現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度和更小體積的需求與日俱增,不斷推動(dòng)柔性電路板的發(fā)展。剛?cè)峤Y(jié)合印刷電路板(PCB)由剛性母板和柔性電路組成,一些層上的柔性電路會(huì)直接連在剛性母板上(圖 1)。剛?cè)峤Y(jié)合板的體積更小、重量更輕且成本更低,被廣泛用于現(xiàn)代化的電子設(shè)備。優(yōu)越的彎曲度、適合小空間以及低制造成本,這些特點(diǎn)使其成為移動(dòng)通信產(chǎn)品的理想選擇。
圖 1:剛?cè)峤Y(jié)合電路板
剛?cè)?PCB 的電磁(EM)分析一直都不簡(jiǎn)單,需要對(duì)將電路板彎曲安裝到很小的空間這一復(fù)雜的過程進(jìn)行建模?;?CadenceClarity 3D Solver 場(chǎng)求解器的工作流程提供了必要的工具互操作性,幫助設(shè)計(jì)師使用 3D 有限元分析法(FEM)精準(zhǔn)驗(yàn)證剛?cè)釋?dǎo)線的信號(hào)完整性。對(duì)比依賴人工設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)流程,這一工作流程可以高效設(shè)置 EM 仿真環(huán)境,減少出錯(cuò)。
Cadence AllegroPCB Editor 編輯器可以幫助設(shè)計(jì)師輕松創(chuàng)建并將電路板可視化,被廣泛用于剛?cè)?PCB 的設(shè)計(jì)。這一工具的具體功能包括剛?cè)嶙冃危ɡ鐝澢?、支持柔性電路覆蓋的多重柔性復(fù)合、剛?cè)岱謪^(qū)管理以及覆蓋率和間隙檢查(例如層間檢查)。
PCB 設(shè)計(jì)師參考指南將元件安裝在特定空間并完成電路板布局(ECAD)后,ECAD 數(shù)據(jù)會(huì)被導(dǎo)入 Clarity 3D Solver 進(jìn)行完整的 3D FEM EM 仿真。Clarity 3D Solver 被用于 PCB、IC 封裝以及片上系統(tǒng)(SoIC)的關(guān)鍵互聯(lián)設(shè)計(jì),采用了 Cadence 分布式多重處理技術(shù),為大型設(shè)計(jì)提供近乎無限的處理能力和 10 倍的速度提升。
對(duì)比平面 PCB 幾何構(gòu)型仿真,剛?cè)?PCB 要將剛性電路板與可以在任意方向彎曲和扭曲的 3D 柔性板結(jié)合(圖 2),工作流程更加復(fù)雜。
剛?cè)峤Y(jié)合板的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法采用的是機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(MCAD)流程,電路板首先被導(dǎo)入 AutoCAD 等 3D MCAD 工具進(jìn)行 3D 彎曲,然后將彎曲的電路板以 a.step/.iges/.sat 文件格式導(dǎo)出至 3D EM 工具進(jìn)行 S 參數(shù)提取,這個(gè)過程經(jīng)常會(huì)由于彎曲時(shí)通孔與層的錯(cuò)配以及長(zhǎng)度錯(cuò)配而出現(xiàn)人為錯(cuò)誤,對(duì) EM 工具進(jìn)行材料屬性定義和端口創(chuàng)建時(shí)也難免出現(xiàn)問題。
即便整個(gè)流程都順利完成,EM 仿真也可能由于設(shè)計(jì)復(fù)雜性和網(wǎng)格劃分的問題而無法進(jìn)行。設(shè)計(jì)師會(huì)被迫陷入從 MCAD 工具到幾何構(gòu)型重塑再到 EM 引擎的仿真設(shè)置惡性循環(huán)。這一迭代過程需要繁瑣的用戶溝通且極為耗時(shí),取決于設(shè)計(jì)范圍,幾個(gè)小時(shí)到幾天,甚至幾個(gè)禮拜都有可能。
圖 2:有 4 個(gè)剛性區(qū)域和 3 個(gè)柔性區(qū)域的剛?cè)峤Y(jié)合電路板
自動(dòng)化工作流程
Cadence 工作流程采用全自動(dòng)化、易于使用的解決方案,很好地應(yīng)對(duì)了剛?cè)釓澢治龅奶魬?zhàn),設(shè)計(jì)師僅需幾分鐘即可輕松完成設(shè)置。流程具體分成 5 個(gè)步驟:
01在 Allegro PCB Editor 軟件中定義參數(shù)。
02將定義好的參數(shù)導(dǎo)入 Clarity 3D Solver 環(huán)境,并驗(yàn)證疊層物理屬性、網(wǎng)絡(luò)、元件和不同區(qū)域的準(zhǔn)確性。
03使用自動(dòng)化端口工具定義端口。
04將獲得的 .spd 文件導(dǎo)入 Clarity 3D Solver 工作臺(tái)環(huán)境。
05定義解決方案的頻率和頻率掃描,啟動(dòng)仿真。
上述步驟與傳統(tǒng)人工 MCAD 工作流程的不同之處可參考圖 3。
圖 3:傳統(tǒng) MCAD 工作流程(左)與自動(dòng)化 Cadence Allegro/Clarity 流程(右)
為了進(jìn)一步描述自動(dòng)化工作流程的細(xì)節(jié),我們使用 10 GHz 的 Clarity 3D Solver,并將頻率掃描設(shè)定為 10 MHz 到 10 GHz,對(duì)有三處彎曲的剛?cè)?PCB 進(jìn)行仿真。
Clarity 3D Solver 的自動(dòng)自適應(yīng)有限元網(wǎng)格加密功能可以保持剛?cè)?PCB 的準(zhǔn)確度。平行化技術(shù)確保網(wǎng)格劃分與頻率掃描可以在多個(gè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分區(qū)和分布運(yùn)行,縮短仿真復(fù)雜剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)的整體時(shí)間。圖 4 中顯示了剛?cè)峤Y(jié)合板已選網(wǎng)格的仿真|S21|與|S11|。圖 5 描述了網(wǎng)格劃分和金屬層的表面電流密度,以及柔性 PCB 彎曲的建模方式。
圖 4:已選網(wǎng)格的仿真|S21|與|S11|
圖 5:電介質(zhì)層(a)和金屬層(b)的網(wǎng)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剛?cè)峤Y(jié)合板,擁有三個(gè)柔性區(qū)和 2 個(gè)剛性區(qū)(圖 6)。信號(hào)線從剛性區(qū) 1 出發(fā),一路經(jīng)過柔性區(qū) 1、2、3,在剛性區(qū) 2 中止。接地平面由 0.3 mm 線寬和 0.3 mm 間隙的兩條對(duì)角交叉平行線(Xhatch)構(gòu)成。
圖 6(c)中顯示了位于 2 個(gè)剛性截面處的端點(diǎn)。電路性能的仿真環(huán)境為 10 GHz,頻率掃描為 10 MHz 到 10 GHz。圖 7所示的網(wǎng)格劃分描述了 Clarity 3D Solver 下交叉平行線接地平面、彎曲區(qū)域和信號(hào)網(wǎng)的建模層與分析細(xì)節(jié)。圖 8 中的仿真|S21|和|S11|顯示了彎曲參數(shù)與頻率響應(yīng)函數(shù)的細(xì)微差別。
圖 6:三處彎曲剛?cè)峤Y(jié)合板在 Allegro PCB Editor 中顯示的布局(a)、三維視圖(b)和在 Clarity 3D Solver 工作臺(tái)中的剖面(c)
圖 7:金屬層的網(wǎng)格劃分、柔性電路和剛性板視圖
圖 8:已選網(wǎng)格的仿真|S21|與|S11|
結(jié)論
剛?cè)峤Y(jié)合 PCB 的工作流程呈現(xiàn)了集成化設(shè)計(jì)與 EM 分析解決方案對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的加速。這一針對(duì)剛?cè)?PCB EM 分析簡(jiǎn)單且高效的工作流程可以節(jié)省 PCB 和 EM 設(shè)計(jì)師大量的設(shè)計(jì)和分析時(shí)間。
EM 工程師可以使用這一工作流程中的 Clarity3 D Solver 簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)步驟、快速開發(fā)產(chǎn)品、縮短上市時(shí)間。
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原文標(biāo)題:用自動(dòng)化工作流程快速精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)剛?cè)峤Y(jié)合電路板的 EM 分析
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