Mengapa CPU tidak didinginkan dari bawah juga dari atas?

Bit transistri dari sirkuit terintegrasi kira-kira ada di tengah paket (plastik atau keramik). Terkadang menjadi panas, dan kami mendinginkannya dengan menempelkan heat sink di satu sisi. Terkadang kita hanya meniupkan udara ke atas mereka dengan kipas angin. Sebagian dari panas ini merambat ke atas, tetapi sebagian juga harus mengarah ke bawah menuju PCB. Saya tidak tahu rasionya. Berikut ini adalah bagian bawah CPU Intel Core i7-7700K yang menghilangkan 91W panas: -

Ada banyak bantalan koneksi. Jelas mereka bertindak sebagai banyak heat sink mikro yang mentransfer sebagian besar panas ke soket / PCB. Memang banyak komponen yang dipasang di permukaan menghilangkan panas melalui (melalui jahitan) lapisan tembaga.

Jadi jika pendinginan itu penting (seperti untuk komunitas overclocking CPU), mengapa CPU tidak didinginkan dari bawah PCB juga, dengan mengatakan penggemar?

EDIT:

Sementara komentar di bawah ini secara keseluruhan negatif, ada dua item baru. Pertama, ada utas panjang tentang Overclock yang menunjukkan bahwa sejumlah besar derajat dapat dilepas dari suhu CPU dengan kipas di pelat belakang. Dan dua, saya mencobanya (diakui hanya dengan Raspberry Pi). Saya menutupi bagian atas dengan kain untuk mengisolasi CPU Broadcom, sementara mendinginkan bagian bawah hanya dengan kipas 60mm. Kipas mengurangi suhu CPU maksimal dari 82 derajat. ke 49. Tidak buruk, jadi saya pikir ide ini berkaki ...

Mereka tidak didinginkan dari bawah karena mereka memiliki pin di bagian bawah, dan FR4 di bawahnya.

Kemungkinan Anda tidak ingin mengelilingi sinyal dengan logam yang akan mengubah impedansi secara drastis, sehingga logam di bagian bawah lebih merupakan masalah. Jika Anda memang membangun soket dari logam, itu perlu micromachined, yang akan jauh lebih mahal daripada soket cetakan injeksi plastik. Hal-hal ini akan mencegah Anda membangun soket prosesor yang akan memanaskannya.

Anda bisa meletakkan blok pendingin di bagian bawah papan, tetapi bahan PCB (FR4) akan mengurangi pendinginan secara substansial.

Pendinginan tidak penting , itu penting . CPU modern dapat dengan mudah mengeluarkan sesuatu antara 15 W dan 200 W, dari cetakan yang berukuran beberapa cm². Jika Anda tidak memindahkan panas itu, chip itu harus berhenti beroperasi, melambat, atau: terbakar saja.

Dengan cara itu: Di mana Anda menaruh panas dari sana? Permukaan pendingin motherboard sangat terbatas dibandingkan dengan permukaan tubuh pendingin CPU. Kemampuan transportasi panas dari lapisan tembaga tidak buruk per se, tetapi dibandingkan dengan blok besar tembaga dan aluminium (dan, seringkali, perpipaan panas konveksi), itu dapat diabaikan.

Kemudian: Motherboard itu sendiri sering bukan tempat paling keren, terutama di sekitar CPU. Di sana, seluruh rantai catu daya CPU berada. Itu memiliki efisiensi yang baik, tetapi dengan beban beberapa lusin ampere dan skenario beban yang berubah dengan cepat, tidak heran konverter ini menjadi panas juga.

Saya yakin bahwa dalam komputasi berkinerja tinggi dan militer yang dibuat khusus, Anda akan menemukan paket-paket CPU khusus yang memberikan akses bawah ke bagian-bagian CPU, tetapi dalam CPU arus utama yang disambungkan, itu tidak mungkin secara mekanis atau termal terlalu menguntungkan.

Perhatikan bahwa ini tidak berlaku untuk semua CPU. Jika Anda masuk ke sektor tertanam, Anda akan sering menemukan CPU yang lebih kecil dengan pad pendingin di tengah. Sepertinya tidak layak untuk CPU yang lebih besar.

Saya yakin Intel dan AMD tidak akan menempatkan pasif ini di bagian bawah CPU mereka jika mereka bisa menghindarinya. Faktanya, lihat gambar itu: papan hijau yang Anda lihat bukan die, itu adalah papan PCB yang terhubung dengan papan; itulah harga teknologi yang Anda bayar untuk dapat memproduksi secara massal CPU yang dapat dipertukarkan secara massal dengan murah daripada hanya memiliki motherboard dengan bola paket skala Chip CPU yang disolder langsung ke mereka - dan Anda tidak dapat sepenuhnya memilikinya, bahkan secara teoritis, karena panasnya dari CPU itu sangat banyak sehingga bidang logam penyebaran panas harus sesuai tekanan di atasnya, dan Anda dapat secara efektif hanya melakukan secara mekanis bahwa dengan memiliki die pada semacam substrat.

Respons yang belum diberikan adalah karena cara mereka dibangun. CPU yang digunakan di komputer dan laptop (setidaknya setahu saya) tidak pernah penuh flip-chip. Mereka hanya memiliki terlalu banyak koneksi untuk memungkinkan flip-chip yang mudah pada proses PCB sederhana yang digunakan pada motherboard. Maksud saya sederhana di sini dibandingkan dengan proses yang diperlukan untuk aplikasi gelombang RF / milimeter, atau proses yang memungkinkan kepadatan di mana Anda benar-benar dapat menyebar 1000+ pin pada beberapa milimeter persegi.

Untuk alasan ini, CPU dies selalu flip-chipped ke interposer. Ini sering keramik, dan terbuat dari banyak lapisan. Berikut ini contohnya, dari wikipedia. Anda dapat melihat 5 die terpisah pada paket ini, di samping sejumlah besar pasif kecil di sekitar tepi (dari apa yang saya tahu ini sebenarnya stack-up yang lebih kompleks, dengan interposer silikon untuk menghubungkan die yang berbeda, dan yang kemudian diletakkan di atas interposer keramik).

Mengapa ini semua penting? Anda menyarankan Anda harus dapat mentransfer panas secara efisien melalui pin pada CPU. Namun, ini bukan masalahnya, karena pengganggu ini. Ini tidak seperti perangkat daya besar di mana bit logam besar sebenarnya terhubung ke silikon - ada banyak hal di antaranya.

Akibatnya konduktivitas termal dari die ke pin masih rendah - jadi bahkan jika Anda menemukan cara yang sangat bagus untuk mendapatkan semua panas dari pin tersebut, Anda tidak akan melihat peningkatan, karena Anda masih akan berurusan dengan urutan-dari-besarnya resistensi termal yang lebih besar dibandingkan dengan penyebar panas logam yang bersentuhan langsung dengan bagian atas silikon.

Jika Anda menggunakan CPU yang digunakan di ponsel atau perangkat tertanam, yang merupakan pad "heatsink bawah", semuanya berbeda. Di sini mereka tidak menggunakan pendekatan flip-chip. Di tengah BGA, mereka akan memiliki tempat logam di mana cetakan terpasang secara termal (ini biasanya juga tanah). Mereka kemudian menggunakan kawat ikatan untuk menghubungkan semua pin, masih menggunakan bentuk interposer dengan logam di tengah (atau logam pusat hanya sekelompok vias lurus melalui untuk mendapatkan konduktivitas termal rendah). Ini berarti bahwa ada jauh lebih sedikit material antara pad pendingin tengah dan pin BGA, memungkinkan perpindahan panas yang jauh lebih efisien.

Sebagian dari panas ini merambat ke atas, tetapi sebagian juga harus mengarah ke bawah menuju PCB. Saya tidak tahu rasionya.

Itu benar, panas merambat ke segala arah. Sayangnya, laju perambatan (juga dikenal sebagai karakteristik tahan panas) sangat berbeda.

CPU harus terhubung dengan periferal / memori, sehingga memiliki 1000 - 2000 pin untuk tujuan itu. Jadi jalur listrik (fanout) harus disediakan, yang dilakukan melalui teknologi papan sirkuit cetak. Sayangnya, bahkan jika diresapi dengan banyak kabel / lapisan tembaga, keseluruhan PCB tidak melakukan panas dengan baik. Tapi ini tidak bisa dihindari - Anda perlu koneksi.

CPU awal (i386-i486) sebagian besar didinginkan melalui jalur PCB, pada awal 90-an CPU PC tidak memiliki heat sink di atasnya. Banyak chip dengan pemasangan kawat-ikatan tradisional (chip silikon di bagian bawah, bantalan yang terhubung dengan kabel dari bantalan atas ke rangka timah) mungkin memiliki siput termal di bagian bawah, karena ini adalah jalur yang paling tidak tahan terhadap panas.

Kemudian teknologi pengemasan flip-chip ditemukan, sehingga cetakan berada di atas paket, terbalik, dan semua sambungan listrik dilakukan melalui benjolan yang konduktif secara elektrik di bagian bawah. Jadi jalur dengan resistansi paling rendah sekarang melewati puncak prosesor. Di situlah semua trik tambahan digunakan, untuk menyebarkan panas dari die yang relatif kecil (1 sq.sm) ke heat sink yang lebih besar, dll.

Untungnya, tim desain CPU termasuk departemen teknik yang cukup besar yang melakukan pemodelan termal dari die CPU dan seluruh kemasan. Data awal berasal dari desain digital, dan kemudian solver 3-D yang mahal memberikan gambaran keseluruhan dari distribusi panas dan fluks. Pemodelan jelas termasuk model termal dari soket / pin CPU dan mainboards. Saya akan menyarankan untuk mempercayai mereka dengan solusi yang mereka berikan, mereka tahu bisnis mereka. Rupanya beberapa pendinginan tambahan dari bagian bawah PCB tidak layak usaha ekstra.

TAMBAHAN: Berikut ini adalah model lumpuh dari chip FBGA, yang dapat memberikan ide untuk, katakanlah, model termal Intel LGA2011.

Sementara multi-layer PCB dengan vias termal dan kandungan tembaga 25% mungkin memiliki kinerja termal yang agak baik, sistem LGA2011 modern / praktis memiliki satu elemen penting, sebuah soket. Soket memiliki kontak pegas tipe jarum di bawah setiap bantalan. Sangat jelas bahwa jumlah keseluruhan kontak logam di soket cukup kecil dari tembaga slug di bagian atas CPU. Saya akan mengatakan itu tidak lebih dari 1/100 dari daerah siput, kemungkinan jauh lebih sedikit. Oleh karena itu harus jelas bahwa resistansi termal dari soket LGA2011 setidaknya 100X dari arah atas, atau tidak lebih dari 1% panas dapat turun. Saya kira karena alasan ini panduan termal Intel benar-benar mengabaikan jalur termal bawah, tidak disebutkan.

Dalam avionik, pendinginan dievaluasi untuk semua jalur yang mungkin, termasuk melalui PCB.

Sebuah mikroprosesor utama di laptop / desktop umumnya menggunakan campuran konduksi (pendingin) dan konveksi (biasanya udara paksa). Karena campuran dari kedua gerakan ini memindahkan sebagian besar panas, mekanisme pendinginan melalui PCB kadang-kadang diabaikan, tetapi masih ada.

Jika peralatan berada di teluk avionik yang tidak bertekanan, pendinginan konveksi agak kehilangan makna (kepadatan udara sangat rendah yang berarti bahwa ada molekul yang tidak cukup pada ketinggian tinggi untuk menyebarkan panas). Oleh karena itu, pendinginan konduksi sangat banyak digunakan karena merupakan satu-satunya metode pendinginan yang benar-benar efektif dalam skenario ini.

Agar ini menjadi efektif, banyak pesawat digunakan dalam PCB sebagai penyebar panas.

Dimana heat sink yang digunakan (bukan solusi yang lebih disukai tapi kadang-kadang tidak dapat dihindari), jalan masih konduksi didinginkan melalui tangga panas ke dinding dingin (ini adalah istilah relatif - dinding dingin mungkin pada 70C atau lebih).

Udara paksa kadang-kadang digunakan, tetapi di dalam ruang bertekanan terpasang ke pelat dingin.

Jadi dalam skenario ini, pendinginan melalui semua jalur digunakan; konduksi dari kedua sisi, FR-4 mungkin tidak konduktif secara termal, tetapi pesawat tembaga.

Saya pergi ke diskusi termal agak rinci dalam menjawab pertanyaan ini .

Jawaban sebenarnya adalah teknik dasar. Jauh lebih mudah untuk mengoptimalkan sistem jika Anda dapat memisahkannya menjadi subsistem yang dapat dioptimalkan secara mandiri.

Dengan mengoptimalkan satu sisi untuk konektivitas, dan sisi lainnya untuk menghilangkan panas. Anda telah menyederhanakan masalah, sambil memberikan, paling banyak, penalti 2: 1 untuk kedua masalah tersebut. Jelas, jika Anda memiliki lebih banyak panas daripada koneksi, atau lebih banyak koneksi daripada panas, pilihan ini harus ditinjau kembali, tetapi jelas bukan itu masalahnya.

Ini tidak berarti bahwa tidak mungkin untuk menghilangkan panas dari bagian bawah, atau untuk menempatkan koneksi di atas, tetapi berapa biayanya? Kompromi apa lagi yang harus dibuat?

Modul cpu berpendingin cair, saat mereka kembali, agak umum 30 tahun yang lalu. Ketika mainframe memiliki "amplop" cpu yang sepenuhnya cair, dan dengan demikian menghilangkan panas dari semua sisi IC yang tertutup. Ini jelas menyajikan kerugian pada desain koneksi, debugging, pengerjaan ulang, dan jenis cairan yang dapat digunakan. Itu banyak kendala tambahan untuk kedua subsistem. Fakta bahwa pilihan tersebut dibuat, menunjukkan bahwa penghilangan panas adalah kendala utama.

Superkomputer berpendingin cairan modern, memiliki saluran mikro air yang sangat dioptimalkan di atas wafer. Sementara semua koneksi ada di bagian bawah. Setiap subsistem tidak tergantung pada yang lain, sangat mengoptimalkan keseluruhan desain.

Dalam aplikasi di mana sisi yang berlawanan koneksi ditempati, misalnya, LED, laser, tautan optik, port RF, dll. Bagian bawah adalah jalur penghilangan panas utama. Dan substrat khusus, dengan konduktivitas panas tinggi, umumnya digunakan.