왜 CPU가 위와 아래에서 냉각되지 않습니까?

집적 회로의 트랜지스터 비트는 대략 (플라스틱 또는 세라믹) 패키지의 중심에있다. 때로는 뜨거워 지므로 방열판을 한쪽에 붙여서 식 힙니다. 때때로 우리는 팬으로 공기를 불어 넣습니다. 이 열 중 일부는 위쪽으로 전파되지만 일부는 PCB쪽으로 아래쪽으로 가야합니다. 나는 비율을 모른다. 다음은 91W의 열을 방출하는 Intel Core i7-7700K CPU의 밑면입니다.

많은 연결 패드가 있습니다. 분명히 그들은 상당한 양의 열을 소켓 / PCB로 전달하는 많은 마이크로 방열판 역할을합니다. 실제로 많은 표면 실장 부품은 (스티치 된) 구리 층을 통해 열을 방출합니다.

따라서 CPU 오버 클로킹 커뮤니티와 같이 냉각이 중요하다면 왜 팬을 사용하여 CPU가 PCB 아래에서도 냉각되지 않습니까?

편집하다:

아래의 의견은 전체적으로 부정적이지만 두 가지 새로운 항목이 있습니다. 하나는 오버 클럭에 긴 나사산 이있어 후면 판의 팬을 사용하여 CPU 온도에서 상당한 각도를 벗어날 수 있음을 나타냅니다. 그리고 두 가지, 나는 그것을 시도했습니다 (임의로 라즈베리 파이에서만). Broadcom CPU를 분리하기 위해 윗면을 천으로 덮어서 밑면을 60mm 팬으로 만 냉각했습니다. 팬이 최대 CPU 온도를 82도에서 낮췄습니다. 나쁘지 않기 때문에이 아이디어에는 다리가 있다고 생각합니다.

그들은 바닥에 핀이 있고 그 아래에 FR4 가 있기 때문에 아래에서 냉각되지 않습니다 .

훨씬 낮은 갖는 인해 열전도도 ,

$$\begin{array}{rrl} \text{Copper:} & 385\phantom{.25} & \frac{\mathrm{W}}{\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{K}} \\ \text{Aluminum:} & 205\phantom{.25} & \frac{\mathrm{W}}{\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{K}} \\ \text{FR4:} & 0.25 & \frac{\mathrm{W}}{\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{K}} \\ \end{array}$$ CPU 바닥의 재료는 훨씬 적은 열을 전달합니다.

이상한 점은 임피던스를 급격히 변화시키는 금속으로 신호를 둘러싸고 싶지 않기 때문에 바닥의 금속이 더 큰 문제입니다. 금속으로 소켓을 제작했다면 마이크로 머신 가공이 필요하며 플라스틱 사출 성형 소켓보다 몇 배나 비쌉니다. 이러한 것들로 인해 열을 흡수하는 프로세서 소켓을 만들 수 없습니다.

보드의 바닥에 냉각 블록을 놓을 수 있지만 PCB 재료 (FR4)는 냉각을 크게 줄입니다.

냉각되지 않습니다 중요 그건, 중요합니다 . 최신 CPU는 몇 cm²의 다이에서 15W에서 200W 사이의 것을 쉽게 꺼낼 수 있습니다. 그 열을 멀리 옮기지 않으면 칩이 작동을 멈추거나 속도를 늦추거나 태워야합니다.

그 방법으로 : 거기에서 열을 어디에 두십니까? 마더 보드의 냉각 표면은 CPU 쿨러 본체의 표면에 비해 매우 제한적입니다. 구리 층의 열 전달 능력은 그 자체로는 나쁘지 않지만 거대한 구리 및 알루미늄 블록 (및 종종 대류 열 배관)과 비교할 때 무시할 만합니다.

그렇다면 : 마더 보드 자체는 종종 CPU 주변에서 가장 시원하지 않습니다. CPU의 전체 전원 공급 장치 체인이 있습니다. 효율성은 뛰어나지 만 수십 암페어의 부하와 빠르게 변화하는 부하 시나리오로 인해 이러한 변환기가 뜨거워지는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

맞춤형 고성능 컴퓨팅 및 군용 빌드에서는 CPU의 일부에 액세스 할 수있는 특수 CPU 패키지를 찾을 수 있지만 소켓 메인 스트림 CPU에서는 기계적 또는 열적으로 유리하지 않을 수 있습니다.

이것은 모든 CPU에 적용되는 것은 아닙니다 . 임베디드 부문으로 들어가면, 중앙에 방열판이있는 더 작은 CPU를 찾을 수 있습니다. 더 큰 CPU에는 적합하지 않습니다.

필자는 인텔과 AMD가 이러한 패시브를 CPU의 맨 아래에 두지 않을 것이라고 확신한다. 실제로, 그 그림을보십시오. 여러분이보고있는 녹색 보드는 다이가 아니며, 보드가 연결된 PCB 캐리어입니다. 이는 CPU 칩 스케일 패키지 볼이있는 마더 보드를 직접 납땜하지 않고 상호 교환 가능한 CPU를 저렴하게 대량 생산할 수있는 기술적 인 가격이며, 이론적으로는 열 때문에 그 CPU 에서 열 확산 금속 평면이 그 위에 압력에 맞아야하기 때문에 CPU가 너무 커서 , 어떤 종류의 기판에 다이를 두는 것만으로 기계적으로 효과적으로 할 수 있습니다.

아직 제공되지 않은 응답은 빌드 방식 때문입니다. 컴퓨터와 랩톱에 사용되는 CPU는 (적어도 내 지식으로는) 풀 플립 칩이 아닙니다. 마더 보드에 사용되는 간단한 PCB 프로세스에서 플립 칩을 쉽게 만들 수없는 연결이 너무 많습니다. RF / 밀리미터 파 애플리케이션에 필요한 프로세스 또는 실제로 몇 평방 밀리미터에서 1000 개 이상의 핀을 팬 아웃 할 수있는 밀도를 허용하는 프로세스와 비교할 때 여기서는 단순함을 의미합니다.

이러한 이유로 CPU 다이는 항상 인터 포저에 플립 핑됩니다. 이것은 종종 세라믹이며 많은 층으로 구성됩니다. 다음은 Wikipedia의 예입니다. 이 패키지에서 5 개의 개별 다이를 볼 수 있으며 가장자리 주변에 많은 양의 작은 패시브가 있습니다 (실제로는 다른 다이를 상호 연결하기위한 실리콘 인터 포저가있는 훨씬 더 복잡한 스택 업입니다. 그런 다음 세라믹 인터 포저 위에 놓습니다.

이것이 왜 중요한가? CPU의 핀을 통해 열을 효율적으로 전달할 수 있어야합니다. 그러나이 인터 포저로 인해 그렇지 않습니다. 이것은 큰 금속 비트가 실제로 실리콘에 연결된 큰 전력 장치와는 다릅니다. 사이에 많은 것들이 있습니다.

결과적으로 다이에서 핀으로의 열전도율은 여전히 ​​낮습니다. 따라서 핀에서 모든 열을 제거하는 매우 멋진 방법을 찾더라도 여전히 개선이 이루어지지 않을 것입니다. 실리콘의 상부와 직접 접촉하는 금속 열-스프레더에 비해 크기가 더 큰 열 저항을 갖는다.

"하단 방열판"패드 인 전화 또는 내장 장치에 사용 된 CPU를 사용하면 상황이 다릅니다. 여기서는 플립 칩 방식을 사용하지 않습니다. BGA의 중앙에는 다이가 열적으로 부착되는 금속 위치가 있습니다 (일반적으로 접지 됨). 그런 다음 본드 와이어를 사용하여 모든 핀을 연결하고 중간에 금속과 함께 인터 포저 형태를 사용합니다 (또는 중심 금속은 열전도율이 낮은 비아입니다). 즉, 중앙 냉각 패드와 BGA 핀 사이에 재료가 훨씬 적어 훨씬 효율적인 열 전달이 가능합니다.

이 열 중 일부는 위쪽으로 전파되지만 일부는 PCB쪽으로 아래쪽으로 가야합니다. 나는 비율을 모른다.

사실, 열은 모든 방향으로 전파됩니다. 불행하게도, 전파 속도 (열 저항으로도 알려져 있음)는 매우 다르다.

CPU는 어떻게 든 주변 장치 / 메모리에 연결되어야하므로이를 위해 1000-2000 개의 핀이 있습니다. 따라서 인쇄 회로 기판 기술을 통해 전기 경로 (팬 아웃)를 제공해야합니다. 불행히도 많은 구리 와이어 / 층이 함침되어 있어도 전체 PCB는 열을 잘 전달하지 못합니다. 그러나 이것은 불가피합니다. 연결이 필요합니다.

초기 CPU (i386-i486)는 대부분 PCB 경로를 통해 냉각되었으며 90 년대 초 PC CPU에는 열 싱크가 없었습니다. 전통적인 와이어 본드 마운팅 (하단의 실리콘 칩, 상단 패드에서 리드 프레임까지의 와이어로 연결된 패드)을 사용하는 많은 칩은 하단에 열 슬러그가있을 수 있습니다. 이는 열 저항이 가장 적은 경로이기 때문입니다.

플립 칩 패키징 기술이 발명되었으므로 다이는 패키지 상단에 거꾸로 놓였으며 모든 전기 연결은 하단의 전기 전도성 범프를 통해 이루어졌습니다. 따라서 저항이 가장 적은 경로는 이제 프로세서 상단을 통과합니다. 그곳에서 모든 작은 트릭을 사용하여 비교적 작은 다이 (1 sq.sm)에서 더 큰 방열판으로 열을 확산시키는 등이 있습니다.

다행히 CPU 설계 팀에는 CPU 다이 및 전체 패키징의 열 모델링을 수행하는 상당한 규모의 엔지니어링 부서가 포함됩니다. 초기 데이터는 디지털 디자인에서 나온 것이며 값 비싼 3D 솔버는 열 분포 및 플럭스에 대한 전반적인 그림을 제공합니다. 모델링에는 CPU 소켓 / 핀 및 메인 보드의 열 모델이 포함됩니다. 그들이 제공하는 솔루션으로 고객을 신뢰하고 비즈니스를 알고 싶습니다. 분명히 PCB 바닥에서 약간의 추가 냉각은 추가 노력의 가치가 없습니다.

추가 : 다음은 LGA2011 Intel 열 모델에 대한 아이디어를 제공 할 수있는 FBGA 칩 의 일괄 모델 입니다.

열 비아와 구리 함량이 25 % 인 다층 PCB는 열 성능이 다소 우수 할 수 있지만 현대 / 실제 LGA2011 시스템에는 소켓이라는 중요한 요소가 있습니다. 소켓에는 각 패드 아래에 바늘 형 스프링 접점이 있습니다. 소켓을 가로 지르는 금속 벌크의 총 벌크가 CPU 상단의 벌크 구리 슬러그보다 상당히 작다는 것은 분명합니다. 나는 그것이 슬러그 영역의 1/100을 넘지 않는다고 말할 것입니다. 따라서 LGA2011 소켓의 열 저항은 상단 방향의 100X 이상이거나 열의 1 % 이하로 떨어질 수 있음이 분명해야합니다. 이런 이유로 인텔 열 가이드 는 하단 열 경로를 완전히 무시합니다.

항공 전자 공학 에서 PCB를 통한 모든 가능한 경로에 대해 냉각이 평가됩니다 .

랩탑 / 데스크탑의 주류 마이크로 프로세서는 일반적으로 전도 (방열판)와 대류 (일반적으로 강제 공기) 냉각의 혼합을 사용합니다. 이 두 가지의 혼합물이 대부분의 열을 이동 시키므로 PCB를 통한 냉각 메커니즘은 무시되지만 여전히 존재합니다.

장비가 가압되지 않은 항공 전자 장치 베이에있는 경우 대류 냉각 은 의미를 잃게됩니다 (공기 밀도가 매우 낮기 때문에 높은 고도에 분자가 부족하여 열을 확산시킬 수 없음). 이러한 이유로 전도 냉각 은이 시나리오에서 유일하게 효과적인 냉각 방법이기 때문에 매우 널리 사용됩니다.

이를 유효하게하기 위해 PCB 내에서 방열판으로 수많은 평면이 사용됩니다.

방열판 을 사용하는 경우 (바람직한 해결책은 아니지만 때로는 피할 수없는), 경로는 여전히 열 사다리를 통해 냉벽으로 냉각됩니다.

강제 공기가 때때로 사용되지만 냉각 판에 부착 된 가압 챔버 내에서 사용됩니다.

따라서이 시나리오에서는 모든 경로를 통한 냉각이 활용됩니다. FR-4는 양면에서의 전도, 특히 열 전도성은 아니지만 구리 평면이다.

나는이 질문 에 대한 답변에서 다소 자세한 열 토론에 들어갔다 .

실제 대답은 기본 공학입니다. 독립적으로 최적화 할 수있는 서브 시스템으로 시스템을 분리 할 수 ​​있으면 시스템을 훨씬 쉽게 최적화 할 수 있습니다.

연결성을 위해 한쪽과 열 제거를 위해 다른 쪽을 최적화합니다. 두 문제에 대해 최대 2 : 1의 페널티를 부과하면서 문제를 단순화했습니다. 분명히 연결보다 열이 많거나 열보다 더 많은 연결이있는 경우이 선택을 다시 방문해야하지만 분명히 그렇지 않습니다.

이것은 밑면에서 열을 제거하거나 상단에 연결을 할 수 없다는 것을 의미하지는 않지만 어떤 비용이 듭니까? 그러면 어떤 다른 타협을해야합니까?

액체 냉각 식 CPU 모듈은 컴백을하는 동안 30 년 전에는 일반적이었습니다. 메인 프레임에 완전히 액체가 담긴 CPU "봉투"가있어 밀폐 된 IC의 모든면에서 열을 제거했습니다. 이는 연결 설계, 디버깅, 재 작업 및 사용 가능한 액체 유형에 대한 단점을 분명히 제시합니다. 이것들은 서브 시스템에 대한 추가적인 제약 사항입니다. 그러한 선택이 이루어 졌다는 사실은 열 제거가 주요 제약 사항임을 나타냅니다.

현대의 수냉식 슈퍼 컴퓨터는 웨이퍼 위에 최적화 된 수성 마이크로 도관을 가지고 있습니다. 모든 연결부가 밑면에있는 동안. 각 서브 시스템은 다른 서브 시스템과 독립적이므로 전체 설계를 크게 최적화합니다.

연결부 반대쪽이 차지하는 응용 분야 (예 : LED, 레이저, 광 링크, RF 포트 등)에서 밑면이 주요 열 제거 경로입니다. 열전도율이 높은 특수 기판이 일반적으로 사용됩니다.