對于使用剛柔結合 PCB 的系統，確保功能性、安全性和有效性是重中之重，尤其是用于先進醫療植入物、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仿真。Footprint 尺寸較小的系統必須具有很高的封裝密度，才能容得下各種器件。

隨著器件密度增加，電磁 (EM) 問題日益突出，降低了電氣性能。3D 設計的復雜性使剛柔結合 PCB 的電磁分析成為一種挑戰。剛柔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堆疊設計，因此大受歡迎。對于大多數傳統的仿真技術來說，此類電磁仿真極具挑戰性，甚至是不可能實現的。3D 結構要求仿真器能夠應對復雜設計、大型系統和多種技術，以盡量減少風險并確保設計成功。

憑借獨特的輪廓、高速互連、輕質且高度可靠的柔性層壓板，剛柔結合 PCB 廣泛適用于各種電子設備，從可穿戴設備到移動電話、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，這也是剛柔結合 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，預計未來幾年剛柔結合 PCB 的市場需求將出現飆升。全球剛柔結合 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，根據芯片的復雜程度不同，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復雜的水平。容易出差錯的地方可能是電氣、制造良率、封裝組裝、EMI/EMC 等等。在整個封裝中傳輸的高速數據量激增，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。當復雜的異構設計成為主流，在質量與容量之間取得平衡就變得尤其關鍵。對于芯片制造商來說，對復雜的設計進行仿真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。

1. 剛柔結合板 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湊的外殼中，這需要輕巧靈活的剛柔結合設計。彎曲電路板，并導入彎曲電路板文件以進行 3D 電磁仿真，這項工作遠非說起來那么容易。剛柔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。

隨著剛性和柔性技術相結合，也催生了新的驗證挑戰。柔性電路的薄層暴露了頂層和底層的布線。由于屏蔽較少，通過這些層傳輸的高頻信號會產生 EMI 輻射，導致彎曲區域的近場和遠場泄漏增加。復雜精細的 3D 設計使仿真變得更加復雜，因為要將電路板彎曲到很小的體積，定義材料屬性，創建端口，并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、器件和網絡定義在 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。借助支持工具互操作性的工作流程，設計人員能夠使用 3D 有限元法 (FEM) 分析來準確驗證剛柔結合走線，從而加快產品上市。

2. 利用 Cadence 技術設計柔性電路板

預處理費時費力，需要幾個小時到幾天的時間，并且仿真成功率低，而兩步流程在幾分鐘內即可完成，仿真成功率達到 99%。這就是 Cadence 提供的優勢：一個全新的工作流程，有助于應對剛柔結合 PCB 的挑戰。為了應對當下的設計復雜性和挑戰，EM 工程師需要使用創新技術進行 3D EM 建模。Cadence 新的創新工作流程與 IC、封裝、PCB 和系統工具無縫銜接，有助于縮短設計周期，提高整體生產力。復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 將復雜的剛柔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 可以在數據庫中捕捉到已經定義的彎曲信息，不需要任何人工操作，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，并轉換整個數據庫，包括彎曲的 3D 幾何形狀、材料屬性、器件和網絡定義。無需使用機械工具來管理幾何信息，所以很容易對彎曲角度進行網格和參數化處理。Clarity 3D Solver可以運行仿真，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

對于現代微型電子系統來說，剛柔結合 PCB 提供的緊湊封裝必不可少。在時間和成本優化方面，與器件密度極高的芯片相比，剛柔結合 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剛柔結合 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。剛柔結合 PCB 的彎曲部分會加劇輻射泄露，因此進行 EM 分析非常重要。

Cadence Clarity 3D Solver 解決方案與 Allegro PCB Designer 集成，提供了一個兩步流程，不僅不易出錯，還極大地減少了進行剛柔結合 PCB 彎曲 EM 分析所需的時間和工作量。

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文章來源：Cadence楷登PCB及封裝資源中心

審核編輯 黃宇