現(xiàn)代電子設備對數(shù)據(jù)傳輸速度和更小體積的需求與日俱增,不斷推動柔性電路板的發(fā)展。剛柔結合印刷電路板(PCB)由剛性母板和柔性電路組成,一些層上的柔性電路會直接連在剛性母板上(圖 1)。剛柔結合板的體積更小、重量更輕且成本更低,被廣泛用于現(xiàn)代化的電子設備。優(yōu)越的彎曲度、適合小空間以及低制造成本,這些特點使其成為移動通信產(chǎn)品的理想選擇。
圖 1:剛柔結合電路板
剛柔 PCB 的電磁(EM)分析一直都不簡單,需要對將電路板彎曲安裝到很小的空間這一復雜的過程進行建模?;?CadenceClarity 3D Solver 場求解器的工作流程提供了必要的工具互操作性,幫助設計師使用 3D 有限元分析法(FEM)精準驗證剛柔導線的信號完整性。對比依賴人工設計的傳統(tǒng)流程,這一工作流程可以高效設置 EM 仿真環(huán)境,減少出錯。
Cadence AllegroPCB Editor 編輯器可以幫助設計師輕松創(chuàng)建并將電路板可視化,被廣泛用于剛柔 PCB 的設計。這一工具的具體功能包括剛柔變形(例如彎曲)、支持柔性電路覆蓋的多重柔性復合、剛柔分區(qū)管理以及覆蓋率和間隙檢查(例如層間檢查)。
PCB 設計師參考指南將元件安裝在特定空間并完成電路板布局(ECAD)后,ECAD 數(shù)據(jù)會被導入 Clarity 3D Solver 進行完整的 3D FEM EM 仿真。Clarity 3D Solver 被用于 PCB、IC 封裝以及片上系統(tǒng)(SoIC)的關鍵互聯(lián)設計,采用了 Cadence 分布式多重處理技術,為大型設計提供近乎無限的處理能力和 10 倍的速度提升。
對比平面 PCB 幾何構型仿真,剛柔 PCB 要將剛性電路板與可以在任意方向彎曲和扭曲的 3D 柔性板結合(圖 2),工作流程更加復雜。
剛柔結合板的傳統(tǒng)設計方法采用的是機械計算機輔助設計(MCAD)流程,電路板首先被導入 AutoCAD 等 3D MCAD 工具進行 3D 彎曲,然后將彎曲的電路板以 a.step/.iges/.sat 文件格式導出至 3D EM 工具進行 S 參數(shù)提取,這個過程經(jīng)常會由于彎曲時通孔與層的錯配以及長度錯配而出現(xiàn)人為錯誤,對 EM 工具進行材料屬性定義和端口創(chuàng)建時也難免出現(xiàn)問題。
即便整個流程都順利完成,EM 仿真也可能由于設計復雜性和網(wǎng)格劃分的問題而無法進行。設計師會被迫陷入從 MCAD 工具到幾何構型重塑再到 EM 引擎的仿真設置惡性循環(huán)。這一迭代過程需要繁瑣的用戶溝通且極為耗時,取決于設計范圍,幾個小時到幾天,甚至幾個禮拜都有可能。
圖 2:有 4 個剛性區(qū)域和 3 個柔性區(qū)域的剛柔結合電路板
自動化工作流程
Cadence 工作流程采用全自動化、易于使用的解決方案,很好地應對了剛柔彎曲分析的挑戰(zhàn),設計師僅需幾分鐘即可輕松完成設置。流程具體分成 5 個步驟:
01在 Allegro PCB Editor 軟件中定義參數(shù)。
02將定義好的參數(shù)導入 Clarity 3D Solver 環(huán)境,并驗證疊層物理屬性、網(wǎng)絡、元件和不同區(qū)域的準確性。
03使用自動化端口工具定義端口。
04將獲得的 .spd 文件導入 Clarity 3D Solver 工作臺環(huán)境。
05定義解決方案的頻率和頻率掃描,啟動仿真。
上述步驟與傳統(tǒng)人工 MCAD 工作流程的不同之處可參考圖 3。
圖 3:傳統(tǒng) MCAD 工作流程(左)與自動化 Cadence Allegro/Clarity 流程(右)
為了進一步描述自動化工作流程的細節(jié),我們使用 10 GHz 的 Clarity 3D Solver,并將頻率掃描設定為 10 MHz 到 10 GHz,對有三處彎曲的剛柔 PCB 進行仿真。
Clarity 3D Solver 的自動自適應有限元網(wǎng)格加密功能可以保持剛柔 PCB 的準確度。平行化技術確保網(wǎng)格劃分與頻率掃描可以在多個計算機進行分區(qū)和分布運行,縮短仿真復雜剛柔結構的整體時間。圖 4 中顯示了剛柔結合板已選網(wǎng)格的仿真|S21|與|S11|。圖 5 描述了網(wǎng)格劃分和金屬層的表面電流密度,以及柔性 PCB 彎曲的建模方式。
圖 4:已選網(wǎng)格的仿真|S21|與|S11|
圖 5:電介質層(a)和金屬層(b)的網(wǎng)格劃分,金屬層的表面電流密度(c)
示例二選擇了另外一種三處彎曲剛柔結合板,擁有三個柔性區(qū)和 2 個剛性區(qū)(圖 6)。信號線從剛性區(qū) 1 出發(fā),一路經(jīng)過柔性區(qū) 1、2、3,在剛性區(qū) 2 中止。接地平面由 0.3 mm 線寬和 0.3 mm 間隙的兩條對角交叉平行線(Xhatch)構成。
圖 6(c)中顯示了位于 2 個剛性截面處的端點。電路性能的仿真環(huán)境為 10 GHz,頻率掃描為 10 MHz 到 10 GHz。圖 7所示的網(wǎng)格劃分描述了 Clarity 3D Solver 下交叉平行線接地平面、彎曲區(qū)域和信號網(wǎng)的建模層與分析細節(jié)。圖 8 中的仿真|S21|和|S11|顯示了彎曲參數(shù)與頻率響應函數(shù)的細微差別。
圖 6:三處彎曲剛柔結合板在 Allegro PCB Editor 中顯示的布局(a)、三維視圖(b)和在 Clarity 3D Solver 工作臺中的剖面(c)
圖 7:金屬層的網(wǎng)格劃分、柔性電路和剛性板視圖
圖 8:已選網(wǎng)格的仿真|S21|與|S11|
結論
剛柔結合 PCB 的工作流程呈現(xiàn)了集成化設計與 EM 分析解決方案對產(chǎn)品設計周期的加速。這一針對剛柔 PCB EM 分析簡單且高效的工作流程可以節(jié)省 PCB 和 EM 設計師大量的設計和分析時間。
EM 工程師可以使用這一工作流程中的 Clarity3 D Solver 簡化設計步驟、快速開發(fā)產(chǎn)品、縮短上市時間。
編輯:jq
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原文標題:用自動化工作流程快速精準地實現(xiàn)剛柔結合電路板的 EM 分析
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