对于使用刚柔结合 PCB 的系统,确保功能性、安全性和有效性是重中之重,尤其是用于先进医疗植入物、高精度关键军事设备以及类似受监管机密设备的系统。为此,一定要对它们进行全面详尽的仿真。Footprint 尺寸较小的系统必须具有很高的封装密度,才能容得下各种器件。
随着器件密度增加,电磁 (EM) 问题日益突出,降低了电气性能。3D 设计的复杂性使刚柔结合 PCB 的电磁分析成为一种挑战。刚柔结合电路可以弯曲的这一点,使设计人员能够以较低的成本实现多个空间利用率极高的堆叠设计,因此大受欢迎。对于大多数传统的仿真技术来说,此类电磁仿真极具挑战性,甚至是不可能实现的。3D 结构要求仿真器能够应对复杂设计、大型系统和多种技术,以尽量减少风险并确保设计成功。
凭借独特的轮廓、高速互连、轻质且高度可靠的柔性层压板,刚柔结合 PCB 广泛适用于各种电子设备,从可穿戴设备到移动电话、军事和医疗设备。微型电子产品行业正在迅速发展,市场前景广阔,这也是刚柔结合 PCB 最主要的应用领域。随着需求增长和消费电子市场不断发展壮大,预计未来几年刚柔结合 PCB 的市场需求将出现飙升。全球刚柔结合 PCB 市场预计将在 2028 年达到 580 万美元。
图源:Cadence
导致重新设计 (respin) 的原因数不胜数。调查显示,每次重新设计的成本约为 2500 万美元,根据芯片的复杂程度不同,成本会有很大差异。例如 IC 封装,如今的技术已经发展到十分复杂的水平。容易出差错的地方可能是电气、制造良率、封装组装、EMI/EMC 等等。在整个封装中传输的高速数据量激增,因而导致电磁辐射,产生辐射性和传导性干扰。传输线结构和工作频率也会影响产品性能。当复杂的异构设计成为主流,在质量与容量之间取得平衡就变得尤其关键。对于芯片制造商来说,对复杂的设计进行仿真以分析系统在现实世界中的表现,这项工作极为繁重,但又必不可少。
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刚柔结合板 PCB 弯曲的挑战
微型、手持和可穿戴设备需要把各种器件组装到紧凑的外壳中,这需要轻巧灵活的刚柔结合设计。弯曲电路板,并导入弯曲电路板文件以进行 3D 电磁仿真,这项工作远非说起来那么容易。刚柔结合环境使用独特的材料,在整个设计中具有不同的厚度、灵活性、表面处理方式和防护材料。还需要满足特定的弯曲标准,必须定义弯曲标准、弯曲定义和位置等,以及弯曲的预期干扰等限制。
随着刚性和柔性技术相结合,也催生了新的验证挑战。柔性电路的薄层暴露了顶层和底层的布线。由于屏蔽较少,通过这些层传输的高频信号会产生 EMI 辐射,导致弯曲区域的近场和远场泄漏增加。复杂精细的 3D 设计使仿真变得更加复杂,因为要将电路板弯曲到很小的体积,定义材料属性,创建端口,并使用有阴影线的接地平面和电源平面,这对传统的 FEM 和 FDTD 3D 数值求解器技术来说是一项挑战。传统的工具涉及繁琐的手动过程。弯曲容易导致过孔和层错位错误;材料属性、器件和网络定义在 CAD 转换中会丢失。此外,混乱的几何形状为弯曲结构的网格化增加了难度。混合型动态 3D 电路板需要一种不会导致错误的弯曲方法。借助支持工具互操作性的工作流程,设计人员能够使用 3D 有限元法 (FEM) 分析来准确验证刚柔结合走线,从而加快产品上市。
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利用 Cadence 技术设计柔性电路板
预处理费时费力,需要几个小时到几天的时间,并且仿真成功率低,而两步流程在几分钟内即可完成,仿真成功率达到 99%。这就是 Cadence 提供的优势:一个全新的工作流程,有助于应对刚柔结合 PCB 的挑战。为了应对当下的设计复杂性和挑战,EM 工程师需要使用创新技术进行 3D EM 建模。Cadence 新的创新工作流程与 IC、封装、PCB 和系统工具无缝衔接,有助于缩短设计周期,提高整体生产力。复杂精细的传统工作流程容易导致人为错误和 CAD 转换失误。
图源:Cadence
Clarity 3D Solver 将复杂的刚柔结合设计工作流程简化为只需两步的设计过程。Cadence PCB 设计工具 Allegro PCB Editor 可以在数据库中捕捉到已经定义的弯曲信息,不需要任何人工操作,避免了转换 CAD 和修复相关问题耗费的时间和精力。无需进行中间转换,就可以将电路板导入 Clarity 3D Solver,并转换整个数据库,包括弯曲的 3D 几何形状、材料属性、器件和网络定义。无需使用机械工具来管理几何信息,所以很容易对弯曲角度进行网格和参数化处理。Clarity 3D Solver可以运行仿真,查看 S 参数、近场和网格结果;同时不需要回到 PCB 编辑器,就可以对弯曲进行任意调整。
两步流程
对于现代微型电子系统来说,刚柔结合 PCB 提供的紧凑封装必不可少。在时间和成本优化方面,与器件密度极高的芯片相比,刚柔结合 PCB 电路板具有极大的优势。但它们需要特殊的材料以及额外的分层设计,因此,重新设计的代价十分高昂。此外,医疗、军事设备以及其他使用刚柔结合 PCB 的受监管机密设备对故障是零容忍的,因此确保它们的功能性和安全性是重中之重。刚柔结合 PCB 的弯曲部分会加剧辐射泄露,因此进行 EM 分析非常重要。
Cadence Clarity 3D Solver 解决方案与 Allegro PCB Designer 集成,提供了一个两步流程,不仅不易出错,还极大地减少了进行刚柔结合 PCB 弯曲 EM 分析所需的时间和工作量。
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