技 術 資 訊

    目前位置:

  • 技術資訊
  • System Analysis
  • 實用筆記 | 如何輕鬆完成軟硬結合 PCB 彎曲的電磁分析?

實用筆記 | 如何輕鬆完成軟硬結合 PCB 彎曲的電磁分析?

對於使用軟硬結合 PCB 的系統,確保功能性、安全性和有效性是重中之重,尤其是用於先進醫療植入物、高精度關鍵軍事設備以及類似受監管機密設備的系統。為此,一定要對它們進行全面詳盡的模擬。Footprint 尺寸較小的系統必須具有很高的封裝密度,才能容得下各種零件。隨著零件密度增加,電磁 (EM) 問題日益突出,降低了電氣性能。

3D 設計的複雜性使軟硬結合 PCB 的電磁分析成為一種挑戰。軟硬結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多個空間利用率極高的疊構設計,因此大受歡迎。對於大多數傳統的模擬技術來說,此類電磁模擬極具挑戰性,甚至是不可能實現的。3D 結構要求模擬器能夠應對複雜設計、大型系統和多種技術,以儘量減少風險並確保設計成功。

憑藉獨特的輪廓、高速互連、輕質且高度可靠的軟性層壓板,軟硬結合 PCB 廣泛適用於各種電子設備,從可穿戴設備到行動電話、軍事和醫療設備。微型電子產品行業正在迅速發展,市場前景廣闊,這也是軟硬結合 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展壯大,預計未來幾年軟硬結合 PCB 的市場需求將出現飆升。全球軟硬結合 PCB 市場預計將在 2028 年達到 580 萬美元。

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 萬美元,根據晶片的複雜程度不同,成本會有很大差異。例如 IC 封裝,如今的技術已經發展到十分複雜的水準。容易出差錯的地方可能是電氣、製造良率、封裝組裝、EMI/EMC 等等。在整個封裝中傳輸的高速資料量激增,因而導致電磁輻射,產生輻射性和傳導性干擾。傳輸線結構和工作頻率也會影響產品性能。當複雜的異構設計成為主流,在品質與容量之間取得平衡就變得尤其關鍵。對於晶片製造商來說,對複雜的設計進行模擬以分析系統在現實世界中的表現,這項工作極為繁重,但又必不可少。

軟硬結合板 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密的外殼中,這需要輕巧靈活的軟硬結合設計。彎曲電路板,並導入彎曲電路板檔以進行 3D 電磁模擬,這項工作遠非說起來那麼容易。軟硬結合環境使用獨特的材料,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。

隨著硬性和軟性技術相結合,也催生了新的驗證挑戰。軟性電路的薄層暴露了頂層和底層的佈線。由於屏蔽較少,透過這些層傳輸的高頻訊號會產生 EMI 輻射,導致彎曲區域的近場和遠場洩漏增加。複雜精細的 3D 設計使模擬變得更加複雜,因為要將電路板彎曲到很小的體積,定義材料屬性,創建埠,並使用有陰影線的接地平面和電源平面,這對傳統的 FEM 和 FDTD 3D 數值求解器技術來說是一項挑戰。

傳統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、零件和網路定義在 CAD 轉換中會丟失。此外,混亂的幾何形狀為彎曲結構的網格化增加了難度。混合型動態 3D 電路板需要一種不會導致錯誤的彎曲方法。借助支援工具互通性的工作流程,設計人員能夠使用 3D 有限元法 (FEM) 分析來準確驗證軟硬結合走線,從而加快產品上市。

利用 Cadence 技術設計軟性電路板

預處理費時費力,需要幾個小時到幾天的時間,並且模擬成功率低,而兩步流程在幾分鐘內即可完成,模擬成功率達到 99%。這就是 Cadence 提供的優勢:一個全新的工作流程,有助於應對軟硬結合 PCB 的挑戰。為了應對當下的設計複雜性和挑戰,EM 工程師需要使用創新技術進行 3D EM 建模。我們新的創新工作流程與 IC、封裝、PCB 和系統工具無縫銜接,有助於縮短設計週期,提高整體生產力。複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 將複雜的軟硬結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 可以在資料庫中擷取到已經定義的彎曲資訊,不需要任何人工作業,避免了轉換 CAD 和修復相關問題耗費的時間和精力。無需進行中間轉換,就可以將電路板導入 Clarity 3D Solver,並轉換整個資料庫,包括彎曲的 3D 幾何形狀、材料屬性、器件和網路定義。無需使用機構工具來管理幾何資訊,所以很容易對彎曲角度進行網格和參數化處理。Clarity 3D Solver可以運行模擬,查看 S 參數、近場和網格結果;同時不需要回到 PCB 編輯器,就可以對彎曲進行任意調整。

兩步流程

對於現代微型電子系統來說,軟硬結合 PCB 提供的密集封裝必不可少。在時間和成本優化方面,與零件密度極高的晶片相比,軟硬結合 PCB 電路板具有極大的優勢。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,醫療、軍事設備以及其他使用軟硬結合 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。軟硬結合 PCB 的彎曲部分會加劇輻射洩露,因此進行 EM 分析非常重要。Cadence Clarity 3D Solver 解決方案與 Allegro PCB Designer 相整合,提供了一個兩步流程,不僅不易出錯,還極大地減少了進行軟硬結合 PCB 彎曲 EM 分析所需的時間和工作量。

如欲瞭解創新的兩步流程,歡迎免費下載白皮書《如何提高軟硬結合 PCB 的電磁分析效率,透過測試案例,深入探究這一自動化的模擬工作流程,實現快速上市的產品開發過程。

譯文授權轉載出處 (映陽科技協同校閱)

長按識別 QRcode,關注「Cadence 楷登 PCB 及封裝資源中心」

歡迎關注 Graser 社群,即時掌握最新技術應用資訊