CPU散热器的电磁辐射仿真分析

1、cpu散热器的电磁辐射仿真分析随着技术的高速进展，现代集成芯片的晶体管集成度和工作频率获得了较大提高，例如intel处理器在一个内核中集成了上亿个晶体管，且工作频率已经超过2 ghz。目前，在器件水平上，cpu散热器的辐射放射已经成为一个主要的电磁辐射源。散热器上的能量主要由处理器里的硅核强耦合而来，另外还有散热器附近线的耦合。在ghz范围内，硅核的尺寸远小于时钟信号频率及其谐波的波长，所以硅核自身辐射很小，可忽视。但当能量耦合到散热器上状况就不同了，在这些频率上，散热器的尺寸相比于波长不能忽视。当散热器的固有频率临近于cpu的时钟信号频率时，散热器就表现出强辐射，很简单对周围环境产生电磁干扰

2、，为了削减由此带来的干扰，必需要讨论散热器的谐振特性及辐射特性。虽然无法精确模拟硅核中的电路以求解精确结果，但散热器的电磁特性随其相关参数(底面尺寸、鳍取向及高度)的变幻趋势也十分重要。本文具体讨论了散热器的底面尺寸长宽比、鳍的取向及高度对第一谐振频率(文中分析的均为第一谐振频率，以下简称谐振频率)，及谐振频率点处电场增益及辐射方向的影响。通过讨论，找出普通逻辑，为散热器的设计及选取提供依据。1 数值模型建立在标准问题的讨论中，cpu散热器问题是电磁兼容的主要问题之一。对于传统cpu散热器的建模，通常把散热器分解成3个部分：接地面、激励源和散热器。从实际集成电路的电磁特性来看，可以将cpu核的

3、电磁特性模拟为一个导关爱片。brench认为可以将散热器模拟为一个固体块以简化计算。das和roy通过试验结果得出结论，可以用单极子天线模拟激励源。与传统的处理器相比，p4处理器的结构和封装有所不同：在集成芯片的顶部集成了一个散热片，并且和芯片的封装绝缘。因此，p4处理器与传统处理器的散热器数值模型有所不同，在文献中，将两种模型举行了对照，文献已经提出了一个简易多层结构数值模型。本文在p4多层简易数值模型的基础上，建立越发真切的鳍状散热器，1和图2所示。图2中由下向上，依次为接地板(ground)、贴片(patch)、介质(substrate)、集成散热片(ihs)、散热器(hs)。在此模型基

4、础上，具体分析了以下两点：(1)散热器底面长宽比的变幻对谐振频点、谐振频率处电场增益及辐射方向的影响；(2)鳍的取向及高度变幻对谐振频率、谐振频率处电场增益和辐射方向的影响。图1和图2中各部分的材料如表l所示。2 分析首先，将散热器看作一个固体块，采纳标准尺寸889 mm635 mm381 mm，建立模型，对频率16 ghz举行扫频，得出反射系数，3所示。对照图3与文献中图4的结果可以看出，在第一谐振点基本全都，在低频处仿真结果越发精确。21 散热器底面的长宽比对谐振频率、电场增益及辐射方向的影响将散热器底面的长边及高度固定，变幻宽边，观看谐振频率的变幻和睦振频率处电场增益、辐射方向的变幻。设

5、定散热器长边为889 mm，高度为381 mm，宽边从40 mm变幻到95 mm，每增强5 mm计算一次，即底面长宽比由093变幻到222，得到电场增益及谐振频率随底面长宽比的变幻图，4所示。从图4中看出，(1)当长宽比125时，谐振频率变幻并不显然，保持在26265 ghz。当长宽比减小时，谐振点将显然向低频偏移，例如，长宽比约为093时，谐振点已降到24 ghz。这是由于，当宽边长边时，长边是优势尺寸，它打算了散热器谐振频率。当长边为889 mm时，它的谐振点在265 ghz左右，当宽边889 mm后，此时宽边变为长边，成为优势尺寸，优势尺寸的变幻主要影响了谐振点的变幻。另外，在长宽比16

6、5时，谐振频率有轻微下移；(2)当长宽比13时，电场增益保持在8 db以上，这个增益大于大多数无线通信系统中便携式器件的天线增益，散热器表现出天线效应。长宽比为1左右时，电场增益下降1 db以上。另外，电场增益与谐振频率变幻趋势基本全都。图5给出了3个不同宽边尺寸时，cpu散热器电场增益二维辐射图(3=0)，可以看出，辐射方向在=30左右。图6(a)图6(c)给出了随宽边尺寸的增强，cpu散热器3维辐射图的变幻。图6(a)是宽边为40 mm时的辐射图；图6(b)是宽边为60 mm时的辐射图；图6(c)是宽边等于长边为889 mm时的辐射图。由图6(a)到图6(c)的变幻，可以看出随着宽边尺寸的

7、增强，辐射方向由xz面的两个辐射方向慢慢变幻为xz面和yz面4个辐射方向，这是由于长边对谐振点是优势尺寸，它主要影响了在谐振点处散热器的辐射方向特性。当宽边小于长边时，长边打算辐射特性，此时有两个辐射方向，6(a)和图6(b)所示；当宽边临近长边时，宽边将和长边一起打算辐射特性，此时浮现4个辐射方向，6(c)所示。22 散热器的鳍取向及高度对谐振频率、电场增益及辐射方向影响这里，采纳散热器的底面长宽为889 mm635 mm。鳍厚度为2 mm，鳍间隔2 mm，散热器底部的高为5 mm。221 横向鳍的影响横向鳍，即鳍走向沿着x轴，以z轴对称两边各8个。当鳍的高度在060 mm时，间隔5 mm，

8、举行仿真分析，得到谐振频率及此频率处电场的增益随鳍高度的变幻曲线，7所示。从图7可以看出，鳍高度在060 mm变幻时，谐振频率在25265 ghz。随着鳍高度的增强，电场增益增大，当鳍高过20 mm后，电场辐射增益基本保持在8 db左右。分离取鳍高为o mm，35 mm和55 mm时，由散热器的电场增益2d图看到，随着横向鳍高度的增强，在散热器底部产生了显然的辐射，并且其辐射方向随鳍高度的增强也在变幻，8所示，但对其两个主要辐射方向影响不大。222 纵向鳍的影响纵向鳍，即鳍走向沿着y轴，以z轴对称两边各11个，鳍高度为050 mm变幻，间隔5 mm举行仿真分析，得出第一谐振频率及此频率时电场增

9、益随鳍高度的变幻曲线，9所示。从图9中可以看出。纵向鳍的变幻对谐振频率的影响较大，而且比较复杂，尤其是在鳍的高度20 mm时，随着鳍高度的增强，第一谐振频率有350 mhz的漂移，在鳍高为20 mm时，浮现了多个不同的谐振点。当鳍的高度20 mm时，谐振频率基本保持在26527 ghz。同时也观看到纵向鳍高度的变幻对电场增益影响不大，其保持在80 db，偏差04 db左右。20 mm是个特别点，此时仿真中浮现3个临近的谐振点，只观看了谐振最强的27 ghz，所以得出较小的电场增益。分离取鳍高为0 mm，331 mm，50 mln时，由散热器的电场增益2d图看到，随着纵向鳍高度的增强，在散热器底

10、部产生了显然的辐射，并且其辐射方向随鳍高度的增强也在变幻，但对其两个主要辐射方向影响不大，10所示。由纵向鳍和横向鳍的仿真分析可以看出，总体上纵向鳍与横向鳍表现出几乎全都的效应，也就是说鳍的取向对散热器的辐射方向影响不大。但是纵向鳍高度的变幻对谐振频率的影响还是很显然的，尤其当鳍的高度在20 mm以下变幻时，谐振频率漂移很大。3 结束语本文重点分析了两个因素对散热器谐振频率、谐振频率处的电场增益及辐射方向的影响，即散热器底面尺寸的长宽比、鳍取向和鳍高度变幻。通过讨论可以看出，散热器底面长宽比的变幻对谐振频率有着显然的影响；鳍的取向和高度对谐振频率也有一定影响，随着鳍的变幻，谐振频率有大约100 mhz的漂移，尤其对于纵向鳍，在其高度20 mm时，影响越发显然；这3个因素对电场增益也有影响，但总体