技術資訊 I 如何輕松完成剛?cè)峤Y(jié)合 PCB 彎曲的電磁分析？

對于使用剛?cè)峤Y(jié)合 PCB 的系統(tǒng)，確保功能性、安全性和有效性是重中之重，尤其是用于先進醫(yī)療植入物、高精度關鍵軍事設備以及類似受監(jiān)管機密設備的系統(tǒng)。為此，一定要對它們進行全面詳盡的仿真。Footprint 尺寸較小的系統(tǒng)必須具有很高的封裝密度，才能容得下各種器件。

隨著器件密度增加，電磁 (EM) 問題日益突出，降低了電氣性能。3D 設計的復雜性使剛?cè)峤Y(jié)合 PCB 的電磁分析成為一種挑戰(zhàn)。剛?cè)峤Y(jié)合電路可以彎曲的這一點，使設計人員能夠以較低的成本實現(xiàn)多個空間利用率極高的堆疊設計，因此大受歡迎。對于大多數(shù)傳統(tǒng)的仿真技術來說，此類電磁仿真極具挑戰(zhàn)性，甚至是不可能實現(xiàn)的。3D 結(jié)構(gòu)要求仿真器能夠應對復雜設計、大型系統(tǒng)和多種技術，以盡量減少風險并確保設計成功。

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?cè)峤Y(jié)合 PCB 廣泛適用于各種電子設備，從可穿戴設備到移動電話、軍事和醫(yī)療設備。微型電子產(chǎn)品行業(yè)正在迅速發(fā)展，市場前景廣闊，這也是剛?cè)峤Y(jié)合 PCB 最主要的應用領域。隨著需求增長和消費電子市場不斷發(fā)展壯大，預計未來幾年剛?cè)峤Y(jié)合 PCB 的市場需求將出現(xiàn)飆升。全球剛?cè)峤Y(jié)合 PCB 市場預計將在 2028 年達到 580 萬美元。

圖源：Cadence

導致重新設計 (respin) 的原因數(shù)不勝數(shù)。調(diào)查顯示，每次重新設計的成本約為 2500 萬美元，根據(jù)芯片的復雜程度不同，成本會有很大差異。例如 IC 封裝，如今的技術已經(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。在整個封裝中傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)量激增，因而導致電磁輻射，產(chǎn)生輻射性和傳導性干擾。傳輸線結(jié)構(gòu)和工作頻率也會影響產(chǎn)品性能。當復雜的異構(gòu)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鍵。對于芯片制造商來說，對復雜的設計進行仿真以分析系統(tǒng)在現(xiàn)實世界中的表現(xiàn)，這項工作極為繁重，但又必不可少。

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剛?cè)峤Y(jié)合板 PCB 彎曲的挑戰(zhàn)

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?cè)峤Y(jié)合設計。彎曲電路板，并導入彎曲電路板文件以進行 3D 電磁仿真，這項工作遠非說起來那么容易。剛?cè)峤Y(jié)合環(huán)境使用獨特的材料，在整個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。

隨著剛性和柔性技術相結(jié)合，也催生了新的驗證挑戰(zhàn)。柔性電路的薄層暴露了頂層和底層的布線。由于屏蔽較少，通過這些層傳輸?shù)母哳l信號會產(chǎn)生 EMI 輻射，導致彎曲區(qū)域的近場和遠場泄漏增加。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，并使用有陰影線的接地平面和電源平面，這對傳統(tǒng)的 FEM 和 FDTD 3D 數(shù)值求解器技術來說是一項挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的工具涉及繁瑣的手動過程。彎曲容易導致過孔和層錯位錯誤；材料屬性、器件和網(wǎng)絡定義在 CAD 轉(zhuǎn)換中會丟失。此外，混亂的幾何形狀為彎曲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格化增加了難度。混合型動態(tài) 3D 電路板需要一種不會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) 分析來準確驗證剛?cè)峤Y(jié)合走線，從而加快產(chǎn)品上市。

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利用 Cadence 技術設計柔性電路板

預處理費時費力，需要幾個小時到幾天的時間，并且仿真成功率低，而兩步流程在幾分鐘內(nèi)即可完成，仿真成功率達到 99%。這就是 Cadence 提供的優(yōu)勢：一個全新的工作流程，有助于應對剛?cè)峤Y(jié)合 PCB 的挑戰(zhàn)。為了應對當下的設計復雜性和挑戰(zhàn)，EM 工程師需要使用創(chuàng)新技術進行 3D EM 建模。Cadence 新的創(chuàng)新工作流程與 IC、封裝、PCB 和系統(tǒng)工具無縫銜接，有助于縮短設計周期，提高整體生產(chǎn)力。復雜精細的傳統(tǒng)工作流程容易導致人為錯誤和 CAD 轉(zhuǎn)換失誤。

圖源：Cadence

Clarity 3D Solver 將復雜的剛?cè)峤Y(jié)合設計工作流程簡化為只需兩步的設計過程。Cadence PCB 設計工具 Allegro PCB Editor 可以在數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換 CAD 和修復相關問題耗費的時間和精力。無需進行中間轉(zhuǎn)換，就可以將電路板導入 Clarity 3D Solver，并轉(zhuǎn)換整個數(shù)據(jù)庫，包括彎曲的 3D 幾何形狀、材料屬性、器件和網(wǎng)絡定義。無需使用機械工具來管理幾何信息，所以很容易對彎曲角度進行網(wǎng)格和參數(shù)化處理。Clarity 3D Solver可以運行仿真，查看 S 參數(shù)、近場和網(wǎng)格結(jié)果；同時不需要回到 PCB 編輯器，就可以對彎曲進行任意調(diào)整。

兩步流程

對于現(xiàn)代微型電子系統(tǒng)來說，剛?cè)峤Y(jié)合 PCB 提供的緊湊封裝必不可少。在時間和成本優(yōu)化方面，與器件密度極高的芯片相比，剛?cè)峤Y(jié)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，重新設計的代價十分高昂。此外，醫(yī)療、軍事設備以及其他使用剛?cè)峤Y(jié)合 PCB 的受監(jiān)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?cè)峤Y(jié)合 PCB 的彎曲部分會加劇輻射泄露，因此進行 EM 分析非常重要。

Cadence Clarity 3D Solver 解決方案與 Allegro PCB Designer 集成，提供了一個兩步流程，不僅不易出錯，還極大地減少了進行剛?cè)峤Y(jié)合 PCB 彎曲 EM 分析所需的時間和工作量。

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