CPU散熱器的電磁輻射仿真分析

摘要：應(yīng)用HFSS仿真軟件分析了Pentium4 CPU散熱器的電磁輻射特性。研究了散熱器底面尺寸長(zhǎng)寬比、鰭的取向及高度對(duì)第一諧振頻率、第一諧振頻率處電場(chǎng)增益及輻射方向的影響。并得出結(jié)論：當(dāng)散熱器底面的長(zhǎng)寬比≥1時(shí)，隨著寬邊尺寸的增加，第一諧振頻率基本保持在2．6 GHz，電場(chǎng)增益基本不變，約為8．3 dB，輻射方向變化較大；鰭的取向?qū)﹄妶?chǎng)增益及輻射方向影響不大，但縱向鰭高度對(duì)諧振頻率影響較大。
關(guān)鍵詞：電磁兼容；Pentium4 CPU散熱器；電磁輻射

    隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)代集成芯片的晶體管集成度和工作頻率獲得了較大提高，例如Intel處理器在一個(gè)內(nèi)核中集成了上億個(gè)晶體管，且工作頻率已經(jīng)超過2 GHz。目前，在器件水平上，CPU散熱器的輻射發(fā)射已經(jīng)成為一個(gè)主要的電磁輻射源。散熱器上的能量主要由處理器里的硅核強(qiáng)耦合而來，另外還有散熱器附近電路線的耦合。在GHz范圍內(nèi)，硅核的尺寸遠(yuǎn)小于時(shí)鐘信號(hào)頻率及其諧波的波長(zhǎng)，所以硅核自身輻射很小，可忽略。但當(dāng)能量耦合到散熱器上情況就不同了，在這些頻率上，散熱器的尺寸相比于波長(zhǎng)不能忽略。當(dāng)散熱器的固有頻率接近于CPU的時(shí)鐘信號(hào)頻率時(shí)，散熱器就表現(xiàn)出強(qiáng)輻射，很容易對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾，為了減少由此帶來的干擾，必須要研究散熱器的諧振特性及輻射特性。雖然無(wú)法精確模擬硅核中的電路以求解精確結(jié)果，但散熱器的電磁特性隨其相關(guān)參數(shù)(底面尺寸、鰭取向及高度)的變化趨勢(shì)也非常重要。本文詳細(xì)研究了散熱器的底面尺寸長(zhǎng)寬比、鰭的取向及高度對(duì)第一諧振頻率(文中分析的均為第一諧振頻率，以下簡(jiǎn)稱諧振頻率)，及諧振頻率點(diǎn)處電場(chǎng)增益及輻射方向的影響。通過研究，找出一般規(guī)律，為散熱器的設(shè)計(jì)及選取提供依據(jù)。

1 數(shù)值模型建立
    在EMC標(biāo)準(zhǔn)問題的研究中，CPU散熱器問題是電磁兼容的主要問題之一。對(duì)于傳統(tǒng)CPU散熱器的建模，通常把散熱器分解成3個(gè)部分：接地面、激勵(lì)源和散熱器。從實(shí)際集成電路的電磁特性來看，可以將CPU核的電磁特性模擬為一個(gè)導(dǎo)體貼片。Brench認(rèn)為可以將散熱器模擬為一個(gè)固體塊以簡(jiǎn)化計(jì)算。Das和Roy通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論，可以用單極子天線模擬激勵(lì)源。
    與傳統(tǒng)的處理器相比，P4處理器的結(jié)構(gòu)和封裝有所不同：在集成芯片的頂部集成了一個(gè)散熱片，并且和芯片的封裝絕緣。因此，P4處理器與傳統(tǒng)處理器的散熱器數(shù)值模型有所不同，在文獻(xiàn)中，將兩種模型進(jìn)行了對(duì)比，文獻(xiàn)已經(jīng)提出了一個(gè)簡(jiǎn)易多層結(jié)構(gòu)數(shù)值模型。本文在P4多層簡(jiǎn)易數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，建立更加真實(shí)的鰭狀散熱器，如圖1和圖2所示。圖2中由下向上，依次為接地板(Ground)、貼片(Patch)、介質(zhì)(Substrate)、集成散熱片(IHS)、散熱器(HS)。在此模型基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了以下兩點(diǎn)：(1)散熱器底面長(zhǎng)寬比的變化對(duì)諧振頻點(diǎn)、諧振頻率處電場(chǎng)增益及輻射方向的影響；(2)鰭的取向及高度變化對(duì)諧振頻率、諧振頻率處電場(chǎng)增益和輻射方向的影響。圖1和圖2中各部分的材料如表l所示。

2 仿真分析
    首先，將散熱器看作一個(gè)固體塊，采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸88．9 mm×63．5 mm×38．1 mm，建立模型，對(duì)頻率1～6 GHz進(jìn)行掃頻，得出反射系數(shù)，如圖3所示。對(duì)比圖3與文獻(xiàn)中圖4的結(jié)果可以看出，在第一諧振點(diǎn)基本一致，在低頻處仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2．1 散熱器底面的長(zhǎng)寬比對(duì)諧振頻率、電場(chǎng)增益及輻射方向的影響
    將散熱器底面的長(zhǎng)邊及高度固定，變化寬邊，觀察諧振頻率的變化和諧振頻率處電場(chǎng)增益、輻射方向的變化。設(shè)定散熱器長(zhǎng)邊為88．9 mm，高度為38．1 mm，寬邊從40 mm變化到95 mm，每增加5 mm計(jì)算一次，即底面長(zhǎng)寬比由0．93變化到2．22，得到電場(chǎng)增益及諧振頻率隨底面長(zhǎng)寬比的變化圖，如圖4所示。

    從圖4中看出，(1)當(dāng)長(zhǎng)寬比>1．25時(shí)，諧振頻率變化并不明顯，保持在2．6～2．65 GHz。當(dāng)長(zhǎng)寬比減小時(shí)，諧振點(diǎn)將明顯向低頻偏移，例如，長(zhǎng)寬比約為0．93時(shí)，諧振點(diǎn)已降到2．4 GHz。這是因?yàn)?，?dāng)寬邊<長(zhǎng)邊時(shí)，長(zhǎng)邊是優(yōu)勢(shì)尺寸，它決定了散熱器諧振頻率。當(dāng)長(zhǎng)邊為88．9 mm時(shí)，它的諧振點(diǎn)在2．65 GHz左右，當(dāng)寬邊>88．9 mm后，此時(shí)寬邊變?yōu)殚L(zhǎng)邊，成為優(yōu)勢(shì)尺寸，優(yōu)勢(shì)尺寸的變化主要影響了諧振點(diǎn)的變化。另外，在長(zhǎng)寬比>1．65時(shí)，諧振頻率有輕微下移；(2)當(dāng)長(zhǎng)寬比>1．3時(shí)，電場(chǎng)增益保持在8 dB以上，這個(gè)增益大于大多數(shù)無(wú)線通信系統(tǒng)中便攜式器件的天線增益，散熱器表現(xiàn)出天線效應(yīng)。長(zhǎng)寬比為1左右時(shí)，電場(chǎng)增益下降1 dB以上。另外，電場(chǎng)增益與諧振頻率變化趨勢(shì)基本一致。

    圖5給出了3個(gè)不同寬邊尺寸時(shí)，CPU散熱器電場(chǎng)增益二維輻射圖(3=0)，可以看出，輻射方向在θ=30左右。圖6(a)～圖6(c)給出了隨寬邊尺寸的增加，CPU散熱器3維輻射圖的變化。圖6(a)是寬邊為40 mm時(shí)的輻射圖；圖6(b)是寬邊為60 mm時(shí)的輻射圖；圖6(c)是寬邊等于長(zhǎng)邊為88．9 mm時(shí)的輻射圖。由圖6(a)到圖6(c)的變化，可以看出隨著寬邊尺寸的增加，輻射方向由xz面的兩個(gè)輻射方向漸漸變化為xz面和yz面4個(gè)輻射方向，這是因?yàn)殚L(zhǎng)邊對(duì)諧振點(diǎn)是優(yōu)勢(shì)尺寸，它主要影響了在諧振點(diǎn)處散熱器的輻射方向特性。當(dāng)寬邊小于長(zhǎng)邊時(shí)，長(zhǎng)邊決定輻射特性，此時(shí)有兩個(gè)輻射方向，如圖6(a)和圖6(b)所示；當(dāng)寬邊接近長(zhǎng)邊時(shí)，寬邊將和長(zhǎng)邊一起決定輻射特性，此時(shí)出現(xiàn)4個(gè)輻射方向，如圖6(c)所示。
2．2 散熱器的鰭取向及高度對(duì)諧振頻率、電場(chǎng)增益及輻射方向影響
    這里，采用散熱器的底面長(zhǎng)寬為88．9 mm×63．5 mm。鰭厚度為2 mm，鰭間隔2 mm，散熱器底部的高為5 mm。
2．2．1 橫向鰭的影響
    橫向鰭，即鰭走向沿著x軸，以z軸對(duì)稱兩邊各8個(gè)。當(dāng)鰭的高度在0～60 mm時(shí)，間隔5 mm，進(jìn)行仿真分析，得到諧振頻率及此頻率處電場(chǎng)的增益隨鰭高度的變化曲線，如圖7所示。從圖7可以看出，鰭高度在0～60 mm變化時(shí)，諧振頻率在2．5～2．65 GHz。隨著鰭高度的增加，電場(chǎng)增益增大，當(dāng)鰭高過20 mm后，電場(chǎng)輻射增益基本保持在8 dB左右。

    分別取鰭高為O mm，35 mm和55 mm時(shí)，由散熱器的電場(chǎng)增益2D圖看到，隨著橫向鰭高度的增加，在散熱器底部產(chǎn)生了明顯的輻射，并且其輻射方向隨鰭高度的增加也在變化，如圖8所示，但對(duì)其兩個(gè)主要輻射方向影響不大。
2．2．2 縱向鰭的影響
    縱向鰭，即鰭走向沿著y軸，以z軸對(duì)稱兩邊各11個(gè)，鰭高度為0～50 mm變化，間隔5 mm進(jìn)行仿真分析，得出第一諧振頻率及此頻率時(shí)電場(chǎng)增益隨鰭高度的變化曲線，如圖9所示。從圖9中可以看出?？v向鰭的變化對(duì)諧振頻率的影響較大，而且比較復(fù)雜，尤其是在鰭的高度<20 mm時(shí)，隨著鰭高度的增加，第一諧振頻率有350 MHz的漂移，在鰭高為20 mm時(shí)，出現(xiàn)了多個(gè)不同的諧振點(diǎn)。當(dāng)鰭的高度>20 mm時(shí)，諧振頻率基本保持在2．65～2．7 GHz。同時(shí)也觀察到縱向鰭高度的變化對(duì)電場(chǎng)增益影響不大，其保持在8．0 dB，偏差0．4 dB左右。20 mm是個(gè)特殊點(diǎn)，此時(shí)仿真中出現(xiàn)3個(gè)接近的諧振點(diǎn)，只觀察了諧振最強(qiáng)的2．7 GHz，所以得出較小的電場(chǎng)增益。

    分別取鰭高為0 mm，33．1 mm，50 mln時(shí)，由散熱器的電場(chǎng)增益2D圖看到，隨著縱向鰭高度的增加，在散熱器底部產(chǎn)生了明顯的輻射，并且其輻射方向隨鰭高度的增加也在變化，但對(duì)其兩個(gè)主要輻射方向影響不大，如圖10所示。
    由縱向鰭和橫向鰭的仿真分析可以看出，總體上縱向鰭與橫向鰭表現(xiàn)出幾乎一致的效應(yīng)，也就是說鰭的取向?qū)ι崞鞯妮椛浞较蛴绊懖淮?。但是縱向鰭高度的變化對(duì)諧振頻率的影響還是很明顯的，尤其當(dāng)鰭的高度在20 mm以下變化時(shí)，諧振頻率漂移很大。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本文重點(diǎn)分析了兩個(gè)因素對(duì)散熱器諧振頻率、諧振頻率處的電場(chǎng)增益及輻射方向的影響，即散熱器底面尺寸的長(zhǎng)寬比、鰭取向和鰭高度變化。通過研究可以看出，散熱器底面長(zhǎng)寬比的變化對(duì)諧振頻率有著明顯的影響；鰭的取向和高度對(duì)諧振頻率也有一定影響，隨著鰭的變化，諧振頻率有大約100 MHz的漂移，尤其對(duì)于縱向鰭，在其高度<20 mm時(shí)，影響更加明顯；這3個(gè)因素對(duì)電場(chǎng)增益也有影響，但總體影響不大，基本保持在8．0 dB左右。但電場(chǎng)增益已經(jīng)大于大多數(shù)無(wú)線通信系統(tǒng)中便攜式器件的天線增益，使得散熱器表現(xiàn)出明顯的天線效應(yīng)；另外可以看到散熱器電場(chǎng)輻射有明顯的方向性，但其也受到散熱器底面尺寸及鰭高度的影響。由此，在設(shè)計(jì)或者選擇散熱器時(shí)，需要綜合考慮這些因素，使得散熱器的電磁輻射及干擾減到最小。