對於使用(yòng)軟硬結合 PCB 的(de)系統，確保功能性、安全性和(hé)有效性是重中之重，尤其是用(yòng)於先進醫療植入物(wù)、高(gāo)精度關鍵軍事設備以及類似受監管機密設備的(de)系統。為此，一定要對它們進行全面詳盡的(de)模擬。Footprint 尺寸較小的(de)系統必須具有很高(gāo)的(de)封裝密度，才能容得(de)下(xià)各種零件。隨著零件密度增加，電磁 (EM) 問題日益突出，降低了(le)電氣性能。
3D 設計的(de)複雜性使軟硬結合 PCB 的(de)電磁分(fēn)析成為一種挑戰。軟硬結合電路可(kě)以彎曲的(de)這一點，使設計人(rén)員能夠以較低的(de)成本實現多(duō)個空間利用(yòng)率極高(gāo)的(de)疊構設計，因此大(dà)受歡迎。對於大(dà)多(duō)數傳統的(de)模擬技術來說，此類電磁模擬極具挑戰性，甚至是不可(kě)能實現的(de)。3D 結構要求模擬器能夠應對複雜設計、大(dà)型系統和(hé)多(duō)種技術，以儘量減少風險並確保設計成功。
憑藉獨特的(de)輪廓、高(gāo)速互連、輕質且高(gāo)度可(kě)靠的(de)軟性層壓闆，軟硬結合 PCB 廣泛適用(yòng)於各種電子設備，從可(kě)穿戴設備到行動電話、軍事和(hé)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(yě)是軟硬結合 PCB 最主要的(de)應用(yòng)領域。隨著需求增長和(hé)消費電子市場不斷發展壯大(dà)，預計未來幾年軟硬結合 PCB 的(de)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(měi)元。
導緻重新設計 (respin) 的(de)原因數不勝數。調查顯示，每次重新設計的(de)成本約為 2500 萬美(měi)元，根據晶片的(de)複雜程度不同，成本會有很大(dà)差異。例如 IC 封裝，如今的(de)技術已經發展到十分(fēn)複雜的(de)水(shuǐ)準。容易出差錯的(de)地方可(kě)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(de)高(gāo)速資料量激增，因而導緻電磁輻射，產生輻射性和(hé)傳導性幹擾。傳輸線結構和(hé)工作頻率也(yě)會影(yǐng)響產品性能。當複雜的(de)異構設計成為主流，在品質與容量之間取得(de)平衡就變得(de)尤其關鍵。對於晶片製造商來說，對複雜的(de)設計進行模擬以分(fēn)析系統在現實世界中的(de)表現，這項工作極為繁重，但又必不可(kě)少。
軟硬結合闆 PCB 彎曲的(de)挑戰
微型、手持和(hé)可(kě)穿戴設備需要把各種器件組裝到緊密的(de)外殼中，這需要輕巧靈活的(de)軟硬結合設計。彎曲電路闆，並導入彎曲電路闆檔以進行 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(yòng)獨特的(de)材料，在整個設計中具有不同的(de)厚度、靈活性、表面處理(lǐ)方式和(hé)防護材料。還需要滿足特定的(de)彎曲標準，必須定義彎曲標準、彎曲定義和(hé)位置等，以及彎曲的(de)預期幹擾等限制。
隨著硬性和(hé)軟性技術相結合，也(yě)催生了(le)新的(de)驗證挑戰。軟性電路的(de)薄層暴露了(le)頂層和(hé)底層的(de)佈線。由於屏蔽較少，透過這些層傳輸的(de)高(gāo)頻訊號會產生 EMI 輻射，導緻彎曲區域的(de)近場和(hé)遠場洩漏增加。複雜精細的(de) 3D 設計使模擬變得(de)更加複雜，因為要將電路闆彎曲到很小的(de)體積，定義材料屬性，創建埠，並使用(yòng)有陰影(yǐng)線的(de)接地平面和(hé)電源平面，這對傳統的(de) FEM 和(hé) FDTD 3D 數值求解器技術來說是一項挑戰。
傳統的(de)工具涉及繁瑣的(de)手動過程。彎曲容易導緻過孔和(hé)層錯位錯誤；材料屬性、零件和(hé)網路定義在 CAD 轉換中會丟失。此外，混亂的(de)幾何形狀為彎曲結構的(de)網格化(huà)增加了(le)難度。混合型動態 3D 電路闆需要一種不會導緻錯誤的(de)彎曲方法。借助支援工具互通(tōng)性的(de)工作流程，設計人(rén)員能夠使用(yòng) 3D 有限元法 (FEM) 分(fēn)析來準確驗證軟硬結合走線，從而加快(kuài)產品上市。
利用(yòng) Cadence 技術設計軟性電路闆
預處理(lǐ)費時費力，需要幾個小時到幾天的(de)時間，並且模擬成功率低，而兩步流程在幾分(fēn)鐘內即可(kě)完成，模擬成功率達到 99%。這就是 Cadence 提供的(de)優勢：一個全新的(de)工作流程，有助於應對軟硬結合 PCB 的(de)挑戰。為了(le)應對當下(xià)的(de)設計複雜性和(hé)挑戰，EM 工程師需要使用(yòng)創新技術進行 3D EM 建模。我們新的(de)創新工作流程與 IC、封裝、PCB 和(hé)系統工具無縫銜接，有助於縮短設計週期，提高(gāo)整體生產力。複雜精細的(de)傳統工作流程容易導緻人(rén)為錯誤和(hé) CAD 轉換失誤。
Clarity 3D Solver 將複雜的(de)軟硬結合設計工作流程簡化(huà)為隻需兩步的(de)設計過程。Cadence PCB 設計工具 Allegro PCB Editor 可(kě)以在資料庫中擷取到已經定義的(de)彎曲資訊，不需要任何人(rén)工作業，避免了(le)轉換 CAD 和(hé)修復相關問題耗費的(de)時間和(hé)精力。無需進行中間轉換，就可(kě)以將電路闆導入 Clarity 3D Solver，並轉換整個資料庫，包括彎曲的(de) 3D 幾何形狀、材料屬性、器件和(hé)網路定義。無需使用(yòng)機構工具來管理(lǐ)幾何資訊，所以很容易對彎曲角度進行網格和(hé)參數化(huà)處理(lǐ)。Clarity 3D Solver可(kě)以運行模擬，查看 S 參數、近場和(hé)網格結果；同時不需要回到 PCB 編輯器，就可(kě)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(de)密集封裝必不可(kě)少。在時間和(hé)成本優化(huà)方面，與零件密度極高(gāo)的(de)晶片相比，軟硬結合 PCB 電路闆具有極大(dà)的(de)優勢。但它們需要特殊的(de)材料以及額外的(de)分(fēn)層設計，因此，重新設計的(de)代價十分(fēn)高(gāo)昂。此外，醫療、軍事設備以及其他(tā)使用(yòng)軟硬結合 PCB 的(de)受監管機密設備對故障是零容忍的(de)，因此確保它們的(de)功能性和(hé)安全性是重中之重。軟硬結合 PCB 的(de)彎曲部分(fēn)會加劇輻射洩露，因此進行 EM 分(fēn)析非常重要。Cadence Clarity 3D Solver 解決方案與 Allegro PCB Designer 相整合，提供了(le)一個兩步流程，不僅不易出錯，還極大(dà)地減少了(le)進行軟硬結合 PCB 彎曲 EM 分(fēn)析所需的(de)時間和(hé)工作量。
如欲瞭解創新的(de)兩步流程，歡迎免費下(xià)載白皮書《如何提高(gāo)軟硬結合 PCB 的(de)電磁分(fēn)析效率》，透過測試案例，深入探究這一自動化(huà)的(de)模擬工作流程，實現快(kuài)速上市的(de)產品開發過程。
譯文授權轉載出處 (映陽科技協同校閱)
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