CPU散熱器的電磁輻射仿真分析

摘要：應用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寬比、鰭的取向及高度對第一諧振頻率、第一諧振頻率處電場增益及輻射方向的影響。并得出結論：當散熱器底面的長寬比≥1時，隨著寬邊尺寸的增加，第一諧振頻率基本保持在2．6 GHz，電場增益基本不變，約為8．3 dB，輻射方向變化較大；鰭的取向對電場增益及輻射方向影響不大，但縱向鰭高度對諧振頻率影響較大。
關鍵詞：電磁兼容；Pentium4 CPU散熱器；電磁輻射

隨著集成電路技術的高速發展，現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處理器在一個內核中集成了上億個晶體管，且工作頻率已經超過2 GHz。目前，在器件水平上，CPU散熱器的輻射發射已經成為一個主要的電磁輻射源。散熱器上的能量主要由處理器里的硅核強耦合而來，另外還有散熱器附近電路線的耦合。在GHz范圍內，硅核的尺寸遠小于時鐘信號頻率及其諧波的波長，所以硅核自身輻射很小，可忽略。但當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不能忽略。當散熱器的固有頻率接近于CPU的時鐘信號頻率時，散熱器就表現出強輻射，很容易對周圍環境產生電磁干擾，為了減少由此帶來的干擾，必須要研究散熱器的諧振特性及輻射特性。雖然無法精確模擬硅核中的電路以求解精確結果，但散熱器的電磁特性隨其相關參數(底面尺寸、鰭取向及高度)的變化趨勢也非常重要。本文詳細研究了散熱器的底面尺寸長寬比、鰭的取向及高度對第一諧振頻率(文中分析的均為第一諧振頻率，以下簡稱諧振頻率)，及諧振頻率點處電場增益及輻射方向的影響。通過研究，找出一般規律，為散熱器的設計及選取提供依據。

1 數值模型建立
在EMC標準問題的研究中，CPU散熱器問題是電磁兼容的主要問題之一。對于傳統CPU散熱器的建模，通常把散熱器分解成3個部分：接地面、激勵源和散熱器。從實際集成電路的電磁特性來看，可以將CPU核的電磁特性模擬為一個導體貼片。Brench認為可以將散熱器模擬為一個固體塊以簡化計算。Das和Roy通過實驗結果得出結論，可以用單極子天線模擬激勵源。
與傳統的處理器相比，P4處理器的結構和封裝有所不同：在集成芯片的頂部集成了一個散熱片，并且和芯片的封裝絕緣。因此，P4處理器與傳統處理器的散熱器數值模型有所不同，在文獻中，將兩種模型進行了對比，文獻已經提出了一個簡易多層結構數值模型。本文在P4多層簡易數值模型的基礎上，建立更加真實的鰭狀散熱器，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(Substrate)、集成散熱片(IHS)、散熱器(HS)。在此模型基礎上，詳細分析了以下兩點：(1)散熱器底面長寬比的變化對諧振頻點、諧振頻率處電場增益及輻射方向的影響；(2)鰭的取向及高度變化對諧振頻率、諧振頻率處電場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。