Automated Workflow for Fast, Accurate EM Analysis of Rigid-Flex PCBs

Cadence

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现代电子设备对数据传输速度和更小体积的需求与日俱增，不断推动柔性电路板的发展。刚柔结合印刷电路板（PCB）由刚性母板和柔性电路组成，一些层上的柔性电路会直接连在刚性母板上（图1）。刚柔结合板的体积更小、重量更轻且成本更低，被广泛用于现代化的电子设备。优越的弯曲度、适合小空间以及低制造成本，这些特点使其成为移动通信产品的理想选择。

图1：刚柔结合电路板

刚柔PCB的电磁（EM）分析一直都不简单，需要对将电路板弯曲安装到很小的空间这一复杂的过程进行建模。基于Cadence^® Clarity™ 3D Solver场求解器的工作流程提供了必要的工具互操作性，帮助设计师使用3D有限元分析法（FEM）精准验证刚柔导线的信号完整性。对比依赖人工设计的传统流程，这一工作流程可以高效设置EM仿真环境，减少出错。

Cadence Allegro^® PCB Editor编辑器可以帮助设计师轻松创建并将电路板可视化，被广泛用于刚柔PCB的设计。这一工具的具体功能包括刚柔变形（例如弯曲），支持柔性电路覆盖的多重柔性复合，刚柔分区管理，以及覆盖率和间隙检查（例如层间检查）。PCB设计师参考指南将元件安装在特定空间并完成电路板布局（ECAD）后，ECAD数据会被导入Clarity 3D Solver进行完整的3D FEM EM仿真。Clarity 3D Solver被用于PCB、IC封装以及片上系统（SoIC）的关键互联设计，采用了Cadence分布式多重处理技术，为大型设计提供近乎无限的处理能力和10倍的速度提升。

对比平面PCB几何构型仿真，刚柔PCB要将刚性电路板与可以在任意方向弯曲和扭曲的3D柔性板结合（图2），工作流程更加复杂。刚柔结合板的传统设计方法采用的是机械计算机辅助设计（MCAD）流程，电路板首先被导入AutoCAD等3D MCAD工具进行3D弯曲，然后将弯曲的电路板以a .step/.iges/.sat文件格式导出至3D EM工具进行S参数提取，这个过程经常会由于弯曲时通孔与层的错配以及长度错配而出现人为错误，对EM工具进行材料属性定义和端口创建时也难免出现问题。即便整个流程都顺利完成，EM仿真也可能由于设计复杂性和网格划分的问题而无法进行。设计师会被迫陷入从MCAD工具、到几何构型重塑、再到EM引擎的仿真设置恶性循环。这一迭代过程需要繁琐的用户沟通且极为耗时，取决于设计范围，几个小时到几天，甚至几个礼拜都有可能。

图2：有4个刚性区域和3个柔性区域的刚柔结合电路板

自动化工作流程

Cadence工作流程采用全自动化、易于使用的解决方案，很好地应对了刚柔弯曲分析的挑战，设计师仅需几分钟即可轻松完成设置。流程具体分成5个步骤：

1.        在Allegro PCB Editor软件中定义参数。

2.        将定义好的参数导入Clarity 3D Solver环境，并验证叠层物理属性、网络、元件和不同区域的准确性。

3.        使用自动化端口工具定义端口。

4.        将获得的.spd文件导入Clarity 3D Solver工作台环境。

5.        定义解决方案的频率和频率扫描，启动仿真。

上述步骤与传统人工MCAD工作流程的不同之处可参考图3。

图3：传统MCAD工作流程（左）与自动化Cadence Allegro/Clarity流程（右）

为了进一步描述自动化工作流程的细节，我们使用10 GHz的Clarity 3D Solver，并将频率扫描设定为10 MHz到10 GHz，对有三处弯曲的刚柔PCB进行仿真。Clarity 3D Solver的自动自适应有限元网格加密功能可以保持刚柔PCB的准确度。平行化技术确保网格划分与频率扫描可以在多个计算机进行分区和分布运行，缩短仿真复杂刚柔结构的整体时间。图4中显示了刚柔结合板已选网格的仿真|S₂₁|与|S₁₁|。图5描述了网格划分和金属层的表面电流密度，以及柔性PCB弯曲的建模方式。

图4：已选网格的仿真|S₂₁|与|S₁₁|

图5：电介质层（a）和金属层（b）的网格划分，金属层的表面电流密度（c）

示例二选择了另外一种三处弯曲刚柔结合板，拥有三个柔性区和2个刚性区（图6）。信号线从刚性区1出发，一路经过柔性区1、2、3，在刚性区2中止。接地平面由0.3mm线宽和0.3mm间隙的两条对角交叉平行线（Xhatch）构成。图6（c）中显示了位于2个刚性截面处的端点。电路性能的仿真环境为10 GHz，频率扫描为10 MHz到10 GHz。图7所示的网格划分描述了Clarity 3D Solver下交叉平行线接地平面、弯曲区域和信号网的建模层与分析细节。图8中的仿真|S₂₁|和|S₁₁|显示了弯曲参数与频率响应函数的细微差别。

图6：三处弯曲刚柔结合板在Allegro PCB Editor中显示的布局（a）、三维视图（b）和在Clarity 3D Solver工作台中的剖面（c）

图7：金属层的网格划分、柔性电路和刚性板视图

图8：已选网格的仿真|S₂₁|与|S₁₁|

结论

刚柔结合PCB的工作流程呈现了集成化设计与EM分析解决方案对产品设计周期的加速。这一针对刚柔PCB EM分析简单且高效的工作流程可以节省PCB和EM设计师大量的设计和分析时间。EM工程师可以使用这一工作流程中的Clarity 3D Solver简化设计步骤、快速开发产品、缩短上市时间。