CPU散热器的电磁辐射仿真分析

摘要：应用HFSS仿真软件分析了Pentium4 CPU散热器的电磁辐射特性。研究了散热器底面尺寸长宽比、鳍的取向及高度对第一谐振频率、第一谐振频率处电场增益及辐射方向的影响。并得出结论：当散热器底面的长宽比≥1时，随着宽边尺寸的增加，第一谐振频率基本保持在2．6 GHz，电场增益基本不变，约为8．3 dB，辐射方向变化较大；鳍的取向对电场增益及辐射方向影响不大，但纵向鳍高度对谐振频率影响较大。
关键词：电磁兼容；Pentium4 CPU散热器；电磁辐射

    随着集成电路技术的高速发展，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散热器的辐射发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电路线的耦合。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，可忽略。但当能量耦合到散热器上情况就不同了，在这些频率上，散热器的尺寸相比于波长不能忽略。当散热器的固有频率接近于CPU的时钟信号频率时，散热器就表现出强辐射，很容易对周围环境产生电磁干扰，为了减少由此带来的干扰，必须要研究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)的变化趋势也非常重要。本文详细研究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。通过研究，找出一般规律，为散热器的设计及选取提供依据。

1 数值模型建立
    在EMC标准问题的研究中，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核的电磁特性模拟为一个导体贴片。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通过实验结果得出结论，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，将两种模型进行了对比，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，建立更加真实的鳍状散热器，如图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)。在此模型基础上，详细分析了以下两点：(1)散热器底面长宽比的变化对谐振频点、谐振频率处电场增益及辐射方向的影响；(2)鳍的取向及高度变化对谐振频率、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 仿真分析
    首先，将散热器看作一个固体块，采用标准尺寸88．9 mm×63．5 mm×38．1 mm，建立模型，对频率1～6 GHz进行扫频，得出反射系数，如图3所示。对比图3与文献中图4的结果可以看出，在第一谐振点基本一致，在低频处仿真结果更加准确。

2．1 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，变化宽边，观察谐振频率的变化和谐振频率处电场增益、辐射方向的变化。设定散热器长边为88．9 mm，高度为38．1 mm，宽边从40 mm变化到95 mm，每增加5 mm计算一次，即底面长宽比由0．93变化到2．22，得到电场增益及谐振频率随底面长宽比的变化图，如图4所示。

    从图4中看出，(1)当长宽比>1．25时，谐振频率变化并不明显，保持在2．6～2．65 GHz。当长宽比减小时，谐振点将明显向低频偏移，例如，长宽比约为0．93时，谐振点已降到2．4 GHz。这是因为，当宽边<长边时，长边是优势尺寸，它决定了散热器谐振频率。当长边为88．9 mm时，它的谐振点在2．65 GHz左右，当宽边>88．9 mm后，此时宽边变为长边，成为优势尺寸，优势尺寸的变化主要影响了谐振点的变化。另外，在长宽比>1．65时，谐振频率有轻微下移；(2)当长宽比>1．3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化趋势基本一致。

    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θ=30左右。图6(a)～图6(c)给出了随宽边尺寸的增加，CPU散热器3维辐射图的变化。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88．9 mm时的辐射图。由图6(a)到图6(c)的变化，可以看出随着宽边尺寸的增加，辐射方向由xz面的两个辐射方向渐渐变化为xz面和yz面4个辐射方向，这是因为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，长边决定辐射特性，此时有两个辐射方向，如图6(a)和图6(b)所示；当宽边接近长边时，宽边将和长边一起决定辐射特性，此时出现4个辐射方向，如图6(c)所示。
2．2 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，采用散热器的底面长宽为88．9 mm×63．5 mm。鳍厚度为2 mm，鳍间隔2 mm，散热器底部的高为5 mm。
2．2．1 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0～60 mm时，间隔5 mm，进行仿真分析，得到谐振频率及此频率处电场的增益随鳍高度的变化曲线，如图7所示。从图7可以看出，鳍高度在0～60 mm变化时，谐振频率在2．5～2．65 GHz。随着鳍高度的增加，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。

    分别取鳍高为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加，在散热器底部产生了明显的辐射，并且其辐射方向随鳍高度的增加也在变化，如图8所示，但对其两个主要辐射方向影响不大。
2．2．2 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0～50 mm变化，间隔5 mm进行仿真分析，得出第一谐振频率及此频率时电场增益随鳍高度的变化曲线，如图9所示。从图9中可以看出。纵向鳍的变化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，随着鳍高度的增加，第一谐振频率有350 MHz的漂移，在鳍高为20 mm时，出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2．65～2．7 GHz。同时也观察到纵向鳍高度的变化对电场增益影响不大，其保持在8．0 dB，偏差0．4 dB左右。20 mm是个特殊点，此时仿真中出现3个接近的谐振点，只观察了谐振最强的2．7 GHz，所以得出较小的电场增益。

    分别取鳍高为0 mm，33．1 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加，在散热器底部产生了明显的辐射，并且其辐射方向随鳍高度的增加也在变化，但对其两个主要辐射方向影响不大，如图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一致的效应，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化对谐振频率的影响还是很明显的，尤其当鳍的高度在20 mm以下变化时，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、鳍取向和鳍高度变化。通过研究可以看出，散热器底面长宽比的变化对谐振频率有着明显的影响；鳍的取向和高度对谐振频率也有一定影响，随着鳍的变化，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，影响更加明显；这3个因素对电场增益也有影响，但总体影响不大，基本保持在8．0 dB左右。但电场增益已经大于大多数无线通信系统中便携式器件的天线增益，使得散热器表现出明显的天线效应；另外可以看到散热器电场辐射有明显的方向性，但其也受到散热器底面尺寸及鳍高度的影响。由此，在设计或者选择散热器时，需要综合考虑这些因素，使得散热器的电磁辐射及干扰减到最小。