CN109769341B - 一种用于解决金属散热片的天线效应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种用于解决金属散热片的天线效应的方法，其中包括：步骤S1、提供一设置于PCB板上的集成芯片，于集成芯片上通过一导热层设置一金属散热片；步骤S2、于集成芯片与金属散热片之间设置至少一个支撑件，至少一个支撑件连接于PCB板与金属散热片之间；步骤S3、于集成芯片与金属散热片之间设置一接地连接件，接地连接件连接于金属散热片与PCB板的接地点之间，通过调整接地连接件的高度和/或调整集成芯片与金属散热片的接触点位置与接地连接件之间的距离，以降低金属散热片的天线效应。有益效果在于：降低金属散热片的天线效应，协助设计者设计出低辐射的散热器，也可在协助工程师分析验证电子产品的EMI辐射问题。

Description

一种用于解决金属散热片的天线效应的方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种用于解决金属散热片的天线效应的方法。

背景技术

随着电子行业的发展，电子设备信号传输的速率越来越高，比如，市场上4K的显示屏接口采用高速串行接口“V-By-One”模式传输，其数据传输率已经达到2.97GHz，这样造成的电磁干扰(EMI，Electromagnet Interference)辐射尤为突出。并且，在性能不断提升的系统中，处理系统散热变得越来越棘手，为了确保设备安全稳定的运行，用金属散热片来给集成芯片的散热已经成为业界的主流选择，但引入不当设计的金属散热片后会使得系统中的高频信号，比如高速串行接口“V-By-One”的2.97GHz的辐射问题尤为严重，显著增加了产品的研发成本和生产成本。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种用于解决金属散热片的天线效应的方法。

具体技术方案如下：

一种用于解决金属散热片的天线效应的方法，其中包括：

步骤S1、提供一设置于PCB板上的集成芯片，于所述集成芯片上通过一导热层连接一金属散热片；

步骤S2、于所述集成芯片与所述金属散热片之间设置至少一个支撑件，至少一个所述支撑件连接于所述PCB板的地与所述金属散热片之间；

步骤S3、于所述集成芯片与所述金属散热片之间设置一接地连接件，所述接地连接件连接于所述金属散热片与所述PCB板的地之间，通过调整所述接地连接件的高度和/或调整所述集成芯片与所述金属散热片的接触点位置与所述接地连接件之间的距离，以降低所述金属散热片的天线效应。

优选的，于所述步骤S2中，至少一个所述支撑件分别垂直于所述PCB板与所述金属散热片。

优选的，于所述步骤S2中，所述PCB板与所述金属散热片之间设置两个所述支撑件。

优选的，所述金属散热片成矩形，两个所述支撑件分别设置于所述矩形的一组对角。

优选的，于所述步骤S3中，所述接地连接件分别垂直于所述PCB板与所述金属散热片。

优选的，所述接地连接件为金属片或金属线或金属条或金属板或金属连接件或金属型材。

优选的，每个所述接地连接件的高度通过以下公式表示：

1/4λ＝L₁+L₂+H；

其中，

H用于表示所述接地连接件的高度；

λ用于表示天线辐射的波长；

L₁用于表示所述金属散热片的宽度；

L₂用于表示所述金属散热片的长度。

优选的，所述接地连接件的高度至少设置为6mm。

优选的，产生天线效应的所述金属散热片的的输入阻抗通过以下公式表示：

其中，

λ₀用于表示自由空间的波长；

β用于表示所述金属散热片在谐振频率时的传播常数；

S用于表示所述集成芯片与所述金属散热片的接触点位置与所述接地连接件之间的距离；

L₁用于表示所述金属散热片的宽度；

L₂用于表示所述金属散热片的长度；

使所述集成芯片与所述金属散热片的接触点位置与所述接地连接件之间的距离不等于产生天线效应的所述金属散热片的阻抗匹配时S的取值。

优选的，所述金属散热片的形状包括H型或扁平型或波浪纹型或鳍片型。

本发明的技术方案有益效果在于：公开一种用于解决金属散热片的天线效应的方法，通过在PCB板与金属散热片之间设置接地连接件，通过调整接地连接件的高度和/或通过调整集成芯片与金属散热片的接触点位置与接地连接件之间的距离，以降低金属散热片的天线效应，并且可以协助设计者设计出低辐射的H形散热器，也可在协助工程师分析验证电子产品的EMI辐射问题。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1为现有技术中，关于电磁信号在空间辐射方式的传播波形图；

图2a-2c为现有技术中，关于天线辐射原理图；

图3为现有技术中，关于1/2对称振子的结构示意图；

图4a-4c为现有技术中，关于散热片产生辐射的示意图；

图5为现有技术中，关于PIFA天线的结构示意图；

图6为现有技术中，关于PIFA天线的近似模型的结构示意图；

图7为现有技术中，关于PIFA天线的等效模型的结构示意图；

图8为本发明的实施例的用于解决散热片的天线效应的方法的步骤流程图；

图9为本发明的实施例的用于解决散热片的天线效应的方法的PIFA天线的结构示意图；

图10为本发明的实施例的用于解决散热片的天线效应的方法的接地连接件的结构示意图；

图11为本发明的实施例的集成芯片与金属散热片的接触点位置与接地连接件之间的输入阻抗的曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

目前，电磁波在空中是以电场和磁场相互转化的方式传播的，电磁波在空间辐射的方式，如图1所示，其中包括三个表征参数，波长λ、速度V、频率f的关系式为，λ＝V/f，其中V为光在空气中的传播速度。比如，当导线上有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关，如果导线位置相距很近，且其上产生的感应电动势几乎可以抵消，则辐射会比较微弱；当两根导线张开，此时由于两根导线的电流方向相同，由两根导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强；当导线的长度远小于波长λ时，导线的电流很小，辐射很微弱；但当导线的长度增大到可与波长相似时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射，如2a-2c所示。通常将该情况下能产生显著辐射的直导线称为振子，其中，半波振子就是天线中较简单的一种，因其长度约为半个波长，故被称为半波振子；两臂长度相等的振子叫做对称振子，如图3所示，全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。

然而，在现有技术中，理论和实践表明，结合图4a-4c所示，当天线的长度为无线电波信号波长的1/4倍数时，天线的发射和接收效率最高，因此，当散热片的尺寸，包括散热片的长度尺寸，散热片的宽度尺寸等，和信号的1/4波长成特定比例或者整数倍时，散热片在紧贴集成芯片时，辐射源和散热片之间是紧密贴在一起，这样利于散热，故辐射源和散热片之间的耦合电容不可忽略，该电容的大小与芯片和散热片直接的接触面积相关，其感应耦合到辐射源的信号，而对于H形散热片，由于散热片紧贴集成芯片，即辐射源，故在散热片上形成感应电动势，此时也可以形成偶极振子天线，如果此时散热片尺寸满足该要求，使得发射网络匹配，产生谐振，则耦合的电磁波会以最大的辐射功率发射出去。进一步地，为了固定金属散热片，会在PCB板上设置一固定柱，此时，可以得到截面图如图4c所示，当加入固定柱后，整个金属散热片形成的半波天线变换成了PIFA天线(Planar Inverted F-SharpedAntennae)，即平面倒形F天线。

结合图5、6、7所示，由于整个PIFA天线的形状像个倒置的英文字母F而得名，它的基本结构包括4个部分：接地平面、辐射单元、短路金属片及同轴馈线，其典型的结构如图5所示，其中，接地平面可以作为反射面，辐射单元是与接地平面平行的金属片，短路金属片用于连接辐射单元和接地平面，同轴馈线用于信号传输。

PIFA天线的传输线近似模型如图6所示，在忽略接地片和馈线的分布效应，PIFA天线等效于两段长度分别为L1和L2的传输线相并联。其中，L1等效于馈线于接地片之间的电长度，L2表示馈线于开路端的电长度，不考虑馈线和接地片的分布参数效应，PIFA天线的传输线近似模型如图7所示，其中Rs表示接地排的寄生电阻，Ls表示接地片的分布电感。R_L和C_C表示开路端的寄生电容和电阻。

PIFA天线类似于接地的单极子天线，这是引起是放置在地面上方包含接地片的一种谐振式天线，由于接地线的作用，使得PIFA天线的谐振长度从λ/2缩短到λ/4，或者说PIFA天线也可以当做是微带天线，只是辐射单元和接地面之间就是采用ε_r＝1的空气。因此，可以采用微带天线类似的分析法来对PIFA天线进行特性分析，故根据微带天线理论可以得出两个基本结论：(1)该PIFA天线的谐振波长为贴片边长，可以理解为矩形散热片两边到接地点的长之和的4倍，注意需考虑介质对波长的缩短效应；(2)该PIFA天线在辐射时，主要靠近边缘，而边缘的电场越靠近外侧，并向外侧倾斜，辐射越好，即开放场，故PIFA天线的高度对辐射影响很大。

因此，针对现有技术中存在的上述问题，本发明包括一种用于解决金属散热片的天线效应的方法，其中包括：

步骤S1、提供一设置于PCB板1上的集成芯片(在图中未示出)，于集成芯片(在图中未示出)上通过一导热层(在图中未示出)连接一金属散热片2；

步骤S2、于集成芯片(在图中未示出)与金属散热片2之间设置至少一个支撑件10，至少一个支撑件10连接于PCB板的地与金属散热片2之间；

步骤S3、于集成芯片(在图中未示出)与金属散热片2之间设置一接地连接件11，接地连接件10连接于金属散热片2与PCB板1的地之间，通过调整集成芯片(在图中未示出)与金属散热片2的接触点位置与接地连接件11之间的距离，以降低金属散热片的天线效应。

通过上述用于解决金属散热片的天线效应的方法的技术方案，结合图8、9、10所示，基于现有技术中电磁辐射以及天线原理对H形散热片的形状，面积等相关参数对辐射产生的影响进行研究分析，破坏潜在辐射源在传输通路上的最佳信号传输通路，使其传输阻抗被阻塞，抑制其在系统中辐射强度。并且采用该方法可协助设计者设计出低辐射的H形散热器，也可在协助工程师分析验证电子产品的EMI辐射问题。

具体地，在本实施例中，针对EMI辐射问题的影响来抑制金属散热片的天线效应，通过在PCB板1与金属散热片2之间设置接地连接件11，通过调整接地连接件11的高度和/或通过调整集成芯片(在图中未示出)与金属散热片2的接触点位置与接地连接件11之间的距离，以降低金属散热片的天线效应，并且可以协助设计者设计出低辐射的H形散热器，也可在协助工程师分析验证电子产品的EMI辐射问题。

需要说明的是，因集成芯片的面积小于金属散热件2的接触面积，因此，在图9中，集成芯片在图中未示出，在此不再赘述。

在一种较优的实施例中，于步骤S2中，至少一个支撑件10分别垂直于集成芯片(在图中未示出)与金属散热片2。

具体地，支撑件10的作用是为了固定金属散热片2，上述技术方案中，集成芯片(在图中未示出)与金属散热片2之间设置两个支撑件10，金属散热片2成矩形，两个支撑件10分别设置于矩形的一组对角。

需要说明的是，为固定金属散热片2，且保证金属散热片2的稳定性，支撑件2可以设置两个，因图9的整体结构示意图，只能观察到一个支撑件10，在此不再赘述。

在一种较优的实施例中，于步骤S3中，接地连接件11分别垂直于PCB板1与金属散热片2。

具体地，当加入接地连接件11后，整个金属散热片2形成的半波天线变换成了PIFA天线，此时，PIFA天线类似于接地的单极子天线，这是引起是放置在地面上方包含接地片的一种谐振式天线，由于接地线的作用，使得PIFA天线的谐振长度从λ/2缩短到λ/4，或者说PIFA天线也可以当做是微带天线，只是辐射单元和接地面之间就是采用ε_r＝1的空气。因此，该PIFA天线的谐振波长为贴片边长，可以理解为矩形散热片两边到接地点的长之和的4倍，注意此时需考虑介质对波长的缩短效应；并且该PIFA天线在辐射时，主要靠近边缘，而边缘的电场越靠近外侧，并向外侧倾斜，辐射越好，即开放场，故PIFA天线的高度对辐射影响很大。

上述技术方案中，接地连接件11为金属片或金属线或金属条或金属板或金属连接件或金属型材，因生产需要可以设置为上述结构中的一种，进而增大了用户选择的范围，在此不再赘述。

在一种较优的实施例中，接地连接件11的高度通过以下公式表示：

1/4λ＝L₁+L₂+H；

其中，

H用于表示接地连接件11的高度；

λ用于表示半波天线的传播波长；

L₁用于表示金属散热片2的宽度；

L₂用于表示金属散热片2的长度。

具体地，通过在PCB板1与金属散热片2之间设置接地连接件11，通过调节接地连接件11的高度来降低金属散热片2的天线效应，根据图8、9所示的PIFA天线的近似模型，由于作为金属散热片2的接地脚，接地脚的宽度通常比较小，故得到如下相关的近似谐振频率：

其中，C为真空光速，L₁和L₂的值同接地点的位置相关，L₁用于表示金属散热片2的宽度，L₂用于表示金属散热片2的长度，H为辐射面到地面间短路片的高度，即接地连接件11的高度。

进一步地，通过上述公式得到每个接地连接件11的高度如下式：

1/4λ＝L₁+L₂+H；

其中，辐射体(即我们认为可以是金属散热片2)和接地面(即我们认为可以是PCB板1)的接地连接件11的高度H对PIFA天线的工作带宽产生严重影响，带宽随着接地连接件11的高度H的增加而增加，PIFA天线中对带宽起决定作用的结构参数就是接地连接件11的高度H。

上述技术方案中，优选的，接地连接件11的高度至少设置为6mm。

具体地，对于EMC(Electromagnetic Compatibility，电磁兼容性)来说，希望金属散热片2离PCB板1的高度其可能的高，但是根据长时间累计的数据显示，在条件允许的情况下高于6mm这个经验值，该特征同为了解决EMC问题采取频率展宽方式SSC功能类似。因此，PIFA天线中的接地连接件11的高度H不允许低于7mm，严禁低于6mm，从辐射能量守恒的角度出发，在辐射能量不变的情况下，辐射带宽变宽可以有效降低单一方向的辐射强度。

并且，接地连接件11的宽度增加以使带宽增加，接地连接件11的宽度降低以使带宽也降低，建议此时尽可能地增加接地连接件11的宽度来使得高速串行接口“V-By-One”的2.97GHz的能量辐射分散一些，有利于EMI，即通过调整接地连接件11的高度，以降低所述金属散热片的天线效应。

在一种较优的实施例中，产生天线效应的金属散热片2的之间的输入阻抗通过以下公式表示：

其中，

λ₀用于表示自由空间的波长；

β用于表示金属散热片2在谐振频率时的传播常数；

S用于表示集成芯片(在图中未示出)与金属散热片2的接触点位置与接地连接件11之间的距离；

L₁用于表示金属散热片的宽度；

L₂用于表示金属散热片的长度；

使集成芯片(在图中未示出)与金属散热片2的接触点位置与接地连接件11之间的距离不等于产生天线效应的金属散热片2的阻抗匹配时S的取值。

具体地，通过调整集成芯片(在图中未示出)与金属散热片2的接触点位置与接地连接件11之间的距离，即集成芯片(在图中未示出)与金属散热片2的接触点位置与接地连接件11之间的长度S可以降低金属散热片的天线效应，结合图9、10、11所示，在金属散热片2作为PIFA天线时，接地连接件11为短路片，PCB板1为接地片，两者结合起来看作为双线传输线，馈电中心为金属散热片2和集成芯片的接触点。

进一步地，PIFA天线的谐振频率是以1/4波长来决定的，当接地短路点和馈入点重合则输入阻抗为0，当接地短路点和馈入点长度增大时，其输入阻抗可达到很大，在自由空间中，根据传输线模型，标准的1/4波长微单天线，若传输线长度为L2，宽度为L1，则输入阻抗利用传输线理论近似表示如下：

上式中，S用于表示集成芯片(在图中未示出)与金属散热片2的接触点位置与接地连接件11之间的长度，λ₀用于表示自由空间的波长，β用于表示金属散热片2在谐振频率时的传播常数，当使集成芯片(在图中未示出)与金属散热片2的接触点位置与接地连接件11之间的距离不等于产生天线效应的金属散热片2的阻抗匹配时S的取值时，则可降低金属散热片2的天线效应.

作为较优实施例，金属散热片的长度及宽度尺寸为，L2＝60mm，L1＝25mm，则可以得到如图11所示的关系图，根据图11所示的关系图，通过调整集成芯片(在图中未示出)与金属散热片2的接触点位置与接地连接件11之间的距离S，可以影响金属散热片2作为PIFA天线时的输入阻抗，从而影响金属散热片2作为PIFA天线时的谐振频率，即调整集成芯片(在图中未示出)与金属散热片2的接触点位置与接地连接件11之间的距离S，即可降低高速串行接口“V-By-One”的2.97GHz的辐射效率，即通过调整集成芯片(在图中未示出)与金属散热片2的接触点位置与接地连接件11之间的距离，以降低金属散热片的天线效应。

作为较优实施例中，当有用户出现V-By-One信号辐射余量不足时，其中，选用H型的金属散热片2，扇页宽度为2.5cm，其余信息于表一所示，通过在PCB板1与金属散热片2之间设置接地连接件11，通过调整集成芯片(在图中未示出)与金属散热片2的接触点位置与接地连接件11之间的距离S，计算得出2.97GHz高频信号的1/4波长为2.52cm，用户实际使用的金属散热片叶片长度为2.5cm，进一步地，为辐射提供良好的阻抗匹配，当采用上述方法，当使集成芯片(在图中未示出)与金属散热片2的接触点位置与接地连接件11之间的距离不等于产生天线效应的金属散热片2的阻抗匹配时S的取值后，能够破坏其阻抗匹配即可以破坏天线效应方式，改进之后辐射能够改善10dB，即通过调整接地连接件11的高度或通过调整集成芯片(在图中未示出)与金属散热片2的接触点位置与接地连接件11之间的距离，以降低金属散热片的天线效应，并且可以协助设计者设计出低辐射的H形散热器，也可在协助工程师分析验证电子产品的EMI辐射问题。

在一种较优的实施例中，金属散热片2的形状包括H型或扁平型或波浪纹型或鳍片型。

具体地，EMI产生的辐射在电子产品设计生产过程中尤为重要，其影响到产品品质，产品成本，设计周期，利于该方法，可以有效协助工程师解决H形散热片产生的高速串行接口“V-By-One”EMI辐射问题和提高该类型金属散热片产生的EMI超标问题时的效率，降低产品生产成本，增强产品的市场竞争力。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于解决金属散热片的天线效应的方法，其特征在于，包括：

步骤S1、提供一设置于PCB板上的集成芯片，于所述集成芯片上通过一导热层连接一金属散热片；

步骤S2、设置至少一个支撑件连接于所述PCB板的地与所述金属散热片之间；

步骤S3、设置一接地连接件连接于所述金属散热片与所述PCB板的地之间，通过调整所述接地连接件的高度和/或调整所述集成芯片与所述金属散热片的接触点位置与所述接地连接件之间的距离，以降低所述金属散热片的天线效应。

2.根据权利要求1所述的用于解决金属散热片的天线效应的方法，其特征在于，于所述步骤S2中，至少一个所述支撑件分别垂直于所述PCB板与所述金属散热片。

3.根据权利要求1所述的用于解决金属散热片的天线效应的方法，其特征在于，于所述步骤S2中，所述PCB板与所述金属散热片之间设置两个所述支撑件。

4.根据权利要求3所述的用于解决金属散热片的天线效应的方法，其特征在于，所述金属散热片成矩形，两个所述支撑件分别设置于所述矩形的一组对角。

5.根据权利要求1所述的用于解决金属散热片的天线效应的方法，其特征在于，于所述步骤S3中，所述接地连接件分别垂直于所述PCB板与所述金属散热片。

6.根据权利要求1所述的用于解决金属散热片的天线效应的方法，其特征在于，所述接地连接件为金属型材。

7.根据权利要求1所述的用于解决金属散热片的天线效应的方法，其特征在于，所述接地连接件的高度通过以下公式表示：

1/4λ＝L₁+L₂+H；

其中，

H用于表示所述接地连接件的高度；

λ用于表示天线辐射的波长；

L₁用于表示所述金属散热片的宽度；

L₂用于表示所述金属散热片的长度。

8.根据权利要求7所述的用于解决金属散热片的天线效应的方法，其特征在于，所述接地连接件的高度至少设置为6mm。

9.根据权利要求1所述的用于解决金属散热片的天线效应的方法，其特征在于，产生天线效应的所述金属散热片的输入阻抗通过以下公式表示：

其中，

λ₀用于表示自由空间的波长；

β用于表示所述金属散热片在谐振频率时的传播常数；

S用于表示所述集成芯片与所述金属散热片的接触点位置与所述接地连接件之间的距离；

L₁用于表示所述金属散热片的宽度；

L₂用于表示所述金属散热片的长度；

使所述集成芯片与所述金属散热片的接触点位置与所述接地连接件之间的距离不等于产生天线效应的所述金属散热片的阻抗匹配时S的取值。

10.根据权利要求1所述的用于解决金属散热片的天线效应的方法，其特征在于，所述金属散热片的形状包括H型或扁平型或波浪纹型或鳍片型。

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