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EMV-Simulation der Intel Dual Die CPU

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Power-Handling of Electronic Products
Thursday, October 14, 2021
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Elektromagnetische Verträglichkeit EMV/Störaussendung ist für Elektronik- und Chipdesigner in letzter Zeit unverzichtbar geworden. Dieser Paradigmenwechsel ist in erster Linie auf die ständig steigende Chipdichte und -frequenz sowie die niedrige Versorgungsspannung zurückzuführen. Paradoxerweise ist der Chip im wahrsten Sinne des Wortes zu einer Antenne geworden, die eine beträchtliche Menge elektromagnetischer Energie abstrahlt, insbesondere wenn im Design ein Kühlkörper vorhanden ist. Ein typisches Gerät ist ein Intel Quad Core-Prozessor mit zwei Kernen pro Chip und zwei Chips im selben Gehäuse und natürlich einem Kühlkörper.
In diesem Artikel zeigen wir Ihnen, wie Sie mit dem Duo HFWorks und SolidWorks die EMV-Aspekte einer Intel Dual Die-CPU in Bezug auf ISM-Funkbänder, dh Frequenzen von 2,05 GHz und 4,9 GHz, untersuchen. Elektrische Ergebnisse wie Rückflussdämpfung (S11), Nah- und Fernfeld sowie elektromagnetische Felder werden dargestellt und mit tatsächlichen Messungen verglichen. Die thermischen Ergebnisse einschließlich der Temperaturverteilung und des Gradienten werden auch mit und ohne Kühlkörper dargestellt.

Querschnitt des Intel Dual Die Prozessors

Abbildung 1 - Querschnitt eines Intel Dual Die-Prozessors [1]

Simulation der Dual Die CPU

Abbildung 1 zeigt einen Querschnitt des untersuchten Intel Dual-Die-Prozessors mit einem Kühlkörper sowie dessen Gehäusestruktur, Verbindungen und PCB-Infrastruktur. In dieser Studie wird die komplexe interne Verschaltung des Chips ignoriert und nur eine abisolierte Version der Struktur betrachtet, wie in Abbildung 2 gezeigt, in der der Doppelprozessor als Mikrostreifen-Patchantenne mit zwei koaxialen Einspeisungen modelliert ist. In der Tat ähnelt das abgestreifte Modell der tatsächlichen Struktur des Chips.

Angewandte Microstrip-Patch-Antennenstruktur für ein Modell mit zwei Prozessoren
Abbildung 2 - Angewandte Microstrip-Patchantennenstruktur für ein Doppel-CPU-Modell, (a) Layout [1], (b) das Solidworks-3D-Modell der Patchantenne


Die Stifte und Verbindungen in der tatsächlichen integrierten Schaltung werden wie in den 1 und 2 gezeigt als zwei koaxiale Speisungen modelliert. Folglich muss die Position der Speisungen sorgfältig entworfen werden, da sie die Gesamtleistung des angenommenen Modells ziemlich stark beeinflusst. Die in der Simulation verwendeten Abmessungen und Materialeigenschaften sind in den Tabellen 1 und 2 dargestellt. Das Solidworks-Modell der Struktur und ihres umgebenden Luftbereichs ist in Abbildung 3 dargestellt.

Name Typisch (mm)
Höhe des Kühlkörpers HH Variable
Höhe von IHS 1,65
Höhe des Würfels 1.15
Höhe des Untergrundes 1,25
Tiefe von TIM 0,1
Werkzeugtiefe Material anbringen 0,1
Tiefe des IHS-Dichtmittels 0,1
Länge des Kühlkörpers 67,5
Breite des Kühlkörpers 67,5
Länge des Würfels 11.9
Breite der Matrize 9.0
Länge des Untergrundes 37.5
Breite des Untergrundes 37.5
Länge von IHS extern 34
Breite von IHS External 34
Länge der internen IHS 26
Breite der internen IHS 26
Tabelle 1 - Aufbau des Intel Dual Die-Prozessors
Name Materialien Permittivität Leitfähigkeit (Siemens/m)
Substrat FR4 Epoxy 4.4 0
sterben Siliciumdioxid 4 0
IHS Aluminium 1 3,8 x 10 7
Kühlkörper Aluminium 1 3,8 x 10 7
TIM Silikon 1.8 0
Die befestigen Material Silber 1 6.1x10 7
IHS-Versiegelung Epoxy 1.8 0
Tabelle 2 - Materialeigenschaften des simulierten Modells

Das Antennenmodell der CPU wird über zwei Kreiswellenanschlüsse mit einer Impedanz von 1 V angeregt. Die Anschlüsse befinden sich auf der Unterseite des Substrats und sind mit zwei koaxialen Kupferspeisungen verbunden, die mit dem IHS in Kontakt kommen [1].

3D-Modell des Intel Dual Die CPU-Prozessors mit Kühlkörper
Abbildung 3 - 3D-Modell eines Intel Dual Die-CPU-Prozessors mit Kühlkörper

Simulation und Ergebnisse

A. Auswirkungen des Kühlkörpers

Die Simulationsergebnisse werden mit und ohne auf dem CPU-Modell montierten Kühlkörper untersucht. Ohne Kühlkörper liegen die Resonanzfrequenzen bei 2,05 GHz mit einem Reflexionskoeffizienten von -11,45 dB und 4,9 GHz -20,54 dB an Port 1 und bei 2,05 GHz mit einem Reflexionskoeffizienten von -4,32 dB und 4,9 GHz mit einem Reflexionskoeffizienten von -18,83 dB an Port 2. Wenn der Kühlkörper auf der CPU montiert ist, werden die Resonanzfrequenzen bei 2,3 GHz mit einem Reflexionskoeffizienten von -25,83 dB und 5,45 GHz mit einem Reflexionskoeffizienten von -12,90 dB an Port 1 und bei 2,3 GHz mit einem Reflexionskoeffizienten von -3,41 dB gefunden und 5,45 GHz mit einem Reflexionskoeffizienten von -13,45 dB an Port 2. Wie in Abbildung 4 gezeigt, liegen die HFWorks-Ergebnisse nahe an den gemessenen Daten. Die Fernfeldergebnisse bei 2,05 GHz sind in Abbildung 5 dargestellt und zeigen erneut einen guten Vergleich mit den Messdaten.

Reflexionskoeffizient am Hafen

Abbildung 4 - (a) Reflexionskoeffizient an Port1. (b) Reflexionskoeffizient an Port2.

2D-Darstellung des Strahlungsmusters bei 2,05 GHz3D-Darstellung des Strahlungsmusters bei 2,05 GHz

5 - (a) 2D-Auftragung des Strahlungsmusters bei 2,05 GHz, (b) 3D-Auftragung des Strahlungsmusters bei 2,05 GHz

B. Höhe des Kühlkörpers

Wie in Abbildung 3 dargestellt, ist der Kühlkörper als massiver Block ohne Lamellen vereinfacht. Es wurden verschiedene Simulationen durchgeführt, um den Einfluss der Höhe des Kühlkörpers auf das Feld und die Schaltungsergebnisse zu untersuchen und die optimierte Struktur der Dual-Die-CPU mit Kühlkörper zu erhalten. Wie in Tabelle 1 gezeigt, hat die Höhe des Kühlkörpers einen minimalen Einfluss auf den Reflexionskoeffizienten an Port1 und Port2. Daher hängen die Resonanzfrequenz und die Streuparameter der Intel Dual-Die-CPU stark von ihrer internen Struktur und nicht davon ab, was darauf montiert ist.


Simulationssetup HFW (Port1)
Reflexionsfaktor
GHz dB

Höhe des Kühlkörpers HH=37mm
1,75 -16.69169
5,525 -6,11

Höhe des Kühlkörpers HH=42mm
1,75 -16,74
5,525 -6.09

Höhe des Kühlkörpers HH=47mm
1,75 -25,28
5,525 -11,21


Simulationssetup HFW (Port2)
Reflexionsfaktor
GHz dB

Höhe des Kühlkörpers HH=37mm
1,75 -8,91
5,525 -20,2224

Höhe des Kühlkörpers HH=42mm
1,75 -11,38
5,525 -13,10

Höhe des Kühlkörpers HH=47mm
1,75 -11,42
5,525 -12,25
Tabelle 3 - Reflexionskoeffizient für verschiedene Konfigurationen des Kühlkörpers an Port1 und Port2.

C. Wärmesimulation

Abbildung 6 zeigt die Temperaturverteilung in der CPU aufgrund der Leiter- und dielektrischen Verluste der modellierten Struktur.
Verteilung der Temperatur in der Intel Dual Die CPU bei 2,05 GHz
Abbildung 6 - Verteilung der Temperatur in der Intel Dual Die-CPU bei 2,05 GHz

Fazit

Eine Intel Dual Die CPU wird mit dem Duo Solidworks und HFWorks simuliert und mit Messdaten verglichen [1]. Verschiedene Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Ergebnissen.

Verweise

[1] Boyuan Zhu, Junwei Lu, and Erping Li, “Electromagnetic Compatibility Benchmark-Modeling Approach for a Dual-Die CPU”, IEEE Transactions on electromagnetic compatibility, February 2011, pp.91-98.