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如何在印刷电路板设计中导入ECAD几何?

2022/4/27    来源:COMSOL    作者:Lorant Olasz      
关键字:印刷电路板设计  ECAD  COMSOL  
COMSOL®软件从5.3版本开始提供了从ECAD文件的二维布局生成几何对象的工具,将其分组为易于使用的仿真设置选项,并在网格剖分之前自动处理ECAD格式固有的几何复杂性。

       你是否曾经想过如何将印刷电路板(PCB)的几何图形导入COMSOL软件并准备进行网格剖分和分析?COMSOL®软件从5.3版本开始提供了从ECAD文件的二维布局生成几何对象的工具,将其分组为易于使用的仿真设置选项,并在网格剖分之前自动处理ECAD格式固有的几何复杂性。COMSOL软件内置了一个新的教程模型:从ODB++存档中导入PCB几何并进行网格划分,来演示此功能。

印刷电路板制造数据的文件格式

       在PCB设计的早期,必须通过在透明板上为轨迹和焊盘布局形状来手动创建铜层的光掩模。例如,使用自粘胶带或擦拭形状。如今,我们可在ECAD设计软件中创建光掩模的布局,并将制造数据以数字方式传输给制造商。

在使用ECAD设计软件之前,必须手动创建光掩模才能设计PCB


       在使用ECAD设计软件之前,必须手动创建光掩模才能设计PCB。图片由Peellden提供-自己的作品。通过Wikimedia Commons在CC BY-SA 3.0下获得许可。

       为此,支持几种文件格式。其中ECAD导入模块支持使用最广泛的一个选项:ODB++®格式。ODB++®格式是包含PCB制造数据的各种文件的压缩存档。行业内另一种广泛使用的格式是Gerber格式,该格式支持通过Artwork Conversion Software,Inc.提供的转换软件NETEX-G导入COMSOL Multiphysics软件中。

引入的新格式:IPC-2581

       IPC-2581格式是PCB制造数据最新添加的可用文件格式,该格式于2004年引入。该格式由IPC-2581联盟维护和开发,是一种开放标准,用于定义单个基于XML的文件以包含PCB制造所需的所有必要信息。该信息包括铜线布局、层堆叠和钻孔信息、电气连接和组件数据、物料清单以及其他数据。

       自2018年8月17日起,ECAD导入模块支持从COMSOL Multiphysics®软件5.3a版本导入IPC-2581 PCB格式。

根据布局数据生成PCB几何

       无论制造数据的文件格式如何,数据文件中的二维铜线布局都让人联想到早期设计方法中使用的带有附加形状的透明板。区别在于,设计师创建了数字拼贴的形状,而不是真正的“拼贴”,从而在图层上建立轨迹和焊盘。

       在导入期间,使用COMSOL Multiphysics生成用于仿真的几何图形的第一步是从布局数据中导入单个形状,然后将它们组合成连接的几何对象。在此过程中,将自动消去内部边缘以降低其复杂性。

左图显示了代表焊盘的圆形和代表ODB++®文件中铜线轨迹的圆角矩形。右图中,没有内部边缘的几何图形生成后,显示出布局的相同区域


       左图显示了代表焊盘的圆形和代表ODB++®文件中铜线轨迹的圆角矩形。右图中,没有内部边缘的几何图形生成后,显示出布局的相同区域。该文件由美国新罕布什尔州汉诺威市的Hypertherm,Inc.提供。

       例如,如果导入的数据包含分段的圆形边缘,则所得对象仍可以包含短边缘。我们可以使用“移除细节”功能轻松消去这些错误,该操作可以自动找到短边,并在满足相切要求的情况下折叠或合并它们。

应用“移除细节”操作后,左侧图像中铜层中孔的分段边缘在右侧图像中被连接在一起,该操作可以自动检测并合并这些分段。


       应用“移除细节”操作后,左侧图像中铜层中孔的分段边缘在右侧图像中被连接在一起,该操作可以自动检测并合并这些分段。该文件由美国新罕布什尔州汉诺威市的Hypertherm,Inc.提供。

       通过消除这些短边段,我们可以更好地控制网格剖分过程。网格单元不再必须考虑边缘之间的点。相反,我们可以自由调整网格单元的大小,以使网格单元能够解析所选择的孔边界。

       在我们选择要导入的ODB++®文件时,将从文件中读取层厚度和高程信息,并在导入的“设置”窗口中显示。我们可以编辑这些数据,甚至可以从先前保存的文本文件中导入它们。在导入期间,将根据此信息拉伸出选定的二维铜线、电介质和钻孔层。通过将导入类型从默认的全三维设置更改为金属壳,可以很容易地关闭铜层的拉伸。这对于将铜层建模为壳几何体的仿真非常有用。我们将不必花费时间将各个厚度值更改为零。

两层PCB几何形状的局部视图


       两层PCB几何形状的局部视图。该文件由美国新罕布什尔州汉诺威市的Hypertherm,Inc.提供。

使用选择进行更快的模型设置

       PCB通常由许多铜线和介电层组成。如果在设置仿真时必须手动选择几何实体,例如为某些由许多面组成的铜层分配一定的网格大小,则设置物理场就非常繁琐。为了使此过程更有效,导入定义了不同层的选择。这些选择既可用于下游几何操作,也可用于定义材料、物理场甚至网格设置。

由“导入”操作定义的选择将自动显示在网格序列的“尺寸”属性的“设置”窗口中


       由“导入”操作定义的选择将自动显示在网格序列的“尺寸”属性的“设置”窗口中。

动手尝试

       ECAD导入模块包括一个新的教程模型,名为从ODB++®存档中导入PCB几何并进行网格剖分。该模型展示了如何从ODB++®文件导入数据、如何生成PCB的几何形状以及如何设置网格。使用ECAD导入模块导入的布局可用于COMSOL中的任何类型的分析:电磁、结构、声学、热、流体流动、化学或这些类型的组合。不妨试试看!

责任编辑:程玥
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