芯片金属散热器辐射发射仿真分析与PCB接地设计建议

PCB接地设计建议

公司：深圳市赛盛技术有限公司    作者：吉娅尼卡     时间：2020/04/05

1、芯片散热器

高功率、高频率芯片正常工作时一般都会安装散热器，若不采取散热措施，则芯片的温度可达到或超过允许的结温，器件将受到损坏。且现在随着信息技术的发展，芯片的集成度越来越高，因此功耗也不断增大，热变成了影响产品可靠高效工作的第一杀手。

芯片散热最简单有效的方式还是传导散热，其中最常用的方法就是将金属散热器安装在芯片的导热面上，利用金属散热器的热传导效应，实现将芯片的热量散到周围空间。

散热器是一种给电子产品中的易发热元件散热的装置，金属材质，多由铝合金，黄铜或青铜做成板状、片状、多片状等，如CPU，DSP、FPGA等芯片都可能需要使用金属散热器。

2、散热器的电磁辐射机理

在电子产品的设计中，通常都需要考虑EMC问题，而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。当高频信号耦合到散热器上时，散热器就成为辐射天线，且工作在较高频率的芯片会导致散热片与地之间产生谐振效应，大大增加了芯片的辐射量级，因此研究抑制散热器电磁辐射的措施具有重要意义。

通常在使用散热器时，需要将散热器接地，这样便可以将MOS管等电子元器件产生的开关辐射以低阻抗路径传到地回路上，减少了EMI问题。如果散热片不接地，则散热片上耦合到的干扰就不能回到地回路，而通过辐射发生出去，会造成严重的EMC问题。本文通过仿真软件建立不同接地方式的散热器模型，分析其所带来的电磁辐射的变化。同时也通过仿真软件来仿真散热片与PCB之间的寄生参数，优化散热片的形状，从而有效降低电磁辐射。

根据散热器的长宽高比例的大小不同，当散热器的高度H达到其耦合到的电磁辐射波长的1/4时，芯片的辐射模型趋向于一根粗的单极子天线，而当L+2S及W+2S大于1/2波长时，散热器将趋向于一个很大的贴片天线模型，即散热器可模拟为一个粗的单极子天线和贴片天线的叠加，如果不处理好散热器与地平面之间的寄生参数，则会产生严重的EMI问题，其等效模型如图1所示。

图1、散热器等效天线模型

随着器件开关频率的提高，引起辐射发射EMI问题越来越严重。图2为散热器与PCB地平面之间的耦合噪声电流分布。图中Inoise为加载的耦合电流源，用来模拟噪声电流，黑色柱子为设置的接地点，当接地点越靠近耦合电流源，且接地点越多时，耦合环路的面积越小，使得更多的噪声电流选择低阻抗的接地点流回地平面，而不是选择通过散热器辐射到空间，从而达到减小辐射发射的目的。

图2、散热器与地之间耦合电流分布

图3所示为散热器几种不同的接地方式的俯视图，分别给散热器与PCB地平面之间接一个接地柱、两个接地柱、三个接地柱、四个接地柱，且对于两个接地柱分别设计了90°配置跟180°配置。接下来通过仿真软件来仿真不同接地方式下对电磁辐射的影响。

（a）0个接地柱                 （b）1个接地柱       

（c）两个接地柱 90º配置       （d）两个接地柱180º配置

（e）3个接地柱               （f）4个接地柱

图3、散热器不同接地方式

3、散热器电磁辐射仿真建模

由于散热器结构的复杂性，很难通过传统的电磁理论来研究散热器的电磁辐射特性，因此本文通过电磁仿真的方法来对PCB芯片上的散热器不同接地方式进行研究，通过仿真散热器不同接地柱数量、接地柱接地位置对EMI的影响，下图所示为PCB的芯片散热器，其在每一块芯片上都添加了一个散热器，因此，给散热器设计一个良好的接地方式能有效减少该主板的EMI问题，且在实际项目中，通过仿真设计也是经济且省时的有效方法。

图4为某PCB上的散热器布置，仿真只讨论散热片的接地方式对电磁辐射的影响，因此，本文对实际的PCB板进行简化，建立了一个简单的三维仿真模型，如图5所示，将PCB地平面看作是理想导电面，且将散热器周围的电磁噪声用等效的电流源替代。

图4、某PCB的芯片散热片

图5、芯片散热器三维结构模型

散热器长、宽、高分别为16mm、 10mm、24mm，材料用理想的导电体PEC替代实际使用的金属材料。为了节省硬件内存及仿真所需时间，只仿真一个芯片散热器不同接地方式下所产生的辐射大小，将其余的散热器都去除，只在一个散热器与PCB地平面之间加激励源，仿真模型如图6所示。散热器底面离PCB地平面的距离为0.6mm，激励源为1A的恒流扫频源，将电流源设置在散热片中央位置。由于现在芯片的工作频率能达到1GHz以上，故将仿真频率设定的范围为，即在0~6GHz范围内进行扫频，同时设置材料特性，定义端口和边界条件，并进行网格剖分等，这些不再详细论述。

图6、芯片散器仿真模型

通过使用仿真软件的时域求解器及结果后处理模板，得到了散热器在0~6GHz的频率范围内3m远场辐射结果如图7所示，图8为不同接地方式下在频率为3GHz时的表面磁场分布图。

图7、不同接地情形下产生的电磁辐射

（a）0个接地柱 （b）1个接地柱

（c）两个接地柱 90º配置                （d）两个接地柱 180º配置

（e）3个接地柱 （f）4个接地柱

图8  不同接地方式下3GHz频率时表面磁场分布

从仿真结果可以得出：

1）散热器接地点同为两个的情况下，接地柱180º配置比90º配置能获得更好的辐射抑制；

2）随着散热器接地点增加，散热器远场辐射的抑制效果越来越好；当接地点增加到4个，辐射最高可抑制35dBuV/m，且在高频的时候仍然有很强的抑制效果，故为了更好地抑制EMI应使用4个接地柱的方式；

3）随着散热器接地点的增加，散热器表面的磁场分布越来越弱，在不接地时产生的电磁辐射最强。

4、导热胶对散热器电磁辐射影响的仿真分析

实际的产品散热设计中，为了增强芯片与散热器之间的导热性能，设计师通常会用导热硅胶填充芯片与散热器之间肉眼无法看到的微小缝隙（如下图所示），增大芯片与散热器之间的接触面积，减小热阻，降低发热配件的工作温度，提供可靠性和延长芯片使用寿命的目的。

导热胶是否会对散热器的辐射发射特性产生影响，这是设计工程师比较疑惑与关心的问题，通过仿真分析可实现对散热胶的电磁辐射影响分析。导热胶的主要成分是二氧化硅，是一种绝缘的介质材料，其介电常数在4~5之间，因此加上导热胶后会使得散热器与PCB地之间的分布电容增大，通过分布电容耦合到散热器上的噪声电流会增大，从而会使电磁辐射增大。

为了验证该理论，现通过仿真软件进行仿真，导热胶的介电常数设为4.5，厚度为0.4mm，将噪声源Inoise设置在芯片与地的中央位置，为1A的恒流扫频源，频率范围为0~6GHz。通过仿真，得出在不接地情况下是否使用导热胶的情况下对散热器远场辐射的影响，如图9所示，其中黑色曲线为加了散热胶后的散热器3m远场辐射曲线，蓝色曲线为不加散热胶的辐射曲线，两者差值最大值为3dB左右的影响。

图9 加导热胶与不加导热胶情况下产生的电磁辐射