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，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。