IPC-2581 是一種基於 XML 的開放式標準，能將 PCB 的設計幾何、疊層材料、製造指令與零件清單（BOM）整合為單一數位模型。可導入Marc 進行熱誘導翹曲分析。
想了解更多關於IPC-2581 ，可參考連結 :IPC- 2581 Consortium
在印刷電路板（PCB）設計產業，擁有高階的設計技術之外，製程也是成就高品質成品的關鍵。PCB 已從簡單的導線載體演變為複雜的多學科系統行為。隨著電子商品微型化， PCB 設計層數更多、基板更薄；隨著電路佈局的複雜性，同個區域常呈現多種材料，這使得在製造過程中的物理行為呈現非線性與耦合特性。在其中，最常見的討論，大概就是製程中因為”熱”導致的 PCB 翹曲(Warpage)。
PCB 為什麼會需要翹曲 (Warpage)模擬分析
PCB 的製造過程，要在板子表面黏著(貼裝)各種元件，這樣的表面貼裝技術（Surface Mount Technology, SMT）有一個關鍵焊接，是用高溫熔化錫膏，將表面黏著元件（SMD）牢固焊接在 PCB 焊盤上(稱作回流焊)。這個過程中，熱誘導翹曲（Thermally induced warpage）導致製造缺陷，PCB 板呈現微曲變形。為什麼會這樣呢? 是因為 PCB 內部不同材料（如 FR-4 電介質與銅跡線）之間有不同的熱膨脹係數（CTE），導致不同材料加熱時的膨脹程度不同，如果沒有恰當的配置，即可能出現翹曲變形。電路板經歷高溫回流焊爐（通常達 260°C）後冷卻時，材料間不一致的收縮也會產生內部彎矩，使構件產生彎曲變形。
翹曲若控制不當，會引發嚴重的PCB可靠性問題：
- 製造缺陷：可能導致焊點橋接、枕頭效應（HiP）失效或焊點開路。
- 長期疲勞：板子上的殘餘應力會加速焊點在熱循環過程中的疲勞退化。
- 組裝困難：電路板變形後，即使變形很小，也難以精確安裝至狹小的外殼中。
Marc 的非線性分析功能
針對 PCB 翹曲問題，若沒有模擬分析工具，較難在製作出成品前，先行預測以解決問題。Marc 憑藉其強大的非線性問題求解能力，成為業界工程師進行 PCB 翹曲模擬分析的首選工具。為什麼選 Marc，主要有幾點核心優勢：
- 非線性問題分析：Marc 擅長處理高階非線性分析，包含材料非線性（如聚合物的粘彈性）、幾何非線性（大變形下的剛性矩陣更新）以及邊界非線性（如 PCB 與治具間的接觸問題）。
- 熱-結構耦合分析：能精確模擬隨時間變化的溫度場如何轉化為結構應力，特別是捕捉電介質樹脂在玻璃轉化溫度（Tg）附近的剛性劇烈變化。
- 高階非線性材料模型：支援粘彈性材料模型，對於捕捉環氧樹脂模塑化合物在高溫下的應力鬆弛行為至關重要。
現在，我們明確知道要解決 PCB 翹曲問題，也知道了翹曲產生的原因和分析上的挑戰，因此選用 Marc 來作為分析求解工具。那麼，該怎麼把 PCB 的模型，從原始設計軟體轉換到 Marc的前後處理軟體 – Mentat 作進一步設定呢?
IPC-2581 格式介紹
先來了解什麼是 IPC -2581。為了要能在保留原始的設計細節進行模擬，在匯入原始設計檔案的過程中必須要考量是否能保留詳細的 PCB 模型。IPC-2581 是一種開放式 XML 數據交換標準，提供多學科資料交換與整合的統一架構。而IPC-2581 標準已發布 Rev A、Rev B 與 Rev C 等修訂版。
| 功能類別 | Rev A（基礎） | Rev B（擴充描述） | Rev C（高階整合） |
|---|---|---|---|
| 基本資料 | Netlist、層疊結構、基本製造定位資料 | 完整屬性描述（含公差、材料與製程相關屬性） | 完整定義（支援多材料、3D 結構與系統級描述） |
| 鑽孔規格 | 基本通孔資訊與孔徑定義 | 支援盲孔、埋孔、背鑽與深度鑽孔描述 | 完整孔型描述（含雷射微孔、HDI 孔型與用途屬性） |
| 面板化/外形 | 基本成品外形與尺寸 | 支援面板化描述（含 V-Cut、橋接、邊緣資訊） | 完整面板與外形定義（含整體設計與彎折區域描述） |
| 高階結構設計 | NA | 基礎阻抗控制與測試點描述 | 高階結構描述（剛柔板、嵌入式元件、先進材料應用） |
| 製造資料整合 | 單向製造資料輸出（取代 Gerber） | 製造屬性整合（材料清單 BOM、製程公差） | 雙向資料交換（DFM 回饋、跨供應鏈資料一致性） |
簡單瞄一眼上面的表格，我該輸出哪一個格式來做為翹曲分析用呢?
如何適當地將PCB模型導入Marc進行分析
常見的 PCB 電路設計軟體 (例如: Cadence Allergo/OrCAD)，都會有 IPC-2581 個輸出格式。直覺上，我們會覺得能有 Rev C 的格式來匯入，是不是資料更完整呢? IPC-2581 Rev C 相較 Rev B，主要是補強「材料與 3D 結構的描述完整度」，但這些新增內容在多數 CAE 分析流程中並非必要條件，因此 Rev B 已能滿足大部分分析需求。這也是我們看到大多的 ECAD 檔案匯入 CAE 模擬的程式 (例如: Cadence/ BETA CAE Systems 的 ANSA-ECAD Importer ) 目前支援匯入 ECAD 檔案的格式為 IPC-2581 Rev B。也因此，以目前大多數的狀況，實務操作流程如下(範例):
上圖 Mentat 為有限元素分析 Marc 求解器的專屬前處理軟體。所以將模型匯入後，可以在裡面得到最完整的支援，設定所有 PCB 翹曲分析所需要的細節參數，最後在 Marc 執行分析。
以上為典型操作模式，坊間也有其他的 IPC-2581 檔案轉檔工具，然而重點在於我們了解到 IPC-2581 作為中間轉換格式，帶來的效能和是否滿足每個任務目標所需的 CAE 分析需求。
翹曲分析是 PCB 產業很典型的分析應用。有興趣了解更多應用嗎? 歡迎留言或者來電討論。
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