現代電子設備對數據傳輸速度和更小體積的需求與日俱增，不斷推動柔性電路板的發展。剛柔結合印刷電路板（PCB）由剛性母板和柔性電路組成，一些層上的柔性電路會直接連在剛性母板上（圖 1）。剛柔結合板的體積更小、重量更輕且成本更低，被廣泛用于現代化的電子設備。優越的彎曲度、適合小空間以及低制造成本，這些特點使其成為移動通信產品的理想選擇。

圖 1：剛柔結合電路板

剛柔 PCB 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復雜的過程進行建模。基于 CadenceClarity 3D Solver 場求解器的工作流程提供了必要的工具互操作性，幫助設計師使用 3D 有限元分析法（FEM）精準驗證剛柔導線的信號完整性。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 仿真環境，減少出錯。

Cadence AllegroPCB Editor 編輯器可以幫助設計師輕松創建并將電路板可視化，被廣泛用于剛柔 PCB 的設計。這一工具的具體功能包括剛柔變形（例如彎曲）、支持柔性電路覆蓋的多重柔性復合、剛柔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并完成電路板布局（ECAD）后，ECAD 數據會被導入 Clarity 3D Solver 進行完整的 3D FEM EM 仿真。Clarity 3D Solver 被用于 PCB、IC 封裝以及片上系統（SoIC）的關鍵互聯設計，采用了 Cadence 分布式多重處理技術，為大型設計提供近乎無限的處理能力和 10 倍的速度提升。

對比平面 PCB 幾何構型仿真，剛柔 PCB 要將剛性電路板與可以在任意方向彎曲和扭曲的 3D 柔性板結合（圖 2），工作流程更加復雜。

剛柔結合板的傳統設計方法采用的是機械計算機輔助設計（MCAD）流程，電路板首先被導入 AutoCAD 等 3D MCAD 工具進行 3D 彎曲，然后將彎曲的電路板以 a.step/.iges/.sat 文件格式導出至 3D EM 工具進行 S 參數提取，這個過程經常會由于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端口創建時也難免出現問題。

即便整個流程都順利完成，EM 仿真也可能由于設計復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 引擎的仿真設置惡性循環。這一迭代過程需要繁瑣的用戶溝通且極為耗時，取決于設計范圍，幾個小時到幾天，甚至幾個禮拜都有可能。

圖 2：有 4 個剛性區域和 3 個柔性區域的剛柔結合電路板

自動化工作流程

Cadence 工作流程采用全自動化、易于使用的解決方案，很好地應對了剛柔彎曲分析的挑戰，設計師僅需幾分鐘即可輕松完成設置。流程具體分成 5 個步驟：

01在 Allegro PCB Editor 軟件中定義參數。

02將定義好的參數導入 Clarity 3D Solver 環境，并驗證疊層物理屬性、網絡、元件和不同區域的準確性。

03使用自動化端口工具定義端口。

04將獲得的 .spd 文件導入 Clarity 3D Solver 工作臺環境。

05定義解決方案的頻率和頻率掃描，啟動仿真。

上述步驟與傳統人工 MCAD 工作流程的不同之處可參考圖 3。

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，并將頻率掃描設定為 10 MHz 到 10 GHz，對有三處彎曲的剛柔 PCB 進行仿真。

Clarity 3D Solver 的自動自適應有限元網格加密功能可以保持剛柔 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計算機進行分區和分布運行，縮短仿真復雜剛柔結構的整體時間。圖 4 中顯示了剛柔結合板已選網格的仿真|S21|與|S11|。圖 5 描述了網格劃分和金屬層的表面電流密度，以及柔性 PCB 彎曲的建模方式。

圖 4：已選網格的仿真|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剛柔結合板，擁有三個柔性區和 2 個剛性區（圖 6）。信號線從剛性區 1 出發，一路經過柔性區 1、2、3，在剛性區 2 中止。接地平面由 0.3 mm 線寬和 0.3 mm 間隙的兩條對角交叉平行線（Xhatch）構成。

圖 6（c）中顯示了位于 2 個剛性截面處的端點。電路性能的仿真環境為 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 中的仿真|S21|和|S11|顯示了彎曲參數與頻率響應函數的細微差別。

圖 6：三處彎曲剛柔結合板在 Allegro PCB Editor 中顯示的布局（a）、三維視圖（b）和在 Clarity 3D Solver 工作臺中的剖面（c）

圖 7：金屬層的網格劃分、柔性電路和剛性板視圖

圖 8：已選網格的仿真|S21|與|S11|

結論

剛柔結合 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周期的加速。這一針對剛柔 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 Clarity3 D Solver 簡化設計步驟、快速開發產品、縮短上市時間。

編輯：jq