技术前沿 I 如何轻松完成刚柔结合 PCB 弯曲的电磁分析？
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
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
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。
