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)
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