PCB軟件與3D軟硬結(jié)合的技術解析

這是一個日新月異的時代。除了創(chuàng)造力和設計能力外，當今的設計人員還面臨著諸多限制，他們需要面對越來越多、日益復雜的設計——一系列通過IO連接的外圍設備。而且，如今的設計越來越追求產(chǎn)品的小型化、低成本和高速度，這些需求尤其體現(xiàn)在移動設備市場。近年來，大量高性能、多功能設備層出不窮，市場發(fā)展尤為迅猛，令精明的消費者目不暇接。將這些產(chǎn)品推向電子設計市場需要緊密的設計流程，這通常會涉及到高密度的電子電路，同時還要考慮降低制造時間和成本。

幫助設計師和設計團隊迎接這些挑戰(zhàn)的一個解決方案就是采用軟硬結(jié)合設計技術，即印刷電路板 (PCB)的軟硬結(jié)合設計。雖然這并不是最新的技術，多方的綜合因素表明，該項技術具有普適性，而且能降低成本。從傳統(tǒng)的由電纜連接的剛性PCB，發(fā)展至如今的軟硬結(jié)合板技術，從成本方面考慮，兩塊硬板與軟性電纜相互連接對于短期設計來說是可行的;但是，這需要在每塊板上都安裝連接器，而連接器需要裝配到電路板和電纜——所有這些都會增加成本。此外，電纜連接的剛性PCB容易發(fā)生電氣虛焊現(xiàn)象，這會導致故障的發(fā)生。相比之下，軟硬結(jié)合電路可以消除這些虛焊點，使它們更加可靠，并提供更高的整體產(chǎn)品質(zhì)量。

讓我們仔細查看其總成本，圖1比較了采用傳統(tǒng)電纜連接和3D軟硬結(jié)合設計的剛性PCB的仿真制造成本。傳統(tǒng)設計由使用了柔性電纜和連接器的剛性板組成，而軟硬結(jié)合設計嵌在軟硬板上，中間有兩層內(nèi)置軟層，整體結(jié)構(gòu)是一組四層的印刷電路板。兩種設計的制造成本都基于PCB制造商的報價，包括裝配成本。此外，還需要加上傳統(tǒng)設計因素中兩個單獨的四層電路板、連接器和電纜的成本。

圖1：軟硬結(jié)合設計和電纜連接的剛性PCB組裝成本比較

由圖中可以看出，當制造數(shù)目多于100套時，相比傳統(tǒng)設計方案，軟硬結(jié)合設計會更加省時增效。主要因為，軟硬結(jié)合電路不包含任何連接器組件/電纜，不需要連接器裝配。不但如此，它們性能可靠、工藝精良。而這只是冰山一角。

有了軟硬結(jié)合技術，設計師在單個封裝內(nèi)，無需用連接器、電線和電纜互連多個PCB.因為軟硬結(jié)合板不需要電纜組裝，這樣就降低了總體組裝消耗以及測試復雜度，這兩者都有助于降低成本。此外，需要購買的組件也少了，這就減少了物料清單，從而降低了供應鏈風險及成本。軟硬結(jié)合板使產(chǎn)品的維護更加方便，在整個產(chǎn)品生命周期中更節(jié)省成本。

制造、組裝、測試、物流成本，對任何采用軟硬結(jié)合設計技術的項目、設計和成本控制而言都是不容忽視的因素。軟硬結(jié)合設計往往需要機械團隊來協(xié)助柔性設計和最終產(chǎn)品的PCB集成。這一過程非常耗時，成本高昂，而且容易出錯。

更糟糕的是，PCB設計工具往往忽略了軟硬結(jié)合設計的折疊和裝配問題。軟硬結(jié)合設計要求設計師以3D思維去思考、去工作。柔性部分可以折疊、扭曲、卷起，來滿足機械設計要求。但傳統(tǒng)的PCB設計工具不支持3D電路板設計或剛性設計部分的彎曲和褶皺仿真，甚至還不支持不同層棧設計部分的定義，包括柔性設計部分。

正因為如此，軟硬結(jié)合設計師被迫手動將3D設計的剛、柔性部分轉(zhuǎn)換成平面、2D的制作格式。之后，設計師還需要手動記錄軟性設計區(qū)域，并仔細復查確保沒有元件或過孔放置在剛性和柔性之間的區(qū)域。這個過程還受許多其他規(guī)則的牽制，而這些規(guī)則中的絕大部分，PCB設計軟件并不支持。

一般情況下，與處于競爭弱勢的、使用傳統(tǒng)PCB軟件設計的標準剛性PCB相比，設計軟硬結(jié)合 PCB需要更多努力。幸運的是，擁有先進3D功能的現(xiàn)代設計工具，能夠支持柔性設計部分的彎曲定義和仿真，同時支持不同設計部分、不同板層堆棧的定義。這些工具在很大程度上消除了處理柔性部分時對機械CAD工具的依賴，節(jié)省了設計師和設計團隊的時間和金錢。

通過使用現(xiàn)代PCB設計工具，開發(fā)商和電路板生產(chǎn)商及時協(xié)調(diào)，促進了軟硬結(jié)合技術的省時增效。軟硬結(jié)合設計，相比傳統(tǒng)剛性電路板和線纜設計，更需要設計師和制造商之間的緊密合作。生產(chǎn)成功的軟硬結(jié)合板需要設計師和制造商共同開發(fā)設計規(guī)則，包括：設計中的板層數(shù)量、物料選取、過孔尺寸、粘接方式以及尺寸控制。有了合適的設計工具，就可以在設計初期進行明確定義和權衡，從而優(yōu)化軟硬結(jié)合板，進一步降低整體成本。

無可否認，現(xiàn)在的行業(yè)發(fā)展趨勢和消費需求正不斷推動設計師和設計團隊挑戰(zhàn)設計極限，促使他們開發(fā)新的電子產(chǎn)品以應對市場挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)，尤其是當今移動設備的需求，推動了軟硬結(jié)合技術一步步成為設計界的主流，并在廣泛應用中獲得更高的商業(yè)價值，特別是那些以數(shù)百套為起點的項目?，F(xiàn)代PCB設計工具支持3D產(chǎn)品開發(fā)、前期合作和所有軟硬結(jié)合的必要定義和仿真，大大降低了軟硬結(jié)合設計的煩惱，使其解決方案更具吸引力;此外，相比電纜連接的剛性PCB設計，其價格更加便宜。對于設計團隊而言，不同的選擇意味著產(chǎn)品的成敗就在一線之間。