Warum werden CPUs nicht sowohl von unten als auch von oben gekühlt?

Sie werden nicht von unten gekühlt, weil sie unten Stifte und darunter FR4 haben .

Aufgrund der deutlich geringeren Wärmeleitfähigkeit

Wahrscheinlich möchten Sie die Signale nicht mit Metall umgeben, was die Impedanz drastisch ändern würde, sodass Metall auf der Unterseite eher ein Problem darstellt. Wenn Sie eine Buchse aus Metall bauen würden, müsste sie mikrobearbeitet werden, was um ein Vielfaches teurer wäre als eine spritzgegossene Buchse aus Kunststoff. Diese Dinge würden Sie daran hindern, einen Prozessorsockel zu bauen, der Wärme ableiten würde.

Sie könnten einen Kühlblock auf die Unterseite der Platine setzen, aber das PCB-Material (FR4) würde die Kühlung erheblich reduzieren.

Kühlung ist nicht wichtig , sondern entscheidend . Eine moderne CPU kann leicht etwas zwischen 15 W und 200 W aus einem Chip von wenigen cm² abgeben. Wenn Sie diese Wärme nicht abtransportieren, muss dieser Chip aufhören zu arbeiten, langsamer werden oder: einfach verbrennen.

Abgesehen davon: Wohin bringen Sie Ihre Wärme? Die Kühlfläche eines Motherboards ist im Vergleich zur Oberfläche eines CPU-Kühlerkörpers sehr begrenzt. Die Wärmetransportfähigkeit der Kupferschichten ist an sich nicht schlecht, aber im Vergleich zu einem massiven Block aus Kupfer und Aluminium (und häufig Konvektionswärmeleitungen) ist sie vernachlässigbar.

Dann: Das Motherboard selbst ist oft nicht der coolste Ort, besonders um die CPU herum. Dort befindet sich die gesamte Energieversorgungskette der CPU. Das hat einen guten Wirkungsgrad, aber bei einer Last von mehreren Dutzend Ampere und schnell wechselnden Lastszenarien ist es kein Wunder, dass auch diese Wandler heiß werden.

Ich bin mir sicher, dass Sie in benutzerdefinierten High Performance Computing- und Militär-Builds spezialisierte CPU-Pakete finden werden, die einen Zugriff auf Teile der CPU von der Unterseite ermöglichen, aber bei gesockelten Mainstream-CPUs ist dies weder mechanisch noch thermisch übermäßig vorteilhaft.

Beachten Sie, dass dies nicht für alle CPUs gilt. Geht man in den Embedded-Bereich, findet man oft kleinere CPUs mit einem Kühlpad in der Mitte. Es scheint einfach nicht machbar für größere CPUs.

Ich bin mir sicher, dass Intel und AMD diese passiven Komponenten nicht auf die Unterseite ihrer CPUs setzen würden, wenn sie es vermeiden könnten. Schauen Sie sich dieses Bild an: Die grüne Platine, die Sie sehen, ist nicht der Chip, sondern der PCB-Träger, mit dem die Platine verbunden ist; Das ist der technologische Preis, den man zahlt, um austauschbare CPUs billig in Massenproduktion herstellen zu können, anstatt nur Motherboards mit direkt darauf gelöteten Chip-Scale-Package-Kugeln der CPUs zu haben – und das kann man wegen der Hitze nicht einmal theoretisch vollständig haben von dieser CPU ist gerade so viel , dass eine Wärme verteilende Metallebene darauf gepresst werden muss, und Sie können dies effektiv nur mechanisch tun, indem Sie den Chip auf einer Art Substrat haben.

Eine Antwort, die noch nicht gegeben wurde, liegt an der Art und Weise, wie sie gebaut sind. CPUs, die in Computern und Laptops verwendet werden, sind (zumindest meines Wissens) niemals ein vollständiger Flip-Chip. Sie haben einfach zu viele Verbindungen, um ein einfaches Flip-Chip auf einem einfachen PCB-Prozess zu ermöglichen, der auf Motherboards verwendet wird. Ich meine hier einfach im Vergleich zu den Prozessen, die für HF-/Millimeterwellenanwendungen erforderlich sind, oder einen Prozess, der Dichten ermöglicht, bei denen Sie wirklich mehr als 1000 Pins auf wenigen Quadratmillimetern auffächern können.

Aus diesem Grund werden CPU-Chips immer auf einen Interposer gechippt. Dies ist oft Keramik und besteht aus vielen Schichten. Hier ist ein Beispiel aus Wikipedia. Sie können 5 separate Chips auf diesem Paket sehen, zusätzlich zu einer großen Menge kleiner Passive an den Rändern (soweit ich das beurteilen kann, ist dies tatsächlich ein noch komplexerer Stapel, mit einem Silizium-Interposer, um die verschiedenen Chips miteinander zu verbinden, und der dann auf einen keramischen Interposer gelegt wird).

Warum ist das alles wichtig? Sie schlagen vor, dass Sie in der Lage sein müssen, die Wärme effizient durch die Pins auf der CPU zu übertragen. Aufgrund dieses Interposers ist dies jedoch nicht der Fall. Dies ist nicht wie ein großes Power-Gerät, bei dem das große Metallbit tatsächlich mit dem Silizium verbunden ist - es gibt eine Menge Dinge dazwischen.

Infolgedessen ist die Wärmeleitfähigkeit vom Chip zu den Stiften immer noch gering. Selbst wenn Sie also einen sehr raffinierten Weg finden würden, die gesamte Wärme von diesen Stiften abzuleiten, würden Sie kaum eine Verbesserung feststellen, da Sie immer noch damit zu tun haben mit um Größenordnungen größerem Wärmewiderstand im Vergleich zu einem metallischen Wärmeverteiler, der in direktem Kontakt mit der Oberseite des Siliziums steht.

Wenn Sie zu CPUs gehen, die in Telefonen oder eingebetteten Geräten verwendet werden und über ein Pad mit „unterem Kühlkörper“ verfügen, liegen die Dinge anders. Hier verwenden sie keinen Flip-Chip-Ansatz. In der Mitte des BGA haben sie eine Metallstelle, auf der der Die thermisch befestigt wird (dies ist normalerweise auch Masse). Sie verwenden dann Bonddrähte, um alle Pins zu verbinden, wobei sie immer noch eine Art Interposer mit dem Metall in der Mitte verwenden (oder das mittlere Metall ist nur ein Haufen Durchkontaktierungen, um eine geringe Wärmeleitfähigkeit zu erreichen). Dies bedeutet, dass sich zwischen diesem zentralen Kühlpad und den BGA-Pins viel weniger Material befindet, was eine weitaus effizientere Wärmeübertragung ermöglicht.

Ein Teil dieser Wärme breitet sich nach oben aus, ein Teil muss jedoch auch nach unten in Richtung der Leiterplatte gehen. Ich kenne das Verhältnis nicht.

Das stimmt, Wärme breitet sich in alle Richtungen aus. Leider ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit (auch bekannt als thermischer Widerstand) sehr unterschiedlich.

Eine CPU muss irgendwie mit Peripheriegeräten / Speicher verbunden sein, daher hat sie für diesen Zweck 1000 - 2000 Pins. Es muss also der elektrische Pfad (Fanout) bereitgestellt werden, was über Leiterplattentechnik erfolgt. Leider leitet das ganze PCB-Ding die Wärme nicht sehr gut, selbst wenn es mit einem Bündel von Kupferdrähten / -schichten imprägniert ist. Aber das ist unvermeidlich - Sie brauchen Verbindungen.

Frühe CPUs (i386-i486) wurden hauptsächlich über den PCB-Pfad gekühlt, in den frühen 90er Jahren hatten die PC-CPUs oben keinen Kühlkörper. Viele Chips mit herkömmlicher Drahtbondmontage (Siliziumchip auf der Unterseite, Pads, die mit Drähten von den oberen Pads zum Leiterrahmen verbunden sind) können auf der Unterseite thermische Pfropfen aufweisen, da dies der Weg des geringsten Wärmewiderstands ist.

Dann wurde die Flip-Chip-Verpackungstechnologie erfunden, sodass sich der Chip auf der Oberseite des Gehäuses befindet, verkehrt herum, und alle elektrischen Verbindungen über elektrisch leitende Bumps auf der Unterseite hergestellt werden. Der Weg des geringsten Widerstands führt also jetzt durch die Oberseite der Prozessoren. Hier werden alle zusätzlichen Tricks angewendet, um die Wärme von einem relativ kleinen Chip (1 m²) auf einen größeren Kühlkörper usw. zu verteilen.

Glücklicherweise gehören zu den CPU-Designteams beträchtliche technische Abteilungen, die die thermische Modellierung des CPU-Chips und des gesamten Gehäuses durchführen. Die anfänglichen Daten stammen aus dem digitalen Design, und dann geben teure 3-D-Solver ein Gesamtbild der Wärmeverteilung und -flüsse. Die Modellierung umfasst offensichtlich thermische Modelle von CPU-Sockeln/Pins und Mainboards. Ich würde vorschlagen, ihnen die von ihnen angebotenen Lösungen anzuvertrauen, sie kennen ihr Geschäft. Anscheinend ist eine zusätzliche Kühlung von der Unterseite der Leiterplatte den zusätzlichen Aufwand einfach nicht wert.

ZUSÄTZLICH: Hier ist ein pauschales Modell eines FBGA-Chips, das eine Vorstellung von beispielsweise dem LGA2011 Intel Thermal Model geben kann.

Während die mehrschichtige Leiterplatte mit thermischen Durchkontaktierungen und 25 % Kupfergehalt eine recht gute thermische Leistung haben mag, hat ein modernes/praktisches LGA2011-System ein wichtiges Element, einen Sockel. Die Buchse hat unter jedem Pad einen Nadelfederkontakt. Es ist ziemlich offensichtlich, dass die Gesamtmasse des Metallkontakts über den Sockel ziemlich kleiner ist als die Masse des Kupferpfropfens auf der Oberseite der CPU. Ich würde sagen, es ist nicht mehr als 1/100 der Schneckenfläche, wahrscheinlich viel weniger. Daher muss es offensichtlich sein, dass der Wärmewiderstand des LGA2011-Sockels mindestens das 100-fache der oberen Richtung beträgt oder nicht mehr als 1 % der Wärme nach unten gelangen kann. Ich denke, aus diesem Grund ignorieren Intel Thermal Guides den unteren Wärmepfad völlig, er wird nicht erwähnt.

In der Avionik wird die Kühlung für alle möglichen Wege evaluiert , auch über die Leiterplatte.

Ein Mainstream-Mikroprozessor in einem Laptop / Desktop verwendet im Allgemeinen eine Mischung aus Konduktion (Kühlkörper) und Konvektion (normalerweise Zwangsluftkühlung). Da die Mischung aus diesen beiden den größten Teil der Wärme abführt, wird der Kühlmechanismus über die Leiterplatte manchmal ignoriert, ist aber immer noch vorhanden.

Befindet sich die Ausrüstung in einem drucklosen Avionikschacht, verliert die Konvektionskühlung eher an Bedeutung (die Luftdichte ist sehr gering, was bedeutet, dass in großer Höhe nicht genügend Moleküle vorhanden sind, um die Wärme zu verteilen). Aus diesem Grund ist die Konduktionskühlung sehr weit verbreitet, da sie in diesem Szenario die einzig wirklich effektive Kühlmethode ist.

Damit dies effektiv ist, werden zahlreiche Ebenen innerhalb der Leiterplatte als Wärmeverteiler verwendet.

Wenn Kühlkörper verwendet werden (keine bevorzugte Lösung, aber manchmal unvermeidlich), wird der Pfad immer noch über Wärmeleitern zu einer kalten Wand konduktionsgekühlt (dies ist ein relativer Begriff - die kalte Wand kann 70 ° C oder mehr haben).

Druckluft wird manchmal verwendet, aber innerhalb einer Druckkammer, die an der Kühlplatte angebracht ist.

In diesem Szenario wird also die Kühlung über alle Pfade genutzt; Wärmeleitung von beiden Seiten, FR-4 ist vielleicht nicht besonders wärmeleitend, aber die Kupferflächen sind es.

Zur Beantwortung dieser Frage bin ich in eine etwas ausführliche thermische Diskussion eingestiegen .

Die eigentliche Antwort ist Basic Engineering. Es ist viel einfacher, ein System zu optimieren, wenn Sie es in Subsysteme aufteilen können, die unabhängig voneinander optimiert werden können.

Indem eine Seite für die Konnektivität und die andere Seite für die Wärmeabfuhr optimiert wird. Sie haben das Problem vereinfacht, indem Sie jedem Problem höchstens eine 2:1-Strafe auferlegen. Wenn Sie viel mehr Wärme als Verbindungen oder mehr Verbindungen als Wärme hatten, sollte diese Wahl natürlich noch einmal überprüft werden, aber das ist eindeutig nicht der Fall.

Das bedeutet nicht, dass es nicht möglich ist, Wärme von der Unterseite abzuführen oder Anschlüsse oben zu platzieren, aber um welchen Preis? Welche anderen Kompromisse müssen dann eingegangen werden?

Flüssigkeitsgekühlte CPU-Module, während sie ein Comeback erleben, waren vor 30 Jahren eher üblich. Als Mainframes CPU-„Hüllen“ hatten, die vollständig in Flüssigkeit getaucht waren und somit Wärme von allen Seiten der eingeschlossenen ICs abführten. Dies stellt eindeutig einen Nachteil für das Design der Verbindungen, das Debugging, die Nacharbeit und die Arten von Flüssigkeiten dar, die verwendet werden können. Das sind viele zusätzliche Einschränkungen für beide Subsysteme. Die Tatsache, dass eine solche Wahl getroffen wurde, weist darauf hin, dass die Wärmeabfuhr die Hauptbeschränkung war.

Moderne flüssigkeitsgekühlte Supercomputer haben hochoptimierte Wassermikroleitungen auf der Oberseite des Wafers. Während sich alle Anschlüsse auf der Unterseite befinden. Jedes Subsystem ist unabhängig vom anderen, wodurch das gesamte Design erheblich optimiert wird.

Bei Anwendungen, bei denen die den Anschlüssen gegenüberliegende Seite anderweitig belegt ist, z. B. LEDs, Laser, optische Verbindungen, HF-Anschlüsse usw., ist die Unterseite der primäre Wärmeabfuhrweg. Außerdem werden im Allgemeinen spezielle Substrate mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet.

Obwohl dieses Thema vor Jahren aktiv war, poste ich, um denen zu helfen, die danach suchen. Die Begründung, die Unterseite einer Wärmequelle nicht zu kühlen, ist unsinnig. Die Leiterplatte ist ein anständiger Isolator, der die Wärmeübertragung verlangsamt, aber selbst wird immer noch heiß, nur langsamer als blankes Metall, das Wärme SCHNELLER leitet. Die CPU ist immer noch eine Wärmequelle, sodass die Wärme auch langsam auf die andere Seite der Platine durchdringt. Darüber hinaus erstrecken sich die Schaltkreise, wie einige gesagt haben, oft bis zur Unterseite, was die Wärmeübertragung durch die Leiterplatte erleichtert. Darüber hinaus wissen Leiterplattendesigner, dass das Management von Wärmequellen darin besteht, die Leiterplatte zu durchbohren oder absichtlich Bereiche zu entwerfen, in denen es Kanäle aus weniger PCB-Isoliermaterial gibt, die zwischen Schichten angeordnet sind. Auch wenn Sie das alles nicht glauben oder Ihr Board vielleicht ein Sonderfall ist,