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(guò)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(lái)，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?chē)h(huán)境產(chǎn)生電磁干擾，為了減少由此帶來(lái)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(chēng)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(guò)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(wèn)題的研究中，CPU散熱器問(wèn)題是電磁兼容的主要問(wèn)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(lái)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(guò)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。