本文授權轉載自《微波雜誌》
現代電子設備對資料傳輸速度和(hé)更小體積的(de)需求與日俱增，不斷推動軟性電路闆的(de)發展。軟硬結合印刷電路闆 (PCB) 由硬性主機闆和(hé)軟性電路組成，一些層上的(de)軟性電路會直接連在硬性主機闆上 (圖1)。軟硬結合闆的(de)體積更小、重量更輕且成本更低，被廣泛用(yòng)於現代化(huà)的(de)電子設備。優越的(de)彎曲度、適合小空間以及低製造成本，這些特點使其成為 移動通(tōng)信產品 的(de)理(lǐ)想選擇。
圖 1：軟硬結合電路闆
軟硬 PCB 上的(de)電磁 (EM) 分(fēn)析一直都不簡單，需要對將電路闆彎曲安裝到很小的(de)空間這一複雜的(de)過程進行建模。基於 Cadence Clarity 3D Solver 場求解器的(de)工作流程提供了(le)必要的(de)工具互通(tōng)性，幫助設計師使用(yòng) 3D 有限元分(fēn)析法 (FEM) 精準驗證軟硬導線的(de)信號完整性。對比依賴人(rén)工設計的(de)傳統流程，這一工作流程可(kě)以高(gāo)效設置EM模擬環境，減少出錯。
Cadence Allegro® PCB Editor 編輯器可(kě)以幫助設計師輕鬆創建並將電路闆視覺化(huà)，被廣泛用(yòng)於軟硬 PCB 的(de)設計。這一工具的(de)具體功能包括軟硬變形 (例如彎曲)，支援軟性電路覆蓋的(de)多(duō)重軟性複合，軟硬分(fēn)區管理(lǐ)，以及覆蓋率和(hé)間隙檢查 (例如層間檢查)。PCB 設計師參考指南(nán)將元件安裝在特定空間並完成電路闆佈局 (ECAD) 後，ECAD 資料會被導入 Clarity 3D Solver 進行完整的(de) 3D FEM EM 模擬。Clarity 3D Solver 被用(yòng)於 PCB、IC 封裝以及片上系統 (SoIC) 的(de)關鍵互聯設計，採用(yòng)了(le) Cadence 分(fēn)散式多(duō)重處理(lǐ)技術，為大(dà)型設計提供近乎無限的(de)處理(lǐ)能力和(hé) 10 倍的(de)速度提升。
延伸閱讀 新一代 Sigrity X 打造 10 倍快(kuài)的(de)系統分(fēn)析
對比平面 PCB 幾何構型模擬，軟硬 PCB 要將硬性電路闆與可(kě)以在任意方向彎曲和(hé)扭曲的(de) 3D 軟性闆結合 (圖2)，工作流程更加複雜。軟硬結合闆的(de)傳統設計方法採用(yòng)的(de)是機械電腦輔助設計 (MCAD) 流程，電路闆首先被導入 AutoCAD 等 3D MCAD 工具進行 3D 彎曲，然後將彎曲的(de)電路闆以 a.step/.iges/.sat 檔案格式匯出至 3D EM 工具進行S參數提取，這個過程經常會由於彎曲時通(tōng)孔與層的(de)錯配以及長度錯配而出現人(rén)為錯誤，對 EM 工具進行材料屬性定義和(hé)埠創建時也(yě)難免出現問題。即便整個流程都順利完成，EM 模擬也(yě)可(kě)能由於設計複雜性和(hé)網格劃分(fēn)的(de)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(de)模擬設置惡性循環。這一反覆運算(suàn)過程需要繁瑣的(de)使用(yòng)者溝通(tōng)且極為耗時，取決於設計範圍，幾個小時到幾天，甚至幾個禮拜都有可(kě)能。
圖 2：有 4 個硬性區域和(hé) 3 個軟性區域的(de)軟硬結合電路闆
自動化(huà)工作流程
Cadence 工作流程採用(yòng)全自動化(huà)、易於使用(yòng)的(de)解決方案，很好地應對了(le)軟硬彎曲分(fēn)析的(de)挑戰，設計師僅需幾分(fēn)鐘即可(kě)輕鬆完成設置。流程具體分(fēn)成 5 個步驟：
1. | 在 Allegro PCB Editor 軟體中定義參數 |
|---|---|
2. | 將定義好的(de)參數導入 Clarity 3D Solver 環境，並驗證疊層物(wù)理(lǐ)屬性、網路、元件和(hé)不同區域的(de)準確性 |
3. | 使用(yòng)自動化(huà)埠工具定義埠 |
4. | 將獲得(de)的(de) .spd 檔導入 Clarity 3D Solver 工作臺環境 |
5. | 定義解決方案的(de)頻率和(hé)頻率掃描，啟動模擬 |
上述步驟與傳統人(rén)工 MCAD 工作流程的(de)不同之處可(kě)參考下(xià)圖：
圖 3：傳統 MCAD 工作流程 (左) 與自動化(huà) Cadence Allegro / Clarity 流程(右)
為了(le)進一步描述自動化(huà)工作流程的(de)細節，我們使用(yòng) 10 GHz 的(de) Clarity 3D Solver ，並將頻率掃描設定為 10 MHz 到 10 GHz，對有三處彎曲的(de)軟硬 PCB 進行模擬。
Clarity 3D Solver 的(de) 自動自我調整有限元網格加密功能 可(kě)以保持軟硬 PCB 的(de)準確度。平行化(huà)技術 確保網格劃分(fēn)與頻率掃描可(kě)以在多(duō)個電腦進行分(fēn)區和(hé)分(fēn)佈運行，縮短模擬複雜軟硬結構的(de)整體時間。圖 4 中顯示了(le)軟硬結合闆已選網格的(de)模擬 |S21| 與 |S11|。圖 5 描述了(le)網格劃分(fēn)和(hé)金屬層的(de)表面電流密度，以及軟性 PCB 彎曲的(de)建模方式。
圖 4：已選網格的(de)模擬 |S21| 與 |S11|
圖 5：電介質層 (a) 和(hé)金屬層 (b) 的(de)網格劃分(fēn)，金屬層的(de)表面電流密度 (c)
示例二選擇了(le)另外一種三處彎曲軟硬結合闆，擁有三個軟性區和(hé) 2 個硬性區 (圖6)。信號線從硬性區 1 出發，一路經過軟性區 1、2、3，在硬性區 2 中止。接地平面由 0.3mm 線寬和(hé) 0.3mm 間隙的(de)兩條對角交叉平行線 (Xhatch) 構成。圖 6 (c) 中顯示了(le)位於 2 個硬性截面處的(de)端點。電路性能的(de)模擬環境為 10 GHz，頻率掃描為 10 MHz 到 10 GHz。圖 7 所示的(de)網格劃分(fēn)描述了(le) Clarity 3D Solver 下(xià)交叉平行線接地平面、彎曲區域和(hé)信號網的(de)建模層與分(fēn)析細節。圖 8 中的(de)模擬 |S21| 和(hé) |S11| 顯示了(le)彎曲參數與頻率回應函數的(de)細微差別。
圖 6：三處彎曲軟硬結合闆在 Allegro PCB Editor 中顯示的(de)佈局 (a)、
三維視圖 (b) 和(hé)在 Clarity 3D Solver 工作臺中的(de)剖面 (c)
圖 7：金屬層的(de)網格劃分(fēn)、軟性電路和(hé)硬性闆視圖
結論
軟硬結合 PCB 的(de)工作流程呈現了(le)集成化(huà)設計與 EM 分(fēn)析解決方案對產品設計週期的(de)加速。這一針對軟硬 PCB EM 分(fēn)析簡單且高(gāo)效的(de)工作流程可(kě)以節省 PCB 和(hé) EM 設計師大(dà)量的(de)設計和(hé)分(fēn)析時間。EM 工程師可(kě)以使用(yòng)這一工作流程中的(de) Clarity 3D Solver 簡化(huà)設計步驟、快(kuài)速開發產品、縮短上市時間。
同時，Allegro PCB Editor 工具已升級至最新的(de) 17.4 版本，增添了(le)許多(duō)自動化(huà)和(hé)超實用(yòng)的(de)新功能，快(kuài)來申請升級吧！
本文授權轉載出處
微波雜誌 - 2021 年 3/4 月(yuè)刊
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