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更小體積的需求與日俱增，不斷推動軟性電路板的發展。軟硬結合印刷電路板 (PCB) 由硬性主機板和軟性電路組成，一些層上的軟性電路會直接連在硬性主機板上 (圖1)。軟硬結合板的體積更小、重量更輕且成本更低，被廣泛用於現代化的電子設備。優越的彎曲度、適合小空間以及低製造成本，這些特點使其成為 移動通信產品 的理想選擇。
圖 1：軟硬結合電路板
軟硬 PCB 上的電磁 (EM) 分析一直都不簡單，需要對將電路板彎曲安裝到很小的空間這一複雜的過程進行建模。基於 Cadence Clarity 3D Solver 場求解器的工作流程提供了必要的工具互通性，幫助設計師使用 3D 有限元分析法 (FEM) 精准驗證軟硬導線的信號完整性。對比依賴人工設計的傳統流程，這一工作流程可以高效設置EM模擬環境，減少出錯。
Cadence Allegro® PCB Editor 編輯器可以幫助設計師輕鬆創建並將電路板視覺化，被廣泛用於軟硬 PCB 的設計。這一工具的具體功能包括軟硬變形 (例如彎曲)，支援軟性電路覆蓋的多重軟性複合，軟硬分區管理，以及覆蓋率和間隙檢查 (例如層間檢查)。PCB 設計師參考指南將元件安裝在特定空間並完成電路板佈局 (ECAD) 後，ECAD 資料會被導入 Clarity 3D Solver 進行完整的 3D FEM EM 模擬。Clarity 3D Solver 被用於 PCB、IC 封裝以及片上系統 (SoIC) 的關鍵互聯設計，採用了 Cadence 分散式多重處理技術，為大型設計提供近乎無限的處理能力和 10 倍的速度提升。
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對比平面 PCB 幾何構型模擬，軟硬 PCB 要將硬性電路板與可以在任意方向彎曲和扭曲的 3D 軟性板結合 (圖2)，工作流程更加複雜。軟硬結合板的傳統設計方法採用的是機械電腦輔助設計 (MCAD) 流程，電路板首先被導入 AutoCAD 等 3D MCAD 工具進行 3D 彎曲，然後將彎曲的電路板以 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孔與層的錯配以及長度錯配而出現人為錯誤，對 EM 工具進行材料屬性定義和埠創建時也難免出現問題。即便整個流程都順利完成，EM 模擬也可能由於設計複雜性和網格劃分的問題而無法進行。設計師會被迫陷入從 MCAD 工具、到幾何構型重塑、再到 EM 引擎的模擬設置惡性循環。這一反覆運算過程需要繁瑣的使用者溝通且極為耗時，取決於設計範圍，幾個小時到幾天，甚至幾個禮拜都有可能。
圖 2：有 4 個硬性區域和 3 個軟性區域的軟硬結合電路板
自動化工作流程
Cadence 工作流程採用全自動化、易於使用的解決方案，很好地應對了軟硬彎曲分析的挑戰，設計師僅需幾分鐘即可輕鬆完成設置。流程具體分成 5 個步驟：
1. | 在 Allegro PCB Editor 軟體中定義參數 |
|---|---|
2. | 將定義好的參數導入 Clarity 3D Solver 環境，並驗證疊層物理屬性、網路、元件和不同區域的準確性 |
3. | 使用自動化埠工具定義埠 |
4. | 將獲得的 .spd 檔導入 Clarity 3D Solver 工作臺環境 |
5. | 定義解決方案的頻率和頻率掃描，啟動模擬 |
上述步驟與傳統人工 MCAD 工作流程的不同之處可參考下圖：
圖 3：傳統 MCAD 工作流程 (左) 與自動化 Cadence Allegro / Clarity 流程(右)
為了進一步描述自動化工作流程的細節，我們使用 10 GHz 的 Clarity 3D Solver ，並將頻率掃描設定為 10 MHz 到 10 GHz，對有三處彎曲的軟硬 PCB 進行模擬。
Clarity 3D Solver 的 自動自我調整有限元網格加密功能 可以保持軟硬 PCB 的準確度。平行化技術 確保網格劃分與頻率掃描可以在多個電腦進行分區和分佈運行，縮短模擬複雜軟硬結構的整體時間。圖 4 中顯示了軟硬結合板已選網格的模擬 |S21| 與 |S11|。圖 5 描述了網格劃分和金屬層的表面電流密度，以及軟性 PCB 彎曲的建模方式。
圖 4：已選網格的模擬 |S21| 與 |S11|
圖 5：電介質層 (a) 和金屬層 (b) 的網格劃分，金屬層的表面電流密度 (c)
示例二選擇了另外一種三處彎曲軟硬結合板，擁有三個軟性區和 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 0.3mm 間隙的兩條對角交叉平行線 (Xhatch) 構成。圖 6 (c) 中顯示了位於 2 個硬性截面處的端點。電路性能的模擬環境為 10 GHz，頻率掃描為 10 MHz 到 10 GHz。圖 7 所示的網格劃分描述了 Clarity 3D Solver 下交叉平行線接地平面、彎曲區域和信號網的建模層與分析細節。圖 8 中的模擬 |S21| 和 |S11| 顯示了彎曲參數與頻率回應函數的細微差別。
圖 6：三處彎曲軟硬結合板在 Allegro PCB Editor 中顯示的佈局 (a)、
三維視圖 (b) 和在 Clarity 3D Solver 工作臺中的剖面 (c)
圖 7：金屬層的網格劃分、軟性電路和硬性板視圖
結論
軟硬結合 PCB 的工作流程呈現了集成化設計與 EM 分析解決方案對產品設計週期的加速。這一針對軟硬 PCB EM 分析簡單且高效的工作流程可以節省 PCB 和 EM 設計師大量的設計和分析時間。EM 工程師可以使用這一工作流程中的 Clarity 3D Solver 簡化設計步驟、快速開發產品、縮短上市時間。
同時，Allegro PCB Editor 工具已升級至最新的 17.4 版本，增添了許多自動化和超實用的新功能，快來申請升級吧！
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微波雜誌 - 2021 年 3/4 月刊
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