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散热器的电磁辐射和散热特性分析
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摘要：利用F ek。软件分析对比了两种集成电路散热器的电磁辐射特性，再用F hthean软件分析了它们的散热特性。结果表明，散热器在某些频率产生较大辐射，针状散热器的辐射与片状散热器，在一定频率范围内差别不大，但针状散热器散热性能要好于片状散热器。
关键词：散热器;电磁兼容;电磁辐射;热阻
随着高功率芯片工作频率的提高，芯片的散热器产生的电磁干扰越来越严重。工作在较高频率的芯片会导致散热器与地板之问产生谐振效应，使散热器的辐射增大，已有相关文献对散热器电磁干扰特性进行了深入的分析[‘一7{。在散热器的尺寸中，减小高度和底部大小可以减小辐射[2{，但同时也会降低散热器的散热性能。这就需要研究不同结构的散热器的电磁辐射和散热性能，在尺寸不变的情况下，通过结构的优化使散热器在不增大辐射的基础上提高散热性能。文中对比了两种常用结构的散热器的电磁辐射和散热性能，为散热器的选择提供参考依据。
1、散热器模型
在实际电路中，散热器安装在PCB的集成电路上方，散热器藕合的电磁能量来源包括与散热器临近器件的电磁能量、PCB与散热器相邻的走线上的电磁能量和装有散热器的大功率微电了芯片的电磁能量，其中起主要作用的还是需要散热的微电了芯片本身。这些藕合的电磁能量会导致散热器的电磁辐射增大，引起电磁兼容的问题。在IEEE学会EM C分会的第9技术委员会(TC - 9)研究的标准问题中，已经把散热器作为其中的问题之一进行研究[a}。其中，对散热器的分析模型是把PC B板看作理想导电面，把散热器周围的电磁干扰用等效的电压源来代替[a}如图I所示，散热器用理想导电体代替实际中的金属材料。在文献16]中已经提出了使用结构优化的方法来抑制散热器的辐射，所以文中将以两种不同结构的散热器进行对比研究。
由于散热器结构的不同可能会导致它们具有不同的电磁辐射和散热性能，这就需要对这两方面的特性进行分析，为散热器的选取提供必要的依据。基于此本文对集成电路中常用的片状散热器和针状散热器进行分析，明确散热器结构对电磁辐射和散热特性的影响。研究的两种散热器具有相同的底板形状和高度，只是在用于散热的鳍结构上有所不同，片状散热器的鳍是长条状，针状散热器的鳍是横截面积较小的柱状。两种散热器模型的尺寸，如图I所示。参数为:
h=5 mm, t=3 mm, m=2 mm, n=2 mm; L=58 mm, LYE = 58 mm, H = 20 mm。
文中在电磁辐射和散热特性研究中使用相同尺寸的模型。
图1 散热器模型
2、电磁特性分析
由于散热器结构的复杂性，很难通过传统的电磁场理论来研究散热器的电磁辐射。从对散热器研究的文献中可以看出散热器的研究大都采用数值计算方法，而矩量法可以作为频域研究的一种较好的方法[7]。文中采用基于矩量法的电磁场数值计算软件Fek<)分析了两种散热器的电磁辐射特性。在分析时散热器的激励源采用单位电压源，并对散热器进行表面剖分。由于现在芯片的工作频率能达到1 GH z以上，所以通过仿真计算了两种散热器频率在16 GH z的端口反射特性。反射参数代表激励源端口反射回来的能量与入射能量之比，反射参数值越小则通过散热器辐射的能量就越大，所以从端口反射参数可以反映散热器电磁辐射的大小[9]，即反射越小辐射越大。
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