ทำไมซีพียูถึงไม่เย็นลงจากด้านล่างและด้านบน?

บิต transistory ของวงจรรวมอยู่ในใจกลางของแพคเกจ (พลาสติกหรือเซรามิก) บางครั้งพวกมันก็ร้อนขึ้นและเราทำให้มันเย็นลงโดยการติดแผ่นระบายความร้อนไว้ด้านหนึ่ง บางครั้งเราเพียงแค่พัดอากาศผ่านพวกเขาด้วยพัดลม ความร้อนบางส่วนนี้แพร่กระจายขึ้นไป แต่บางตัวก็ต้องลงไปทาง PCB ฉันไม่รู้อัตราส่วน ต่อไปนี้เป็นด้านล่างของ Intel Core i7-7700K CPU กระจายความร้อน 91W: -

มีแผ่นเชื่อมต่อมากมาย เห็นได้ชัดว่าพวกมันทำหน้าที่เป็นตัวระบายความร้อนขนาดเล็กจำนวนมากซึ่งถ่ายโอนสัดส่วนความร้อนบางส่วนไปยังซ็อกเก็ต / PCB แท้จริงแล้วส่วนประกอบที่ติดตั้งบนพื้นผิวจะกระจายความร้อนผ่านชั้นทองแดงที่ถูกเย็บ

ดังนั้นหากการระบายความร้อนมีความสำคัญ (สำหรับชุมชนการโอเวอร์คล็อกซีพียู) ทำไมซีพียูไม่ระบายความร้อนจากด้านล่าง PCB ด้วยพัดลมพูด?

แก้ไข:

ในขณะที่ความคิดเห็นด้านล่างอยู่ในเชิงลบทั้งหมดมีสองรายการใหม่ หนึ่งมีเธรดยาวบน Overclock ซึ่งแนะนำว่าสามารถถอดอุณหภูมิของ CPU ออกได้โดยใช้พัดลมบนแผ่นรองหลัง และสองฉันลอง (ยอมรับด้วยราสเบอร์รี่ Pi เท่านั้น) ฉันหุ้มผ้าด้านบนเพื่อแยก CPU Broadcom ในขณะที่ทำความเย็นด้านล่างด้วยพัดลม 60 มม. เท่านั้น พัดลมลดอุณหภูมิ CPU สูงสุดออกจาก 82 องศา ถึง 49. ไม่เลวฉันคิดว่าความคิดนี้มีขา ...

พวกมันไม่เย็นลงจากด้านล่างเพราะมันมีหมุดอยู่ที่ด้านล่างและFR4ด้านล่าง

เนื่องจากมีมากต่ำการนำความร้อน , วัสดุที่ด้านล่างของ CPU จะขนส่งความร้อนน้อยกว่ามาก

โอกาสที่คุณไม่ต้องการล้อมรอบสัญญาณด้วยโลหะซึ่งจะเปลี่ยนความต้านทานอย่างมากดังนั้นโลหะที่อยู่ด้านล่างจึงเป็นปัญหามากกว่า ถ้าคุณสร้างซ็อกเก็ตจากโลหะมันจะต้องมีขนาดเล็กมากซึ่งจะมีราคาแพงกว่าซ็อกเก็ตฉีดพลาสติกหลายเท่า สิ่งเหล่านี้จะป้องกันไม่ให้คุณสร้างซ็อกเก็ตโปรเซสเซอร์ซึ่งจะทำให้ไส้ตะเกียงร้อน

คุณสามารถวางแผงระบายความร้อนที่ด้านล่างของบอร์ด แต่วัสดุ PCB (FR4) จะลดการระบายความร้อนอย่างมีนัยสำคัญ

คูลลิ่งไม่ได้เป็นสิ่งที่สำคัญมันเป็นสิ่งสำคัญ ซีพียูที่ทันสมัยสามารถดับบางสิ่งบางอย่างระหว่าง 15 วัตต์และ 200 วัตต์จากแม่พิมพ์ที่มีขนาดไม่กี่ซม. ² หากคุณไม่ขนส่งความร้อนออกไปชิปนั้นจะต้องหยุดการทำงานชะลอตัวลงหรือ: เพียงเผาผลาญ

ด้วยวิธีการที่: คุณทำให้ความร้อนของคุณจากที่นั่น? พื้นผิวทำความเย็นของมาเธอร์บอร์ดมีข้อ จำกัด มากเมื่อเทียบกับพื้นผิวของตัวทำความเย็นซีพียู ความสามารถในการขนส่งความร้อนของชั้นทองแดงนั้นไม่ดีต่อ se แต่เมื่อเปรียบเทียบกับบล็อกทองแดงและอลูมิเนียมขนาดใหญ่

จากนั้น: เมนบอร์ดตัวเองมักจะไม่ใช่สถานที่ที่เจ๋งที่สุดโดยเฉพาะรอบ ๆ CPU ที่นั่นโซ่อุปทานพลังงานทั้งหมดของ CPU ตั้งอยู่ มันมีประสิทธิภาพที่ดี แต่ด้วยโหลดหลายสิบแอมแปร์และสถานการณ์โหลดที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วจึงไม่น่าแปลกใจที่คอนเวอร์เตอร์เหล่านี้ร้อนเกินไป

ฉันมั่นใจว่าในคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูงที่กำหนดเองและการสร้างทางทหารคุณจะพบแพคเกจ CPU พิเศษที่ให้การเข้าถึงด้านล่างของส่วนต่างๆของ CPU แต่ในซีพียูหลักที่ใช้ซ็อกเก็ตนั่นเป็นไปไม่ได้

โปรดทราบว่าสิ่งนี้ไม่สามารถใช้ได้กับCPU ทั้งหมด หากคุณเข้าสู่ส่วนที่ฝังตัวคุณมักจะพบซีพียูที่มีขนาดเล็กลงซึ่งมีแผ่นระบายความร้อนอยู่ตรงกลาง มันดูเหมือนจะไม่เป็นไปได้สำหรับซีพียูขนาดใหญ่

ฉันแน่ใจว่า Intel และ AMD จะไม่ใส่ passives เหล่านี้ที่ด้านล่างของ CPU หากพวกเขาสามารถหลีกเลี่ยงได้ ในความเป็นจริงดูที่รูปภาพ: กระดานสีเขียวที่คุณกำลังดูไม่ใช่คนตายเป็นผู้ให้บริการ PCB ที่บอร์ดเชื่อมต่ออยู่ นั่นคือราคาเทคโนโลยีที่คุณจ่ายสำหรับความสามารถในการผลิตซีพียูที่ใช้แทนกันได้ในราคาถูกแทนที่จะเป็นแค่เมนบอร์ดที่มีซีพียูชิปสเกลแพ็คเก็ตถูกนำไปบัดกรีโดยตรง - และคุณไม่สามารถมีได้ทั้งหมด จากซีพียูนั้นมากจนต้องมีระนาบโลหะกระจายความร้อนอยู่ด้านบนของมันและคุณสามารถทำได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการตายบนวัสดุบางประเภท

คำตอบที่ยังไม่ได้รับเป็นเพราะวิธีการที่พวกเขาสร้างขึ้น ซีพียูที่ใช้ในคอมพิวเตอร์และแล็ปท็อปนั้น (อย่างน้อยที่ฉันรู้) ไม่เคยมีชิปแบบพลิกเต็ม พวกเขามีการเชื่อมต่อมากเกินไปที่จะอนุญาตให้ชิปแบบพลิกได้ง่ายในกระบวนการ PCB อย่างง่ายที่ใช้กับเมนบอร์ด ฉันหมายถึงความเรียบง่ายที่นี่เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการที่จำเป็นสำหรับการประยุกต์ใช้คลื่นวิทยุ RF / มิลลิเมตรหรือกระบวนการที่อนุญาตให้มีความหนาแน่นสูงซึ่งคุณสามารถส่งออกพินมากกว่า 1,000 พินได้ในไม่กี่ตารางเมตร

ด้วยเหตุนี้ซีพียูจะถูกสับลงบนตัวแปลงสัญญาณเสมอ มักจะเป็นเซรามิกและทำมาจากหลายชั้น นี่คือตัวอย่างจากวิกิพีเดีย Yo สามารถเห็น 5 แม่พิมพ์แยกต่างหากบนบรรจุภัณฑ์นี้นอกเหนือไปจาก passives ขนาดเล็กจำนวนมากรอบ ๆ ขอบ (จากสิ่งที่ฉันสามารถบอกได้ว่าจริงๆแล้วเป็น stack-up ที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น ที่ถูกวางไว้ด้านบนของ interposer เซรามิก)

ทำไมเรื่องนี้ถึงมีความสำคัญ? คุณแนะนำให้คุณต้องสามารถถ่ายโอนความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านหมุดบนซีพียู อย่างไรก็ตามนี่ไม่ใช่กรณีเนื่องจากตัวคั่นนี้ นี่ไม่ใช่อุปกรณ์พลังงานขนาดใหญ่ที่บิตโลหะขนาดใหญ่เชื่อมต่อกับซิลิคอนจริง ๆ มีสิ่งต่าง ๆ มากมายอยู่ระหว่างนั้น

เป็นผลให้การนำความร้อนจากแม่พิมพ์ถึงหมุดยังคงต่ำ - ดังนั้นแม้ว่าคุณจะต้องหาวิธีที่จะทำให้ความร้อนออกจากหมุดเหล่านั้นได้ดีคุณก็แทบจะไม่เห็นการปรับปรุงใด ๆ เนื่องจากคุณจะยังคงติดต่อ มีความต้านทานความร้อนที่ดีกว่าเมื่อเทียบกับตัวกระจายความร้อนที่เป็นโลหะซึ่งสัมผัสโดยตรงกับส่วนบนของซิลิคอน

หากคุณไปที่ซีพียูที่ใช้ในโทรศัพท์หรืออุปกรณ์ฝังตัวซึ่งเป็นแผ่น "ฮีทซิงค์ด้านล่าง" สิ่งต่าง ๆ ที่นี่พวกเขาไม่ได้ใช้วิธีการพลิกชิป ในใจกลางของ BGA พวกเขาจะมีสถานที่โลหะที่ติดตายด้วยความร้อน (ซึ่งมักจะเป็นพื้นดิน) จากนั้นพวกเขาใช้สายไฟเชื่อมต่อหมุดทั้งหมดยังคงใช้รูปแบบของตัวคั่นกับโลหะที่อยู่ตรงกลาง (หรือโลหะตรงกลางเป็นเพียงจุดศูนย์กลางหลายจุดผ่านเพื่อให้ได้ค่าการนำความร้อนต่ำ) ซึ่งหมายความว่ามีวัสดุน้อยกว่ามากระหว่างแผ่นทำความเย็นส่วนกลางนั้นและพิน BGA ซึ่งช่วยให้การถ่ายเทความร้อนมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น

ความร้อนบางส่วนนี้แพร่กระจายขึ้นไป แต่บางตัวก็ต้องลงไปทาง PCB ฉันไม่รู้อัตราส่วน

นั่นเป็นความจริงความร้อนแพร่กระจายในทุกทิศทาง น่าเสียดายที่อัตราการแพร่กระจาย (หรือที่รู้จักกันว่ามีลักษณะเป็นความต้านทานความร้อน) แตกต่างกันมาก

ซีพียูจะต้องเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ต่อพ่วง / หน่วยความจำอย่างใดดังนั้นมันจึงมี 1,000 - 2000 พินสำหรับจุดประสงค์นั้น ดังนั้นต้องมีเส้นทางไฟฟ้า (fanout) ซึ่งทำผ่านเทคโนโลยีแผงวงจรพิมพ์ แต่น่าเสียดายที่แม้ว่าจะมีสายทองแดง / เลเยอร์มัดไว้มากมายสิ่ง PCB ทั้งหมดก็ไม่นำความร้อนได้ดีนัก แต่นี่เป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ - คุณต้องการการเชื่อมต่อ

ซีพียูรุ่นแรก (i386-i486) ถูกระบายความร้อนส่วนใหญ่ผ่านทาง PCB ในช่วงต้น 90-th ซีพียูพีซีไม่มีชุดระบายความร้อนอยู่ด้านบน ชิปจำนวนมากที่มีการยึดสายแบบดั้งเดิม (ชิปซิลิคอนที่ด้านล่างแผ่นที่เชื่อมต่อกับสายไฟจากแผ่นอิเล็กโทรดด้านบนถึงกรอบตะกั่ว) อาจมีตัวบุความร้อนที่ด้านล่างเพราะนี่เป็นเส้นทางของความต้านทานความร้อนน้อยที่สุด

จากนั้นเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์แบบพลิกชิพจึงถูกประดิษฐ์ขึ้นดังนั้นแม่พิมพ์จึงอยู่ด้านบนของบรรจุภัณฑ์คว่ำและการเชื่อมต่อไฟฟ้าทั้งหมดจะทำผ่านการกระแทกที่นำไฟฟ้าที่ด้านล่าง ดังนั้นเส้นทางที่มีความต้านทานน้อยที่สุดจึงผ่านตัวประมวลผลด้านบน นั่นคือที่ใช้เทคนิคพิเศษทั้งหมดเพื่อกระจายความร้อนจากแม่พิมพ์ที่มีขนาดค่อนข้างเล็ก (1 sq.sm) ไปยังแผงระบายความร้อนที่ใหญ่กว่า ฯลฯ

โชคดีที่ทีมออกแบบ CPU รวมถึงแผนกวิศวกรรมขนาดใหญ่ที่ดำเนินการสร้างแบบจำลองการระบายความร้อนของซีพียูและบรรจุภัณฑ์ทั้งหมด ข้อมูลเริ่มต้นมาจากการออกแบบดิจิทัลจากนั้นนักแก้ปัญหา 3 มิติราคาแพงจะให้ภาพรวมของการกระจายความร้อนและฟลักซ์ เห็นได้ชัดว่าการสร้างแบบจำลองนั้นรวมถึงตัวระบายความร้อนของซ็อกเก็ต CPU / พินและเมนบอร์ด ฉันขอแนะนำให้ไว้วางใจพวกเขาด้วยโซลูชั่นที่พวกเขาให้พวกเขารู้ว่าธุรกิจของพวกเขา เห็นได้ชัดว่าการระบายความร้อนเพิ่มเติมจากด้านล่างของ PCB นั้นไม่คุ้มค่ากับความพยายาม

ADDITION: นี่คือโมเดลก้อนของชิป FBGA ซึ่งสามารถบอกแนวคิดได้ว่า LGA2011 รุ่นระบายความร้อนของ Intel

ในขณะที่ PCB หลายชั้นที่มีจุดระบายความร้อนและเนื้อหาทองแดง 25% อาจมีประสิทธิภาพการระบายความร้อนค่อนข้างดีระบบ LGA2011 ที่ทันสมัย ​​/ ใช้งานจริงมีองค์ประกอบที่สำคัญอย่างหนึ่งคือซ็อกเก็ต ซ็อกเก็ตมีหน้าสัมผัสสปริงแบบเข็มใต้แต่ละแผ่น เห็นได้ชัดว่าการสัมผัสโลหะทั้งหมดในซ็อกเก็ตนั้นค่อนข้างเล็กกว่ากระสุนทองแดงจำนวนมากที่ด้านบนของ CPU ฉันจะบอกว่ามันไม่เกิน 1/100 ของพื้นที่กระสุนมีโอกาสน้อยกว่ามาก ดังนั้นจะต้องชัดเจนว่าความต้านทานความร้อนของซ็อกเก็ต LGA2011 เป็นอย่างน้อย 100X ของทิศทางบนสุดหรือไม่เกิน 1% ของความร้อนสามารถลง ฉันเดาว่าด้วยเหตุผลนี้Intel thermal guideไม่สนใจเส้นทางระบายความร้อนด้านล่างโดยสิ้นเชิง

ใน avionics การทำความเย็นจะถูกประเมินสำหรับเส้นทางที่เป็นไปได้ทั้งหมดรวมถึงผ่าน PCB

ไมโครโพรเซสเซอร์หลักในแล็ปท็อป / เดสก์ท็อปโดยทั่วไปใช้ส่วนผสมของการนำความร้อน (ระบายความร้อน) และการพาความร้อน ในขณะที่ส่วนผสมของทั้งสองเคลื่อนความร้อนออกไปส่วนใหญ่กลไกการระบายความร้อนผ่าน PCB บางครั้งก็ถูกมองข้าม แต่ก็ยังมีอยู่

หากอุปกรณ์อยู่ในอ่าว avionics ที่ไม่มีความดันการพาความเย็นจะสูญเสียความหมาย (ความหนาแน่นของอากาศต่ำมากหมายถึงว่ามีโมเลกุลไม่เพียงพอที่ระดับความสูงสูงเพื่อกระจายความร้อน) ด้วยเหตุนี้จึงทำให้การทำความเย็นการนำความร้อนถูกใช้อย่างกว้างขวางเนื่องจากเป็นวิธีการทำความเย็นที่มีประสิทธิภาพอย่างแท้จริงในสถานการณ์นี้

เพื่อการนี้ที่มีประสิทธิภาพเครื่องบินจำนวนมากถูกใช้ภายใน PCB เป็นตัวกระจายความร้อน

ที่ไหน sinks ความร้อนจะใช้ (ไม่ได้เป็นทางออกที่ต้องการหลีกเลี่ยงไม่ได้ แต่บางครั้ง) เส้นทางยังคงเป็นการนำความเย็นความร้อนผ่านทางบันไดผนังเย็น (นี้เป็นระยะญาติ - ผนังเย็นอาจจะอยู่ที่ 70C หรือมากกว่า)

บางครั้งใช้กำลังบังคับอากาศ แต่ภายในห้องแรงดันที่ติดอยู่กับแผ่นเย็น

ดังนั้นในสถานการณ์นี้การระบายความร้อนผ่านเส้นทางทั้งหมดจะถูกใช้ การนำความร้อนจากทั้งสองด้าน FR-4 อาจไม่นำความร้อนโดยเฉพาะ แต่ระนาบทองแดงเป็น

ฉันเข้าสู่การอภิปรายแบบใช้ความร้อนอย่างละเอียดในคำตอบของคำถามนี้

คำตอบที่แท้จริงคือวิศวกรรมพื้นฐาน มันง่ายกว่ามากในการปรับระบบให้เหมาะสมถ้าคุณสามารถแยกมันออกเป็นระบบย่อยที่สามารถปรับให้เหมาะสมได้อย่างอิสระ

โดยเพิ่มประสิทธิภาพด้านหนึ่งสำหรับการเชื่อมต่อและด้านอื่น ๆ สำหรับการกำจัดความร้อน คุณทำให้ปัญหาง่ายขึ้นในขณะที่การลงโทษส่วนใหญ่ 2: 1 จะทำให้เกิดปัญหาอย่างใดอย่างหนึ่ง เห็นได้ชัดว่าหากคุณมีความร้อนมากกว่าการเชื่อมต่อหรือการเชื่อมต่อที่มากกว่าความร้อนทางเลือกนี้ควรได้รับการตรวจสอบอีกครั้ง แต่ไม่ชัดเจน

นี่ไม่ได้หมายความว่ามันเป็นไปไม่ได้ที่จะเอาความร้อนออกจากด้านล่างหรือเพื่อทำการเชื่อมต่อที่ด้านบน แต่มีค่าใช้จ่ายเท่าไหร่? จะต้องประนีประนอมอะไรอีก

โมดูลซีพียูที่ระบายความร้อนด้วยของเหลวในขณะที่กำลังทำการคัมแบคนั้นค่อนข้างธรรมดาเมื่อ 30 ปีก่อน เมื่อเมนเฟรมมีซีพียู“ ซองจดหมาย” ซึ่งถูกแช่อยู่ในของเหลวจนเต็มและทำให้ความร้อนออกจากไอซีที่ปิดล้อมทุกด้าน สิ่งนี้แสดงข้อเสียอย่างชัดเจนในการออกแบบการเชื่อมต่อการดีบักการทำใหม่และชนิดของของเหลวที่สามารถใช้งานได้ สิ่งเหล่านี้เป็นข้อ จำกัด เพิ่มเติมมากมายของระบบย่อย ความจริงที่ว่าตัวเลือกดังกล่าวได้ทำขึ้นแล้วบ่งชี้ว่าการกำจัดความร้อนเป็นข้อ จำกัด หลัก

ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ระบายความร้อนด้วยของเหลวที่ทันสมัยมีท่อร้อยสายไมโครน้ำที่ปรับให้เหมาะสมที่สุดบนเวเฟอร์ ในขณะที่การเชื่อมต่อทั้งหมดอยู่ด้านล่าง แต่ละระบบย่อยมีความเป็นอิสระจากกันทำให้การออกแบบทั้งหมดมีประสิทธิภาพสูงสุด

ในแอปพลิเคชันที่ด้านตรงข้ามกับการเชื่อมต่อถูกครอบครองเป็นอย่างอื่นเช่น LED, เลเซอร์, ลิงค์ออปติคัล, พอร์ต RF, ฯลฯ ด้านล่างเป็นเส้นทางการกำจัดความร้อนหลัก และโดยทั่วไปจะใช้วัสดุพื้นผิวที่มีการนำความร้อนสูง