散热器与PCB参考面的搭配优化策略

通常，把散热器搭接到PCB上的一个铜质参考面（在信号处理IC的情况下，通常是一个0V平面）会降低发射和提升最低谐振频率。所有这类搭接都应该是非常短而直接的。若能与安装用紧固件（比如短的安装螺栓）结合使用效果会更好。多平面搭接应该按整个散热器分布完成，以降低搭接电感和提升散热器的谐振频率。

使散热器和平面之间形成低电感搭接是非常重要的。研究发现，辐射发射是按照散热器搭接网络电感的3.5次方增加的，而且还发现，均匀地分布搭接点也同样重要。在获得相同的总搭接电感条件下，相同数目的均匀分布的搭接要比非均匀分布的发射低20dB。Intel公司推荐的搭接间距为小于处理器核芯时钟频率3次谐波的λ/4（比如当时钟频率为1GHz时，应小于25mm）。但为了改善散热器的发射和抗扰度，我们推荐搭接间隔要小于所关心最高频率的λ/10。

图2-7-8 一个浮地散热器的计算机辅助模拟发射图

图2-7-9 一个四角与地平面连接的散热器模拟图

（使用的散热器与图2-7-8中的相同）

图2-7-8所示为一个在典型的浮地散热器周围场的计算机模拟图。图2-7-9模拟的是相同的散热器，但沿着四个方向搭接到一个无限大平面，每一个角上有一个搭接点。所使用的模拟器为在PC上运行的FLO/EMC。虽然它计算了从DC～10GHz范围内所有频率的三维场图，但这两个图仅显示了在一个平面上和在一个频率上的场图。

图2-7-10图示了在图2-7-8和图2-7-9所描绘的情况下，散热器上部场强与频率之间的关系。很明显，在DC～2GHz频率范围内，浮地散热器是一个很好的场发射器。并且在5.32GHz上有一个谐振点。但在该散热器的四个角上各设一个搭接点的情况下，在DC～1GHz频率范围内，它的发射有明显的降低。并且它的最低谐振频率也提升到2.0GHz左右。

图2-7-10 在图2-7-8和图2-7-9中的散热器上部的模拟电场强度曲线

（使用的是在PC上运行的FLO/EMC软件）

图2-7-10还模拟了具有8和16个等距搭接点的相同散热器。在具有8个等距搭接点的情况下，该散热器在DC～2GHz频率范围内的发射要比浮地散热器低得多。而它的最低谐振频率提升到3.75GHz。在具有16个等距搭接点的情况下，它在DC～3GHz频率范围内的发射非常低，而且它的最低谐振频率更提升到4.6GHz。若继续增加搭接点，这个倾向将会更进一步改善，最低谐振频率将会继续提升，并将发射电平降低到那个频率的75%以下。(www.xing528.com)

读者一定会注意到，在具有16个搭接点的模拟曲线图中，在9.75GHz上出现一个新的谐振点。其峰值幅度大约为+12dB。该谐振峰在其他情况下均未出现。至今仍不清楚是什么物理原因产生了这个新的谐振尖峰的物理机理。但它显示了模拟本身在揭示未预见结果中的价值和优势，而这些未预见的结果则往往是会引起问题的潜在因素，从而在没有对任何硬件完成采购加工或装配以前的项目，早期发现这些潜在问题，并据此对设计进行修改当然是花费最为低廉的。

在上面的这些模拟中，都假定采用的是具有0Ω阻抗的直接散热器搭接。但在本篇第2章的2.5.9节中我们曾指出，对于PCB-机柜的搭接，在使用电阻性（有损耗）搭接代替0Ω搭接的情况下，可以降低谐振峰的幅度，但代价是增加了在谐振频率以下频率范围内的发射。图2-7-11显示的模拟曲线是试图揭示相同的折中是否也适用于散热器和平面间的搭接。该图中显示，当搭接电阻为25Ω或大于25Ω时，最低谐振频率几乎完全被阻尼（衰减）。其代价与前者相同：增加了在谐振频率以下频率范围内的发射。换句话说，搭接电阻的增高会导致DC到最低谐振频率上的发射的增加。在最低谐振频率以上的频率的发射则反而会有所降低。使用50Ω的铁氧体磁珠（块）来代替电阻搭接，将会恢复在较低频率上的良好发射性能（倘若在这些频率上，铁氧体具有非常低阻抗的话）。

图2-7-11 不同搭接阻抗条件下，图2-7-9中散热器上部电场模拟曲线

（使用的是在PC上运行的FLO/EMC软件）

上述这些模拟结果也引发出了一些非常有趣的和有用的应用。特别是在证明了把散热器最低谐振频率移到高于所关心的频率范围以上是不切实际的场合（并没有什么实用价值）。然而据我们所知，至今还没有人试图在真正的设计中使用电阻或铁氧体-平面搭接，所以也无从得知在工程实践中，它是否真正地像模拟中所显示的那么有效。

如今有些处理器插座本身已内置有用于散热的散热器接地螺栓。但在主电源中，则取决于设计工程师与他的电气和机械工程同仁们来寻找出既容易在PCB上装配，又不会占据PCB太大面积的低成本解决方案。图2-7-12中显示了Intel公司的一个设计实例。它只是一个直接焊接到PCB上的，用于散热器的冲压成型金属座架，并在器件的上部通过指簧与散热器形成接触（座架中间的大孔是为IC和散热器之间填充热传导介质而设计的）。

图2-7-12 Intel公司为具有423个插针的奔腾IV设计的散热器搭接件

设计和制作类似的金属部件相对上来讲并不是一件困难的事，关键是在设计中要采用正确的弹性金属，并进行恰当的电镀，以形成与散热器金属具有良好的电气接触。PCB屏蔽罩壳或指簧密封衬垫制造厂商应该能够为用户推荐最为恰当的金属材料。它们也同时是生产这类产品的最佳制造厂商。

当设计PCB平面与散热器之间的搭接方法时，要特别注意，由于在产品使用周期中，不同种类金属间电化学反应或氧化效应所引起的锈蚀。还有制造过程中的残留物或保护涂层（特别是阳极或钝化处理中使用的绝缘聚合物涂层）也都会造成接触不良，并使所期望的低阻抗受到严重损害（尤其是使用铝或钢的场合），再就是在液体可能出现凝结或潮湿的环境，通过使用各种恰当的技术来确保所有设计中的散热器搭接保持非常低的阻抗接触是保证产品在整个使用寿命中保持长期良好运行性能的关键。

在生产过程中，要使用具有低接触压力的平滑探头不断地检查每一个批次的金属部件（散热器、紧固件等）表面是否具有所规定要求的高电导率。我们特别推荐这一点是因为有些制造厂商或电镀厂商往往并不了解部件表面电导率的技术要求，而很有可能根据想象，在金属表面涂上一层使其表面看起来光洁的、无法用肉眼查看的绝缘的纯聚合物。还有些厂商会购买阳极化铝来代替Alochromed工艺处理技术，或者聚合物-钝化涂敷的元件。尽管在采购清单中常会注有技术要求，但因为它们看起来完全相同即都是一样的灰色金属。