CPU散熱器的電磁輻射仿真分析

1、cpu散熱器的電磁輻射仿真分析隨著技術(shù)的高速進(jìn)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散熱器的輻射放射已經(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，可忽視。但當(dāng)能量耦合到散熱器上狀況就不同了，在這些頻率上，散熱器的尺寸相比于波長(zhǎng)不能忽視。當(dāng)散熱器的固有頻率臨近于cpu的時(shí)鐘信號(hào)頻率時(shí)，散熱器就表現(xiàn)出強(qiáng)輻射，很簡(jiǎn)單對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾

2、，為了削減由此帶來(lái)的干擾，必需要討論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)的變幻趨勢(shì)也十分重要。本文具體討論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(guò)討論，找出普通邏輯，為散熱器的設(shè)計(jì)及選取提供依據(jù)。1 數(shù)值模型建立在標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題的討論中，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

3、電磁特性模擬為一個(gè)導(dǎo)關(guān)愛(ài)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)試驗(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，將兩種模型舉行了對(duì)照，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，建立越發(fā)真切的鰭狀散熱器，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

4、礎(chǔ)上，具體分析了以下兩點(diǎn)：(1)散熱器底面長(zhǎng)寬比的變幻對(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)鰭的取向及高度變幻對(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 分析首先，將散熱器看作一個(gè)固體塊，采納標(biāo)準(zhǔn)尺寸889 mm635 mm381 mm，建立模型，對(duì)頻率16 ghz舉行掃頻，得出反射系數(shù)，3所示。對(duì)照?qǐng)D3與文獻(xiàn)中圖4的結(jié)果可以看出，在第一諧振點(diǎn)基本全都，在低頻處仿真結(jié)果越發(fā)精確。21 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，變幻寬邊，觀看諧振頻率的變幻和睦振頻率處電場(chǎng)增益、輻射方向的變幻。設(shè)

5、定散熱器長(zhǎng)邊為889 mm，高度為381 mm，寬邊從40 mm變幻到95 mm，每增強(qiáng)5 mm計(jì)算一次，即底面長(zhǎng)寬比由093變幻到222，得到電場(chǎng)增益及諧振頻率隨底面長(zhǎng)寬比的變幻圖，4所示。從圖4中看出，(1)當(dāng)長(zhǎng)寬比125時(shí)，諧振頻率變幻并不顯然，保持在26265 ghz。當(dāng)長(zhǎng)寬比減小時(shí)，諧振點(diǎn)將顯然向低頻偏移，例如，長(zhǎng)寬比約為093時(shí)，諧振點(diǎn)已降到24 ghz。這是由于，當(dāng)寬邊長(zhǎng)邊時(shí)，長(zhǎng)邊是優(yōu)勢(shì)尺寸，它打算了散熱器諧振頻率。當(dāng)長(zhǎng)邊為889 mm時(shí)，它的諧振點(diǎn)在265 ghz左右，當(dāng)寬邊889 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)尺寸的變幻主要影響了諧振點(diǎn)的變幻。另外，在長(zhǎng)寬比16

6、5時(shí)，諧振頻率有輕微下移；(2)當(dāng)長(zhǎng)寬比13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)增益與諧振頻率變幻趨勢(shì)基本全都。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=30左右。圖6(a)圖6(c)給出了隨寬邊尺寸的增強(qiáng)，cpu散熱器3維輻射圖的變幻。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889 mm時(shí)的輻射圖。由圖6(a)到圖6(c)的變幻，可以看出隨著寬邊尺寸的

7、增強(qiáng)，輻射方向由xz面的兩個(gè)輻射方向慢慢變幻為xz面和yz面4個(gè)輻射方向，這是由于長(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)邊打算輻射特性，此時(shí)有兩個(gè)輻射方向，6(a)和圖6(b)所示；當(dāng)寬邊臨近長(zhǎng)邊時(shí)，寬邊將和長(zhǎng)邊一起打算輻射特性，此時(shí)浮現(xiàn)4個(gè)輻射方向，6(c)所示。22 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，采納散熱器的底面長(zhǎng)寬為889 mm635 mm。鰭厚度為2 mm，鰭間隔2 mm，散熱器底部的高為5 mm。221 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060 mm時(shí)，間隔5 mm，

8、舉行仿真分析，得到諧振頻率及此頻率處電場(chǎng)的增益隨鰭高度的變幻曲線，7所示。從圖7可以看出，鰭高度在060 mm變幻時(shí)，諧振頻率在25265 ghz。隨著鰭高度的增強(qiáng)，電場(chǎng)增益增大，當(dāng)鰭高過(guò)20 mm后，電場(chǎng)輻射增益基本保持在8 db左右。分離取鰭高為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強(qiáng)，在散熱器底部產(chǎn)生了顯然的輻射，并且其輻射方向隨鰭高度的增強(qiáng)也在變幻，8所示，但對(duì)其兩個(gè)主要輻射方向影響不大。222 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050 mm變幻，間隔5 mm舉行仿真分析，得出第一諧振頻率及此頻率時(shí)電場(chǎng)增

9、益隨鰭高度的變幻曲線，9所示。從圖9中可以看出?？v向鰭的變幻對(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)，隨著鰭高度的增強(qiáng)，第一諧振頻率有350 mhz的漂移，在鰭高為20 mm時(shí)，浮現(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26527 ghz。同時(shí)也觀看到縱向鰭高度的變幻對(duì)電場(chǎng)增益影響不大，其保持在80 db，偏差04 db左右。20 mm是個(gè)特別點(diǎn)，此時(shí)仿真中浮現(xiàn)3個(gè)臨近的諧振點(diǎn)，只觀看了諧振最強(qiáng)的27 ghz，所以得出較小的電場(chǎng)增益。分離取鰭高為0 mm，331 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強(qiáng)，在散熱器底

10、部產(chǎn)生了顯然的輻射，并且其輻射方向隨鰭高度的增強(qiáng)也在變幻，但對(duì)其兩個(gè)主要輻射方向影響不大，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)出幾乎全都的效應(yīng)，也就是說(shuō)鰭的取向?qū)ι崞鞯妮椛浞较蛴绊懖淮蟆５强v向鰭高度的變幻對(duì)諧振頻率的影響還是很顯然的，尤其當(dāng)鰭的高度在20 mm以下變幻時(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、鰭取向和鰭高度變幻。通過(guò)討論可以看出，散熱器底面長(zhǎng)寬比的變幻對(duì)諧振頻率有著顯然的影響；鰭的取向和高度對(duì)諧振頻率也有一定影響，隨著鰭的變幻，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)，影響越發(fā)顯然；這3個(gè)因素對(duì)電場(chǎng)增益也有影響，但總體