¿Por qué no CPUs enfriado desde abajo, así como el anterior?

Question

El transistory bits de un circuito integrado que se encuentra aproximadamente en el centro de la (de plástico o de cerámica) de paquete. A veces se caliente y se enfríe ellos mediante la colocación de un disipador de calor para un lado. A veces nos acaba de soplar aire a través de ellos con un ventilador. Parte de este calor se propaga hacia arriba, pero algunos también debe ir hacia abajo y hacia la PCB. No sé la razón. La siguiente es la parte inferior de un Intel Core i7-7700K CPU de disipación de 91W de calor:-

Hay muchos conexión de los pads. Claramente actúan como un montón de micro disipadores de calor que transfieren algunos proporción significativa de calor hacia el zócalo /PCB. De hecho, muchos de montaje en superficie de los componentes de disipar el calor a través de (a través de cosido) capas de cobre.

Así que si el enfriamiento es importante (como la CPU overclocking de la comunidad), ¿por qué no CPUs enfriado por debajo de la PCB así, con decir que un fan?

EDITAR:

Mientras que los comentarios son en general negativos, hay dos elementos nuevos. Uno, hay un largo hilo en Overclock lo que sugiere que un número significativo de grados podría ser tomado fuera de la temperatura de la CPU con un ventilador en la placa posterior. Y dos, lo he probado (es cierto que con sólo una Raspberry Pi). He cubierto la parte superior con un paño para aislar el Broadcom de la CPU, mientras que el enfriamiento de la parte inferior sólo con un ventilador de 60mm. El ventilador reduce el rango máximo de la temperatura de CPU de 82 grados. 49. No está mal, así que creo que esta idea tiene piernas...

Answer 1

Ellos no son enfriados desde abajo porque tienen pines en la parte inferior, y FR4 debajo de eso.

Debido a que tiene una mucho menor conductividad térmica, $$ \begin{array}{rrl} \text{Copper:} & 385\phantom{.25} & \frac{\mathrm{W}}{\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{K}} \\ \text{Aluminum:} & 205\phantom{.25} & \frac{\mathrm{W}}{\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{K}} \\ \text{FR4:} & 0.25 & \frac{\mathrm{W}}{\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{K}} \\ \end{array} $$ $ $ el material en la parte inferior de la CPU sería de transporte mucho menos calor.

Las probabilidades son que usted no quiere que rodea a las señales con el metal que iba a cambiar la impedancia drásticamente, por lo que el metal en el fondo es más de un problema. Si usted hizo construir un zócalo de metal, que tendría que ser micromecanizado, que sería muchas veces más caro que el de un plástico moldeado por inyección de socket. Estas cosas se evitará la construcción de un zócalo de procesador que absorberá el calor.

Se puede poner un bloque de refrigeración en la parte inferior de la junta, pero el material del PWB (FR4) podría reducir el enfriamiento sustancialmente.

Answer 2

La refrigeración no es importante, es crucial. Una CPU moderna puede fácilmente poner algo entre 15 W y 200 W, a partir de un dado que algunos cm2. Si usted no es el transporte que el calor, que chip tiene que dejar de operar, más lenta, o: acaba de quemar.

Con eso fuera del camino: ¿Dónde poner su calor a partir de ahí? El enfriamiento de la superficie de una placa base es muy limitada en comparación a la superficie de la refrigeración de la CPU del cuerpo. El calor de la capacidad de transporte de las capas de cobre no es malo per se, pero en comparación con un enorme bloque de cobre y el aluminio (y, a menudo, convencionales de calor de la tubería), es insignificante.

Entonces: La placa madre por sí misma a menudo no es el lugar más fresco, especialmente alrededor de la CPU. Allí, el conjunto de la cadena de suministro de energía de la CPU se encuentra. Que tiene una buena eficacia, pero con una carga de varias decenas de amperios y rápidamente cambiantes escenarios de carga, no es de extrañar que estos convertidores se caliente, demasiado.

Estoy seguro de que en la costumbre de la Computación de Alto Rendimiento y militar construye encontrarás especializados paquetes de CPU que dan a la parte inferior de acceso a partes de la CPU, pero en anillos corriente Cpu, eso simplemente no es posible mecánicamente ni térmicamente excesivamente ventajosas.

Tenga en cuenta que esto no se aplica a todas las CPUs. Si usted va incrustado en el sector, usted encontrará a menudo más pequeños de Cpu con un calor de hundimiento de la almohadilla en el medio. No parece factible para grandes Cpu.

Estoy seguro de que Intel y AMD no poner estos pasivos en la parte inferior de sus CPUs si podían evitarlo. De hecho, miren la imagen: el tablero verde que estás mirando no es el morir, es el PCB transportista que la junta está conectado a; que es el tecnológico, el precio que usted paga para ser capaz barato producir en masa intercambiables Cpu en lugar de tener las placas base con el Cpu Chip-escala-paquete de bola soldada a ellos directamente – y no podemos tener de que, incluso en teoría, debido a que el calor de ese CPU es sólo por lo mucho que un calor extendiendo metal avión tiene que ser la presión de ajuste en la parte superior de la misma, y puede efectivamente sólo mecánicamente que por tener el morir en algún tipo de sustrato.

Answer 3

Una respuesta que no se ha dado todavía es debido a la forma en que se construyen. Procesadores usados en los ordenadores y portátiles son (al menos que yo sepa) nunca un completo flip-chip. Ellos simplemente tienen demasiado conexiones para permitir la fácil flip-chip en un simple PCB proceso que se utiliza en las placas base. Me refiero a simples en comparación con los procesos necesarios para el RF/de ondas milimétricas aplicaciones, o un proceso que permite que las densidades de donde realmente se puede ventilador 1000+ patas de un par de milímetros cuadrados.

Por esta razón, la CPU muere siempre flip chip en una mediadora. Esto es a menudo de cerámica, y de hecho de muchas capas. Aquí es un ejemplo de la wikipedia. Yo puedo ver 5 muere en este paquete, además de una gran cantidad de pequeñas pasivos alrededor de los bordes (por lo que puedo decir que esto es en realidad una aún más complejo de pila, con un silicio de la interposición de interconectar las diferentes muere, y que se coloca en la parte superior de una cerámica de interposición).

¿Por qué hace todo esto importa? Te sugiero que usted debe ser capaz de transferir el calor a través de los pines de la CPU. Sin embargo, este no es el caso, porque de esta mediadora. Esto no es como un gran dispositivo de alimentación donde los grandes del metal de bit está conectado realmente con silicio - hay un montón de cosas en el medio.

Como resultado de la conductividad térmica de la matriz a los pines es todavía baja - por lo que incluso si se va a encontrar algunos muy ingeniosa manera de conseguir todo el calor lejos de los pines, usted podría ver apenas ninguna mejora, ya que todavía se pueden tratar con orden de magnitud mayor resistencia térmica en comparación con un calor de metal-esparcidor de que está en contacto directo con la parte superior de la silicona.

Si usted va a la Cpu utilizada en los teléfonos o dispositivos embebidos, que una "parte inferior del disipador de calor del" pad, las cosas son diferentes. Aquí no hacen uso de un flip-chip de enfoque. En el centro de la BGA, tendrán un metal lugar en el que el morir es térmicamente acoplada (esto es por lo general también de la tierra). A continuación, utilice bondwires para conectar todos los pines, aún utilizando un formulario de interposición con el metal en el medio (o el centro de metal es sólo un montón de vias rectas para obtener la baja conductividad térmica). Esto significa que hay mucho menos material, entre los que el centro de la almohadilla de refrigeración y el BGA pines, lo que permite mucho más eficiente transferencia de calor.

Answer 4

Parte de este calor se propaga hacia arriba, pero algunos también debe ir hacia abajo hacia el PCB. No sé la razón.

Eso es cierto, el calor se propaga en todas las direcciones. Por desgracia, la tasa de propagación (también conocido por ser caracterizado como resistencia térmica) es muy diferente.

Una CPU debe estar conectado con los periféricos de memoria/de alguna manera, por lo que tiene 1000 - 2000 pines para ese propósito. Así que el camino eléctrico (fanout) debe ser proporcionada, la cual se realiza a través de la placa de circuito impreso de la tecnología. Por desgracia, incluso si impregnado con un montón de cables de cobre/capas, todo el PCB cosa no conducen el calor muy bien. Pero esto es inevitable - usted necesita conexiones.

Principios de Cpu (i386-i486) se enfría en su mayoría a través del PWB del camino, en principios de los 90-th el PC Cpu no tenía disipador de calor en la parte superior. Muchos de los chips tradicionales de alambre de bonos de montaje (chip de silicio en la parte inferior, los pads conectados con los cables de la parte superior almohadillas marco del plomo) puede térmica de slug en la parte inferior, debido a que este es el camino de menor resistencia térmica.

A continuación, el flip-chip de tecnología de envasado fue inventado, por lo que el morir es en la parte superior del paquete, al revés, y toda la conexión eléctrica se realiza a través de un conductor eléctrico protuberancias en la parte inferior. Así que el camino de menor resistencia es que ahora va a través de la parte superior de los procesadores. Que es donde todos los extras trucos se utiliza, para difundir el calor de las relativamente pequeñas morir (1 sq.sm) más grande del disipador de calor, etc.

Afortunadamente, la CPU de los equipos de diseño incluyen considerable de los departamentos de ingeniería que realizan el modelado térmico de la CPU morir y todo el embalaje. Los datos iniciales de vino de diseño digital y, a continuación, caro 3-D solucionadores de dar una imagen global de la distribución del calor y de los flujos. El modelado obviamente incluye los modelos térmicos de sockets de CPU/pasadores y placas base. Yo sugeriría a confiar en ellos con soluciones que ofrecen, que conocen su negocio. Al parecer, algunos de refrigeración extra de la parte inferior de la PCB ya no vale la pena el esfuerzo extra.

ADEMÁS: Aquí es un bulto modelo de un FBGA chip, que puede dar una idea de a, digamos, Intel LGA2011 modelo térmico.

Mientras que el de múltiples capas del PWB con la térmica de vias y 25% de contenido de cobre podría tener un poco de buen rendimiento térmico, moderno/práctico LGA2011 sistema tiene un elemento importante, un socket. El zócalo tiene una aguja primavera del tipo de contactos en cada pastilla. Es bastante obvio que el volumen total de contacto de metal a través de la toma es bastante más pequeño que el grueso de cobre slug en la parte superior de la CPU. Yo diría que no es más que un 1/100 de la babosa de la zona, probablemente mucho menos. Por lo tanto, debe ser obvio que la resistencia térmica de LGA2011 socket es al menos 100 VECES de la dirección superior, o no más de 1% de calor puede ir hacia abajo. Supongo que por esta razón Intel térmica guías de ignorar totalmente la parte inferior térmica de ruta, no se menciona.