CPU'lar neden aşağıdan ve yukarıdan soğutulmuyor?

Entegre bir devrenin geçiş parçaları yaklaşık olarak (plastik veya seramik) paketin merkezindedir. Bazen ısınırlar ve bir tarafa bir soğutucu ekleyerek onları soğuturuz. Bazen sadece üzerlerine bir fan ile hava üfleriz. Bu ısının bir kısmı yukarı doğru yayılır, ancak bir kısmı da PCB'ye doğru aşağıya doğru gitmelidir. Oranı bilmiyorum. 91W ısı yayan Intel Core i7-7700K CPU'nun alt kısmı aşağıdadır:

Çok fazla bağlantı pedi var. Açıkça görüldüğü üzere, ısının önemli bir kısmını sokete / PCB'ye aktaran birçok mikro ısı emici görevi görürler. Aslında, yüzeye monte edilmiş birçok bileşen (dikişli) bakır tabakalar boyunca ısıyı yayar.

Öyleyse, soğutma önemliyse (CPU overclock topluluğu için), neden CPU'lar PCB'nin altından da soğutulmuyor, bir fan ile?

DÜZENLE:

Aşağıdaki yorumlar tamamen olumsuz olsa da, iki yeni madde var. Birincisi, Overclock'ta, arka plaka üzerinde bir fan ile CPU sıcaklığından çok sayıda derecenin alınabileceğini düşündüren uzun bir diş var. Ve iki, ben denedim (kuşkusuz sadece bir Ahududu Pi ile). Broadcom CPU'yu izole etmek için üst kısmı bezle kapatırken altını sadece 60mm fan ile soğutdum. Fan, maksimize edilmiş CPU sıcaklığını 82 dereceden düşürdü. 49. Fena değil, bu yüzden bence bu fikrin bacakları ...

Aşağıdan soğutmazlar , çünkü alt kısımda pimler vardır, alt kısımda FR4 .

Çok düşük bir termal iletkenliğe sahip olması nedeniyle , CPU'nun altındaki malzeme m ⋅ K çok daha az ısı taşıyacaktır.

Muhtemelen, sinyalleri empedansı şiddetli bir şekilde değiştirecek metal ile çevrelemek istemezsiniz, bu yüzden alt kısımdaki metal daha fazla sorun. Metalden bir yuva yaptıysanız, plastik enjeksiyonlu bir yuvadan çok daha pahalı olacak şekilde mikro makineye konması gerekir. Bu şeyler sizi ısıtan fitil yapacak bir işlemci soketi oluşturmanızı önler.

Tahtanın altına bir soğutma bloğu koyabilirsiniz, ancak PCB malzemesi (FR4) soğutmayı önemli ölçüde azaltır.

Soğutma önemli değil , çok önemlidir . Modern bir CPU, 15 cm ile 200 W arasında, birkaç cm²'lik bir kalıptan kolayca çıkarabilir. Eğer o ısıyı uzaklaştırmıyorsanız, o yonganın çalışmayı durdurması, yavaşlatması veya: sadece yanması gerekir.

Bunun dışında: Isıyı oradan nereye koydun? Bir anakartın soğutma yüzeyi bir CPU soğutucusunun gövdesinin yüzeyine kıyasla çok sınırlıdır. Bakır tabakaların ısı taşıma kapasitesi başlı başına kötü değildir, ancak büyük bir bakır ve alüminyum bloğuna kıyasla (ve çoğu zaman, konveksiyonel ısı boruları) ihmal edilebilir.

O zaman: Anakartın kendisi çoğu zaman, özellikle CPU'nun çevresindeki en serin yer değil. Burada CPU'nun tüm güç tedarik zinciri bulunur. Bu iyi bir verimliliğe sahip, ancak birkaç düzine amper yük ve hızla değişen yük senaryoları ile, bu dönüştürücüler de ısınıyor şaşırtıcı değil.

Özel Yüksek Performanslı Bilgi İşlem ve askeri kurulumlarda, CPU'nun parçalarına alttan erişim sağlayan özel CPU paketleri bulacağınıza eminim, ancak soketli ana CPU'larda, mekanik olarak ya da aşırı derecede avantajlı olan bu sadece mümkün değildir.

Bunun tüm işlemciler için geçerli olmadığını unutmayın . Gömülü sektöre girerseniz, genellikle ortasında ısı emici bir pete sahip küçük CPU'lar bulacaksınız. Sadece daha büyük işlemciler için uygun görünmüyor.

Intel’in ve AMD’nin bu pasifleri CPU’ların altına koyamayacaklarından emin olmaz. Aslında, şu resme bakın: Baktığınız yeşil tahta kalıp değil, panonun bağlı olduğu PCB taşıyıcısıdır; sadece kendilerine doğrudan lehimlenen CPU'lar Chip-scale-ball-ball ile anakartlara sahip olmak yerine ucuz şekilde seri üretilebilen CPU'ları ucuza üretebilmeniz için ödediğiniz teknolojik fiyat budur - ve teorik olarak bile, buna tamamen sahip olamazsınız çünkü Bu CPU'dan öylesine o kadar ki bir ısı yayıcı metal düzlemi üzerine basınca uyması gerekir ki, ve bir tür substrat üzerinde kalıbı alarak bunu yalnızca mekanik olarak yapabilirsiniz.

Henüz verilmemiş bir cevap, inşa edilme biçimlerinden kaynaklanıyor. Bilgisayarlarda ve dizüstü bilgisayarlarda kullanılan CPU'lar (en azından benim bildiğim kadarıyla) asla tam bir flip-chip değildir. Onlar sadece anakartlarda kullanılan basit bir PCB işleminde kolay flip-chip sağlamak için çok fazla bağlantıları var. Burada RF / milimetre dalga uygulamaları için gerekli işlemlerle veya birkaç milimetrede 1000'den fazla iğneyi gerçekten havalandırabileceğiniz yoğunluklara izin veren bir işlemle karşılaştırıldığında basit demek istiyorum.

Bu nedenle, CPU kalıpları her zaman bir aracıya çevrilir. Bu genellikle seramiktir ve birçok katmandan oluşur. İşte bir örnek, wikipedia'dan. Bu paket üzerinde, kenarlarında büyük miktarda küçük pasiflerin yanı sıra, 5 farklı ölümü de görebilirsiniz (şunu söyleyebilirim ki, aslında daha karmaşık bir yığılmadır, farklı kalıpları birbirine bağlamak için bir silikon aracı ile, ve o zaman bir seramik aracı üzerine konur).

Bütün bunlar neden önemlidir? Isıyı CPU üzerindeki pinlerden verimli bir şekilde aktarabilmeniz gerektiğini önerirsiniz. Ancak, bu aracı nedeniyle durum böyle değil. Bu, büyük metal parçanın aslında silikona bağlı olduğu büyük bir güç cihazı gibi değil - aralarında çok fazla şey var.

Sonuç olarak, kalıptan pimlere olan termal iletkenlik hala düşüktür - bu yüzden tüm ısıyı bu pimlerden uzak tutmanın çok şık bir yolunu bulsanız bile, yine de uğraşacağınız için herhangi bir gelişme göreceksiniz. büyüklük sırasına göre, silikonun üst kısmı ile doğrudan temas halinde olan bir metal ısı yayıcıya kıyasla daha yüksek ısıl direnç.

Telefonlarda veya gömülü aygıtlarda kullanılan ve "alt soğutucu" pedine sahip CPU'lara giderseniz, işler farklıdır. Burada bir flip-chip yaklaşımı kullanmıyorlar. BGA'nın merkezinde, kalıbın termal olarak tutturulduğu metal bir yere sahip olacaklar (bu genellikle aynı zamanda topraklıdır). Daha sonra, bütün pimleri bağlamak için hala bağ teli kullanıyorlar, hala ortada metal bulunan bir aracı aracı kullanıyorlar (ya da orta metal, düşük ısı iletkenliği elde etmek için doğrudan bir demet viyanadır). Bu, orta soğutma pedi ve BGA pinleri arasında çok daha az malzeme olduğu ve çok daha verimli bir ısı transferine olanak tanıdığı anlamına gelir.

Bu ısının bir kısmı yukarı doğru yayılır, ancak bir kısmı da PCB'ye doğru aşağıya doğru gitmelidir. Oranı bilmiyorum.

Bu doğru, ısı her yöne yayılır. Ne yazık ki, yayılma hızı (ayrıca termal direnç olarak da bilinir) çok farklıdır.

Bir işlemci bir şekilde çevre birimlere / belleğe bağlanmalıdır, bu nedenle bu amaçla 1000 - 2000 pimine sahiptir. Bu nedenle, baskılı devre kartı teknolojisi ile yapılan elektrik yolu (fanout) sağlanmalıdır. Ne yazık ki, bir demet bakır tel / tabaka ile emprenye edilmiş olsa bile, tüm PCB olayı çok iyi ısınmıyor. Ancak bu kaçınılmaz - bağlantılara ihtiyacınız var.

Erken CPU'lar (i386-i486) çoğunlukla PCB yolu ile soğutuldu, 90'lı yılların başında PC CPU'ların üstünde ısı emici yoktu. Geleneksel kablo bağı montajına sahip birçok yonga (altta silikon yonga, üst pedlerden kurşun çerçeveye tellerle bağlanmış pedler) altta termal sümüklü böcek içerebilir, çünkü bu en az ısıl dirençli yoldur.

Daha sonra flip-chip paketleme teknolojisi icat edildi, böylece kalıp ambalajın üstünde, baş aşağı, ve tüm elektriksel bağlantı, tabandaki elektriksel olarak iletken çarpmalarla yapılıyor. Yani en az direnç gösteren yol şimdi işlemcilerin üstünden geçiyor. Isıyı nispeten küçük kalıptan (1 m2) daha büyük bir ısı emicisine vb. Yaymak için tüm ekstra numaraların kullanıldığı yer burasıdır.

Neyse ki, CPU tasarım ekipleri, CPU kalıbının ve tüm paketlemesinin termal modellemesini yapan oldukça büyük mühendislik departmanları içermektedir. İlk veriler dijital tasarımdan geldi ve daha sonra pahalı 3 boyutlu çözücüler genel ısı dağılımı ve akış resimlerini verdi. Modelleme açıkça CPU soketlerinin / pinlerinin ve anakartların termal modellerini içerir. Onlara sundukları çözümlerle güvenmelerini öneririm, işlerini bilirler. Görünüşe göre, PCB'nin dibinden bir miktar ekstra soğutma, sadece ekstra bir çabaya değmez.

EK: İşte LGA2011 Intel termal modeline fikir verebilecek bir FBGA yongası modeli.

Termal viyana ve% 25 bakır içeriğine sahip çok katmanlı PCB biraz iyi termal performans gösterse de, modern / pratik LGA2011 sisteminin bir prizi olan önemli bir elemanı vardır. Soket, her bir pedin altında iğne tipi bir yay kontağına sahiptir. Soket boyunca metal temasının toplam kütlesinin CPU üstündeki kütle bakır sümüğünden oldukça küçük olduğu açıktır. Sümüklüböcek alanın 1 / 100'ünden fazla olmadığını, büyük olasılıkla daha az olduğunu söyleyebilirim. Bu nedenle, LGA2011 soketinin ısıl direncinin üst yönün en az 100 katı olduğu veya ısının% 1'inden fazlasının düşemeyeceği açık olmalıdır. Sanırım bu nedenle Intel termal kılavuzları en alttaki termal yolu tamamen görmezden geliyor, bahsedilmiyor.

Aviyoniklerde soğutma, PCB dahil olmak üzere tüm olası yollar için değerlendirilir .

Bir dizüstü bilgisayar / masaüstündeki ana akım mikroişlemci genellikle bir iletim (ısı emici) ve konveksiyon (genellikle zorunlu hava) soğutma karışımı kullanır. Bu ikisinin karışımı ısının çoğunluğunu uzaklaştırırken, PCB yoluyla soğutma mekanizması bazen göz ardı edilir, ancak hala mevcuttur.

Eğer ekipman basınçsız bir aviyonik bölmede ise, konveksiyonla soğutma anlamını yitirir (hava yoğunluğu çok düşüktür, yani ısıyı yaymak için yüksek irtifada yetersiz moleküller olduğu anlamına gelir). Bu nedenle iletkenlik soğutma , bu senaryoda gerçekten etkili olan tek soğutma yöntemi olduğu için yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bunun etkili olması için, PCB içinde ısı yayıcı olarak çok sayıda uçak kullanılır.

Isı emiciler nerede edilir kullanılan (bir tercih edilen bir çözüm, ancak bazen kaçınılmaz), yolu hala tel (- soğuk duvar ya da daha fazla 70 ° C'de olabilir, bu göreceli bir terim) soğuk duvarına ısı merdivenleri ile soğutulur.

Cebri hava bazen kullanılır, ancak soğuk plakaya bağlı basınçlı bir odada bulunur.

Dolayısıyla bu senaryoda, tüm yollardan soğutma kullanılır; her iki taraftan da iletme, FR-4 özellikle termal olarak iletken olmayabilir, ancak bakır düzlemlerdir.

Bu sorunun cevabını biraz detaylı bir termal tartışmaya girdim .

Asıl cevap temel mühendisliktir. Bir sistemi optimize etmek, bağımsız olarak optimize edilebilen alt sistemlere ayırabilirseniz, çok daha kolaydır.

Bağlanabilirlik için bir tarafı ve ısının kaldırılması için diğer tarafı optimize ederek. Her iki soruna da en fazla 2: 1 ceza uygularken sorunu basitleştirdiniz. Açıkçası, bağlantılardan çok daha fazla ısıya veya ısıdan daha fazla bağlantıya sahipseniz, bu seçeneğin tekrar gözden geçirilmesi gerekir, ancak durum böyle değil.

Bu, alttan ısıyı uzaklaştırmanın veya bağlantıları üstüne yerleştirmenin mümkün olmadığı, ancak ne pahasına olduğu anlamına gelmez. Daha sonra başka hangi uzlaşmalar yapılmalıdır?

Sıvı soğutmalı işlemci modülleri, bir geri dönüş yaparken, 30 yıl önce oldukça yaygındı. Ana makinelerde işlemci tamamen suya batırılmış “zarflar” içerdiğinde ve böylece ekteki IC'lerin her tarafından ısıyı aldılar. Bu açıkça bağlantıların tasarımı, hata ayıklama, yeniden işleme ve kullanılabilecek sıvı türlerini olumsuz yönde gösterir. Bunlar, her iki alt sistem için bir çok ek kısıtlamadır. Böyle bir seçim yapılması gerçeği, ısının kaldırılmasının birincil kısıt olduğunu gösterir.

Modern sıvı soğutmalı süper bilgisayarlar, gofretin üstünde yüksek oranda optimize edilmiş su mikro borularına sahiptir. Tüm bağlantılar alt tarafta iken. Her alt sistem diğerinden bağımsızdır ve tüm tasarımı büyük ölçüde optimize eder.

Bağlantıların karşısında kalan tarafın kullanıldığı uygulamalarda, örneğin, LED'ler, lazerler, optik bağlantılar, RF portları, vb. Genelde, yüksek ısı iletkenliğine sahip özel substratlar kullanılır.