【導讀】對于使用剛柔結合 PCB 的系統，確保功能性、安全性和有效性是重中之重，尤其是用于先進(jìn)醫療植入物、高精度關(guān)鍵軍事設備以及類(lèi)似受監管機密設備的系統。為此，一定要對它們進(jìn)行全面詳盡的仿真。Footprint 尺寸較小的系統必須具有很高的封裝密度，才能容得下各種器件。
對于使用剛柔結合 PCB 的系統，確保功能性、安全性和有效性是重中之重，尤其是用于先進(jìn)醫療植入物、高精度關(guān)鍵軍事設備以及類(lèi)似受監管機密設備的系統。為此，一定要對它們進(jìn)行全面詳盡的仿真。Footprint 尺寸較小的系統必須具有很高的封裝密度，才能容得下各種器件。
隨著(zhù)器件密度增加，電磁 (EM) 問(wèn)題日益突出，降低了電氣性能。3D 設計的復雜性使剛柔結合 PCB 的電磁分析成為一種挑戰。剛柔結合電路可以彎曲的這一點(diǎn)，使設計人員能夠以較低的成本實(shí)現多個(gè)空間利用率極高的堆疊設計，因此大受歡迎。對于大多數傳統的仿真技術(shù)來(lái)說(shuō)，此類(lèi)電磁仿真極具挑戰性，甚至是不可能實(shí)現的。3D 結構要求仿真器能夠應對復雜設計、大型系統和多種技術(shù)，以盡量減少風(fēng)險并確保設計成功。
憑借獨特的輪廓、高速互連、輕質(zhì)且高度可靠的柔性層壓板，剛柔結合 PCB 廣泛適用于各種電子設備，從可穿戴設備到移動(dòng)電話(huà)、軍事和醫療設備。微型電子產(chǎn)品行業(yè)正在迅速發(fā)展，市場(chǎng)前景廣闊，這也是剛柔結合 PCB 最主要的應用領(lǐng)域。隨著(zhù)需求增長(cháng)和消費電子市場(chǎng)不斷發(fā)展壯大，預計未來(lái)幾年剛柔結合 PCB 的市場(chǎng)需求將出現飆升。全球剛柔結合 PCB 市場(chǎng)預計將在 2028 年達到 580 萬(wàn)美元。
導致重新設計 (respin) 的原因數不勝數。調查顯示，每次重新設計的成本約為 2500 萬(wàn)美元，根據芯片的復雜程度不同，成本會(huì )有很大差異。例如 IC 封裝，如今的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到十分復雜的水平。容易出差錯的地方可能是電氣、制造良率、封裝組裝、EMI/EMC 等等。在整個(gè)封裝中傳輸的高速數據量激增，因而導致電磁輻射，產(chǎn)生輻射性和傳導性干擾。傳輸線(xiàn)結構和工作頻率也會(huì )影響產(chǎn)品性能。當復雜的異構設計成為主流，在質(zhì)量與容量之間取得平衡就變得尤其關(guān)鍵。對于芯片制造商來(lái)說(shuō)，對復雜的設計進(jìn)行仿真以分析系統在現實(shí)世界中的表現，這項工作極為繁重，但又必不可少。
剛柔結合板 PCB 彎曲的挑戰
微型、手持和可穿戴設備需要把各種器件組裝到緊湊的外殼中，這需要輕巧靈活的剛柔結合設計。彎曲電路板，并導入彎曲電路板文件以進(jìn)行 3D 電磁仿真，這項工作遠非說(shuō)起來(lái)那么容易。剛柔結合環(huán)境使用獨特的材料，在整個(gè)設計中具有不同的厚度、靈活性、表面處理方式和防護材料。還需要滿(mǎn)足特定的彎曲標準，必須定義彎曲標準、彎曲定義和位置等，以及彎曲的預期干擾等限制。
隨著(zhù)剛性和柔性技術(shù)相結合，也催生了新的驗證挑戰。柔性電路的薄層暴露了頂層和底層的布線(xiàn)。由于屏蔽較少，通過(guò)這些層傳輸的高頻信號會(huì )產(chǎn)生 EMI 輻射，導致彎曲區域的近場(chǎng)和遠場(chǎng)泄漏增加。復雜精細的 3D 設計使仿真變得更加復雜，因為要將電路板彎曲到很小的體積，定義材料屬性，創(chuàng )建端口，并使用有陰影線(xiàn)的接地平面和電源平面，這對傳統的 FEM 和 FDTD 3D 數值求解器技術(shù)來(lái)說(shuō)是一項挑戰。傳統的工具涉及繁瑣的手動(dòng)過(guò)程。彎曲容易導致過(guò)孔和層錯位錯誤；材料屬性、器件和網(wǎng)絡(luò )定義在 CAD 轉換中會(huì )丟失。此外，混亂的幾何形狀為彎曲結構的網(wǎng)格化增加了難度?；旌闲蛣?dòng)態(tài) 3D 電路板需要一種不會(huì )導致錯誤的彎曲方法。借助支持工具互操作性的工作流程，設計人員能夠使用 3D 有限元法 (FEM) 分析來(lái)準確驗證剛柔結合走線(xiàn)，從而加快產(chǎn)品上市。
2. 利用 Cadence 技術(shù)設計柔性電路板
預處理費時(shí)費力，需要幾個(gè)小時(shí)到幾天的時(shí)間，并且仿真成功率低，而兩步流程在幾分鐘內即可完成，仿真成功率達到 99%。這就是 Cadence 提供的優(yōu)勢：一個(gè)全新的工作流程，有助于應對剛柔結合 PCB 的挑戰。為了應對當下的設計復雜性和挑戰，EM 工程師需要使用創(chuàng )新技術(shù)進(jìn)行 3D EM 建模。Cadence 新的創(chuàng )新工作流程與 IC、封裝、PCB 和系統工具無(wú)縫銜接，有助于縮短設計周期，提高整體生產(chǎn)力。復雜精細的傳統工作流程容易導致人為錯誤和 CAD 轉換失誤。
Clarity 3D Solver 將復雜的剛柔結合設計工作流程簡(jiǎn)化為只需兩步的設計過(guò)程。Cadence PCB 設計工具 Allegro PCB Editor 可以在數據庫中捕捉到已經(jīng)定義的彎曲信息，不需要任何人工操作，避免了轉換 CAD 和修復相關(guān)問(wèn)題耗費的時(shí)間和精力。無(wú)需進(jìn)行中間轉換，就可以將電路板導入 Clarity 3D Solver，并轉換整個(gè)數據庫，包括彎曲的 3D 幾何形狀、材料屬性、器件和網(wǎng)絡(luò )定義。無(wú)需使用機械工具來(lái)管理幾何信息，所以很容易對彎曲角度進(jìn)行網(wǎng)格和參數化處理。Clarity 3D Solver可以運行仿真，查看 S 參數、近場(chǎng)和網(wǎng)格結果；同時(shí)不需要回到 PCB 編輯器，就可以對彎曲進(jìn)行任意調整。
兩步流程
對于現代微型電子系統來(lái)說(shuō)，剛柔結合 PCB 提供的緊湊封裝必不可少。在時(shí)間和成本優(yōu)化方面，與器件密度極高的芯片相比，剛柔結合 PCB 電路板具有極大的優(yōu)勢。但它們需要特殊的材料以及額外的分層設計，因此，重新設計的代價(jià)十分高昂。此外，醫療、軍事設備以及其他使用剛柔結合 PCB 的受監管機密設備對故障是零容忍的，因此確保它們的功能性和安全性是重中之重。剛柔結合 PCB 的彎曲部分會(huì )加劇輻射泄露，因此進(jìn)行 EM 分析非常重要。
Cadence Clarity 3D Solver 解決方案與 Allegro PCB Designer 集成，提供了一個(gè)兩步流程，不僅不易出錯，還極大地減少了進(jìn)行剛柔結合 PCB 彎曲 EM 分析所需的時(shí)間和工作量。
如欲了解創(chuàng )新的兩步流程，歡迎點(diǎn)擊下載白皮書(shū)《如何提高剛柔結合PCB的電磁分析效率》，通過(guò)測試案例，深入探究這一自動(dòng)化的仿真工作流程，實(shí)現快速上市的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程。
(來(lái)源： Cadence楷登PCB及封裝資源中心)
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