CN109872976A - 一种用于解决散热片的天线效应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种用于解决散热片的天线效应的方法，其中包括：步骤S1、提供一集成芯片，于集成芯片的上方依次设置一热传导层及一金属散热片；步骤S2、通过调整热传导层的厚度不等于一预设值，以降低金属散热片的天线效应。本发明的技术方案有益效果在于：公开一种用于解决天线效应的电磁干扰方法，通过调整热传导层的厚度不等于预设值，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。

Description

一种用于解决散热片的天线效应的方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种用于解决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集成芯片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：

一种用于解决散热片的天线效应的方法，其中包括：

步骤S1、提供一集成芯片，于所述集成芯片的上方依次设置一热传导层及一金属散热片；

步骤S2、通过调整所述热传导层的厚度不等于一预设值，以降低所述金属散热片的天线效应。

优选的，所述预设值通过以下公式计算得到：

其中，

C_m用于表示所述集成芯片与所述金属散热片之间的谐振电容值；

ε0用于表示真空介电常数；

εr用于表示所述热传导层的介电常数；

S₁用于表示所述集成芯片与所述金属散热片的有效接触面积。

优选的，所述谐振电容值通过以下公式计算得到：

其中，

R_X用于表示半波天线谐振时的天线阻抗；

f用于表示所述半波天线的辐射频率。

优选的，所述半波天线谐振时的天线阻抗通过以下公式计算得到：

其中，

θ用于表示所述半波天线的电场强度方向和辐射强度方向的之间夹角；

用于表示所述半波天线的磁场强度和辐射强度方向之间的夹角；

D用于表示所述半波天线的天线方向性系数。

优选的，所述热传导层的所述预设值与实际值关系如下：

d＝d_m(n±1/4)；

其中，

d用于表示所述热传导层的所述实际值；

d_m用于表示所述热传导层的所述预设值；

_n为调整参数，_n取正整数。

优选的，所述热传导层包括导热胶垫。

优选的，所述热传导层包括硅脂。

优选的，所述热传导层包括硅胶。

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：公开一种用于解决散热片的天线效应的方法，通过调整热传导层的厚度以改变芯片与散热片之间形成的谐振电容容值，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-4b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，关于电场的示意图；

图6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7a-7c为本发明的实施例的基本天线振子的方向图。

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-4b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。

结合图5所示，假设芯片和散热片之间等效面积S，间距为d(S>>d2)，则上板带正电荷q+，下板带负电荷q-，场强为E，板间的介电常数为ε，则板间场强E根据高斯定理为：E＝σ/ε＝q/Sε，两极板之间的电势差ΔU＝Ed＝qd/Sε，又根据电容公式C＝Q/ΔU＝εS/d，由此可知电容大小仅由S，d，ε决定。

并且，结合偶极子天线的阻抗，当天线长度短于1/4λ时的短路线呈现电感性，当天线长度短于1/4λ时的开路线呈现电容性，当天线长度等于1/4波长λ的开路线相当于一个串联谐振电路，所以其整个负载是一个纯电阻性负载，因而不会把能量反馈会信号源，当天线长度略短于1/4λ倍数的天线呈现电容性，当电容性负载可以用加入电感的方法来匹配，当天线长度略长于1/4λ倍数的天线呈现电感性，当电感性负载可以用加入电容的方法来匹配。

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散热片的天线效应的方法，如图6所示，其中包括：

步骤S1、提供一集成芯片，于集成芯片的上方依次设置一热传导层及一金属散热片；

步骤S2、通过调整热传导层的厚度不等于一预设值，以降低金属散热片的天线效应。

通过上述用于解决散热片的天线效应的方法的技术方案，如图6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，热传导层可以硅胶为实施方式，针对EMI辐射问题的影响来抑制金属散热片的天线效应，通过改变热传导层的厚度，集成芯片和金属散热片直接产生耦合作用，由于集成芯片和散热片通过硅胶来粘贴在一起，以此固定散热片，故此时在散热片和芯片间形成了平板电容的效应，虽然电容大小只有pF级别，但对于V-By-One这样的高频信号足够耦合信号，其中高频信号可达2.97G，并且如果能够减小耦合电容的大小，则对于高频信号的抑制来说就是有益的。

进一步地，当金属散热片与芯片的等效面积S不变的情况下，调整金属散热片和芯片之间的距离d就可以改变电容容值，故我们可以通过改变热传导层的厚度，来改变电容Cm的容值，从而达到降低V-By-One信号辐射的方法。

并且，基于上述偶极子天线的阻抗特点，当金属散热片作为天线时，如果其波长等于1/4λ时，则会把能量传播出去，故只要改变辐射通路阻抗匹配，信号辐射就被抑制了，因此，通过调整热传导层的厚度不等于一预设值，可以实现降低金属散热片的天线效应的目的。

进一步地，通过调整热传导层的厚度不等于预设值，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。

作为较优实施例，预设值通过以下公式计算得到：

其中，

C_m用于表示集成芯片与金属散热片之间的谐振电容值；

_ε0用于表示真空介电常数；

_εr用于表示热传导层的介电常数；

S₁用于表示集成芯片与金属散热片的有效接触面积。

上述技术方案中，谐振电容值通过以下公式计算得到：

其中，

R_X用于表示半波天线谐振时的天线阻抗；

f用于表示半波天线的辐射频率。

进一步地，半波天线谐振时的天线阻抗通过以下公式计算得到：

其中，

θ用于表示半波天线的电场强度方向和辐射强度方向的之间夹角；

用于表示半波天线的磁场强度和辐射强度方向之间的夹角；

D用于表示半波天线的天线方向性系数。

具体地，如图7a-7c所示，图7a为基本天线振子的立体方向图，图7b 为基本天线振子的电场E强度的方向图，图7c为基本天线振子的磁场H强度的方向图，电场E强度方向和辐射强度方向的夹角为θ，磁场H强度和辐射强度方向的夹角半波天线的天线方向性系数为D，其中，在辐射功率相同的情况下，有方向性天线在最大方向的场强是无方向性天线(即D＝1) 的场强的D倍；即对最大辐射方向而言，这等效于辐射功率增大到D倍，其物理实质是，天线把向其他方向辐射的部分功率都加强到此方向上去，即主瓣越窄，意味着加强得越多，则天线的方向性系数越大；若要求在场点产生相同的场强，有方向性天线的辐射功率功率只需无方向性天的1/D倍。

进一步地，如果天线的尺寸刚好满足偶极天线的尺寸，计算测试半波天线的辐射电阻，当半波天线的最大辐射方向在θ＝90°，此时， D＝1.64，可得辐射电阻为R_X＝73.1Ω，则其理论谐振阻抗为纯阻性，值为 73ohm。根据谐振公式，可以结算得出，谐振电容为0.733pF，如下表一所示，如果金属散热片和芯片之间的耦合电容值接近此值，则会为2.97GHz的信号的辐射提供绝佳的传播通路。

表一

因此，我们只需要调整金属散热片和芯片之间的距离d则可以破坏其传输路径，信号辐射就被可以被抑制。

在一种较优的实施例中，根据芯片内部V-By-One模块的布局和布线情况，芯片V-By-One线路和金属散热片的等效接触面积为芯片面积的1/12，芯片尺寸可以设置为20mm*20mm，芯片和金属散热片的间距可以设置为 d＝0.002m，热传导层的相对介电常数_εr＝5.1，真空介电常数_ε0＝8.85x10-¹²，则可以计算出金属散热片和芯片之间的电容值，如下表二所示。

表二

项目	数值	备注
			芯片尺寸S0(m<sup>2</sup>)	0.0004	20mm*20mm
接触面积S1(m<sup>2</sup>)	3.33333E-05	信号有效接触面积为芯片面积的1/12
			间距d(m)	0.002	散热片和芯片之间的间距(m)
硅胶相对介电常数εr	5.1
			真空介电常数ε0	8.85E-12
计算的电容值C(F)	7.5225E-13	F
			计算的电容值C(<sub>p</sub>F)	0.75225	<sub>p</sub>F

进一步地，计算得出V-By-One模块部分布线面积同散热片之间产生的有效电容为0.75pF，同半波振子2.97GHz下的谐振电容非常接近，其为辐射提供了良好的阻抗匹配；当我们调整散热片和芯片之间的硅胶厚度到3mm 时，破坏其阻抗匹配后，即破坏天线效应的方式，辐射可以改善5dB，如下表三、表四所示。

表三

项目	数值	备注
			芯片尺寸S0(m<sup>2</sup>)	0.0004	20mm*20mm
接触面积S1(m<sup>2</sup>)	3.33333E-05	信号有效接触面积为芯片面积的1/12
			间距d(m)	0.003	散热片和芯片之间的间距(m)
硅胶相对介电常数εr	5.1
			真空介电常数ε0	8.85E-12
计算的电容值C(F)	5.015E-13	F
			计算的电容值C(<sub>p</sub>F)	0.5015	<sub>p</sub>F

表四

通过上面的计算过程我们可以得到和散热片之间容值Cm和间距d之间的关系。

作为较优实施例，热传导层的预设值与实际值关系如下：

d＝d_m(n±1/4)；

其中，

d用于表示热传导层的实际值；

d_m用于表示热传导层的预设值；

_n为调整参数，_n取正整数。

具体地，通过金属散热片的尺寸计算谐振电容的大小，其中Rx≈73.1Ω为半波天线最大辐射时的天线阻抗可以结算得出，以得到使得辐射最大时的金属散热片和芯片之间的间距dm值，dm＝2πRxε₀ε₁S₁，式中π，Rx，ε0，包括 S1均为常数，通过调整d的值使其远离dm至少1/4，即d＝dm(1±1/4)。则可以达到我们需要的效果，如下表五所示。

表五

作为较优实施例，热传导层可以是导热胶垫；或热传导层包括硅脂；或热传导层包括硅胶。

具体地，对于导热胶垫来说，其厚度可以在生产时来根据需要设计，设计者可以根据计算值以及客户需求来设计需要的厚度；对于硅脂或者硅胶来说，可以将金属散热片和芯片接触部分设计成凹槽，来设定其厚度。

作为较优实施例，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。

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，不但可以有效解决H形散热片EMI超标的问题，同时可以为生产不同厚度胶垫等散热材料解决EMI 辐射问题提供新的应用场景，为散热胶垫等厂家提供生产针对EMI辐射的胶垫提供技术支撑。

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 (9)

1.一种用于解决天线效应的电磁干扰方法，其特征在于，包括：

步骤S1、提供一集成芯片，于所述集成芯片的上方依次设置一热传导层及一金属散热片；

步骤S2、通过调整所述热传导层的厚度不等于一预设值，以降低所述金属散热片的天线效应。

2.根据权利要求1所述的用于解决天线效应的电磁干扰方法，其特征在于，所述预设值通过以下公式计算得到：

其中，

C_m用于表示所述集成芯片与所述金属散热片之间的谐振电容值_；

ε₀用于表示真空介电常数_；

ε_r用于表示所述热传导层的介电常数_；

S₁用于表示所述集成芯片与所述金属散热片的有效接触面积。

3.根据权利要求2所述的用于解决天线效应的电磁干扰方法，其特征在于，所述谐振电容值通过以下公式计算得到：

其中，

R_X用于表示半波天线谐振时的天线阻抗；

f用于表示所述半波天线的辐射频率。

4.根据权利要求3所述的用于解决天线效应的电磁干扰方法，其特征在于，所述半波天线谐振时的天线阻抗通过以下公式计算得到：

其中，

θ用于表示所述半波天线的电场强度方向和辐射强度方向的之间夹角；

用于表示所述半波天线的磁场强度和辐射强度方向之间的夹角；

D用于表示所述半波天线的天线方向性系数。

5.根据权利要求2所述的用于解决天线效应的电磁干扰方法，其特征在于，所述热传导层的所述预设值与实际值关系如下：

d＝d_m(n±1/4)；

其中，

d用于表示所述热传导层的所述实际值；

d_m用于表示所述热传导层的所述预设值；

n为调整参数，n取正整数。

6.根据权利要求1所述的用于解决天线效应的电磁干扰方法，其特征在于，所述热传导层包括导热胶垫。

7.根据权利要求1所述的用于解决天线效应的电磁干扰方法，其特征在于，所述热传导层包括硅脂。

8.根据权利要求1所述的用于解决天线效应的电磁干扰方法，其特征在于，所述热传导层包括硅胶。

9.根据权利要求1所述的用于解决天线效应的电磁干扰方法，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。