरेंशियल पेयर लाइन स्पेसिंग और सिग्नल लाइनों तथा ग्राउंड एनडी संदर्भ तल के बीच परावैद्युत की मोटाई। परावैद्युत की मोटाई कम करने से उच्च आवृत्ति धारा का वापसी पथ काफी छोटा हो जाता है, सिग्नल लाइन तथा ग्राउंड तल के बीच विद्युत क्षेत्र और चुंबकीय क्षेत्र का युग्मन मजबूत होता है, और आवेश समाप्ति तथा क्षेत्र परिरोधन संभव हो पाता है। माइक्रोस्ट्रिप लाइनों की तुलना में, स्ट्रिपलाइन संरचनाओं में पूर्णतः सममित परावैद्युत परतें, अधिक समान क्षेत्र वितरण और बेहतर विकिरण-रोधी क्षमता होती है, जो 70GHz+ अति उच्च आवृत्ति परिदृश्यों के लिए अधिक उपयुक्त हैं।

112Gbps से 224Gbps PAM4 में अपग्रेड करने से इंजीनियरिंग बैंडविड्थ मार्जिन और लेआउट परिशुद्धता संबंधी आवश्यकताओं में उल्लेखनीय सुधार हुआ है। निम्नलिखित तालिका मुख्यधारा के उच्च-गति सिग्नल दरों के लिए उद्योग-मानक लेआउट रिक्ति विनिर्देशों का सारांश प्रस्तुत करती है।

4. बहुआयामी उच्च-आवृत्ति डिजाइन चुनौतियाँ और व्यवस्थित अनुकूलन समाधान

अत्यंत सूक्ष्म लाइनविड्थ और संकीर्ण स्पेसिंग लेआउट उच्च गति सिग्नल संचरण के लिए बुनियादी हार्डवेयर आवश्यकताएँ हैं। उच्च आवृत्ति और लघु तरंगदैर्ध्य परिचालन स्थितियों में प्रतिबाधा निरंतरता, परावैद्युत एकरूपता, कॉपर फ़ॉइल हानि और परजीवी अनुनाद जैसी कई डिज़ाइन संबंधी चुनौतियाँ उत्पन्न होती हैं। ये कारक सिग्नल परावर्तन, विलंब विषमता, प्रकीर्णन हानि और शोर प्रवर्धन का कारण बनते हैं, जिससे सिस्टम का सिग्नल-टू-शोर अनुपात गंभीर रूप से कम हो जाता है। यह अध्याय इन सभी प्रमुख समस्याओं और लक्षित अनुकूलन योजनाओं का व्यवस्थित रूप से विश्लेषण करता है।