CPUが上からだけでなく下からも冷却されないのはなぜですか？

集積回路のトランジスタビットは、（プラスチックまたはセラミック）パッケージのほぼ中央にあります。それらは時々熱くなりますが、ヒートシンクを片側に貼り付けることで冷却します。時々私たちはファンでそれらに空気を吹きつけます。この熱の一部は上方に伝播しますが、一部はPCBに向かって下方に移動する必要があります。比率はわかりません。以下は、91Wの熱を放散するIntel Core i7-7700K CPUの裏面です。

多くの接続パッドがあります。明らかに、それらはかなりの割合の熱をソケット/ PCBに伝達する多くのマイクロヒートシンクとして機能します。実際、多くの表面実装部品は、銅層を介して（ステッチで）熱を放散します。

冷却が重要な場合（CPUオーバークロックコミュニティに関して）、PCBの下から、たとえばファンでCPUも冷却されないのはなぜですか？

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以下のコメントは全体的に否定的ですが、2つの新しい項目があります。1つは、オーバークロックに長いスレッドがあり、バックプレートのファンを使用してCPU温度からかなりの程度の温度を取り除くことができることを示唆しています。そして2つ、私はそれを試してみました（確かにRaspberry Piのみで）。Broadcom CPUを隔離するために上面を布で覆い、60mmのファンでのみ下面を冷却しました。ファンにより、CPUの最大温度が82度から低下しました。49まで。悪くないので、このアイデアには足があると思います...

下部にピンがあり、その下にFR4があるため、下から冷却されません。

熱伝導率がはるかに低いため、 CPUの底部上の材料は、はるかに少ない熱を輸送することになります。

$$\begin{array}{rrl} \text{Copper:} & 385\phantom{.25} & \frac{\mathrm{W}}{\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{K}} \\ \text{Aluminum:} & 205\phantom{.25} & \frac{\mathrm{W}}{\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{K}} \\ \text{FR4:} & 0.25 & \frac{\mathrm{W}}{\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{K}} \\ \end{array}$$

おそらく、インピーダンスを大幅に変化させる金属で信号を囲みたくないので、底面の金属がより問題になります。金属でソケットを構築した場合、マイクロマシンで加工する必要があります。これは、プラスチックの射出成形ソケットよりも何倍も高価です。これらのことにより、熱を逃がすプロセッサソケットを構築できなくなります。

ボードの下部に冷却ブロックを配置することもできますが、PCB素材（FR4）は冷却を大幅に削減します。

冷却は重要ではありません、それは重要です。最新のCPUは、数cm²のダイから15 W〜200 Wの範囲で簡単に出力できます。その熱を運び去らない場合、そのチップは動作を停止するか、速度を落とすか、単に燃やさなければなりません。

それで方法：あなたはそこからあなたの熱をどこに置きますか？マザーボードの冷却面は、CPUクーラーの本体の表面に比べて非常に限られています。銅層の熱輸送能力自体は悪くはありませんが、銅とアルミニウムの大規模なブロック（そして、しばしば対流熱配管）と比較すると、無視できます。

次に：マザーボード自体は、特にCPUの周りでは、しばしば最もクールな場所ではありません。そこには、CPUの電源チェーン全体が配置されています。これは優れた効率を備えていますが、数十アンペアの負荷と急速に変化する負荷シナリオにより、これらのコンバーターも熱くなるのも不思議ではありません。

カスタムハイパフォーマンスコンピューティングとミリタリービルドには、CPUの一部への内部アクセスを提供する特殊なCPUパッケージがありますが、ソケット付きのメインストリームCPUでは、機械的または熱的に過度に有利ではないことは確かです。

これはすべての CPUに適用されるわけではないことに注意してください。組み込みセクターに入ると、多くの場合、中央にヒートシンクパッドを備えた小型のCPUが見つかります。大規模なCPUには適していません。

IntelとAMDは、CPUの底にこれらの受動素子を置かないで済むと確信しています。実際、その写真を見てください。見ている緑のボードはダイではなく、ボードが接続されているPCBキャリアです。それは、マザーボードにCPUチップスケールパッケージボールを直接はんだ付けするのではなく、交換可能なCPUを安価に大量生産できるために支払う技術的な価格です。そのCPUからわずかであるので、多くの熱拡散金属面がその上に圧力フィットなければならないこと、あなたが効果的にだけその基板のいくつかの並べ替えのダイを持つことによって機械的に行うことができます。

まだ与えられていない応答は、それらが構築される方法のためです。コンピューターとラップトップで使用されるCPUは（少なくとも私の知る限り）完全なフリップチップではありません。接続が多すぎるため、マザーボードで使用される単純なPCBプロセスでフリップチップを簡単に実行できません。ここでは、RF /ミリ波アプリケーションに必要なプロセスや、数平方ミリメートルで実際に1000以上のピンをファンアウトできる密度を可能にするプロセスと比較して、簡単なことを意味します。

このため、CPUダイは常にインターポーザーにフリップチップされます。これは多くの場合セラミックで、多くの層で構成されています。ウィキペディアの例を次に示します。このパッケージには5つの個別のダイがあり、エッジの周りに大量の小さな受動部品があります（これは、実際にはさらに複雑なスタックアップであり、異なるダイを相互接続するシリコンインターポーザーであり、それはセラミックインターポーザーの上に置かれます）。

なぜこれがすべて重要なのですか？CPUのピンを介して熱を効率的に伝達できる必要があることをお勧めします。ただし、このインターポーザーのため、これは当てはまりません。これは、大きな金属ビットが実際にシリコンに接続されている大きな電力デバイスのようなものではありません-間に多くのものがあります。

その結果、ダイからピンへの熱伝導率はまだ低いため、これらのピンからすべての熱を逃がすための非常に気の利いた方法を見つけたとしても、まだ対処しているので、ほとんど改善は見られません。シリコンの上部に直接接触している金属製の熱拡散器と比較して、桁違いに大きな熱抵抗があります。

「ボトムヒートシンク」パッドである電話または組み込みデバイスで使用されるCPUを使用する場合、状況は異なります。ここでは、フリップチップアプローチを使用していません。BGAの中央には、ダイが熱的に取り付けられる金属の場所があります（これは通常、接地されています）。次に、ボンドワイヤを使用してすべてのピンを接続しますが、中間の金属を使用したインターポーザーの形式を使用します（または、中央の金属は、熱伝導率を低くするためにまっすぐなビアの束です）。これは、中央の冷却パッドとBGAピンの間に材料がはるかに少ないことを意味し、はるかに効率的な熱伝達を可能にします。

この熱の一部は上方に伝播しますが、一部はPCBに向かって下方に移動する必要があります。比率はわかりません。

それは本当です、熱はすべての方向に伝播します。残念ながら、伝播速度（熱抵抗としても知られる）は非常に異なります。

CPUはどういうわけか周辺機器/メモリに接続する必要があるため、そのためには1000〜2000ピンが必要です。そのため、プリント回路技術を介して行われる電気経路（ファンアウト）を提供する必要があります。残念ながら、銅線/層の束を含浸させたとしても、PCB全体はあまり熱を伝導しません。しかし、これは避けられません-接続が必要です。

初期のCPU（i386-i486）は、主にPCBパスを介して冷却されました。90代前半には、PC CPUの上部にヒートシンクがありませんでした。従来のワイヤボンド実装の多くのチップ（下部のシリコンチップ、上部パッドからリードフレームへのワイヤで接続されたパッド）は、これが最小の熱抵抗の経路であるため、下部に熱スラグがある場合があります。

その後、フリップチップパッケージング技術が発明されたため、ダイはパッケージの上部に上下逆さまに配置され、すべての電気接続は下部の導電性バンプを介して行われます。そのため、最も抵抗の少ないパスは、プロセッサのトップを通過しています。比較的小さなダイ（1 sq.sm）からより大きなヒートシンクなどに熱を拡散するために、すべての余分なトリックが使用されます。

幸いなことに、CPU設計チームには、CPUダイとパッケージ全体の熱モデリングを行う大規模なエンジニアリング部門が含まれています。初期データはデジタル設計から得られたもので、高価な3-Dソルバーは熱分布とフラックスの全体像を示します。モデリングには、CPUソケット/ピンとメインボードの熱モデルが含まれます。彼らが提供するソリューションで彼らを信頼することをお勧めします、彼らは彼らのビジネスを知っています。どうやらPCBの下部からの余分な冷却は、余分な努力の価値はないようです。

追加：ここに、FBGAチップの一括モデルがあります。これは、たとえばLGA2011 Intel熱モデルにアイデアを与えることができます。

サーマルビアと25％の銅含有量を備えた多層PCBの熱性能はいくらか優れている場合がありますが、最新/実用的なLGA2011システムには1つの重要な要素、ソケットがあります。ソケットには、各パッドの下に針型のスプリングコンタクトがあります。ソケット全体の金属接点の総バルクは、CPU上部のバルク銅スラッグよりもかなり小さいことは明らかです。私はそれがナメクジの面積の1/100以下であり、おそらくずっと少ないと言うでしょう。そのため、LGA2011ソケットの熱抵抗は少なくとも上部方向の100倍であること、または1％未満の熱しか下がらないことは明らかでなければなりません。この理由から、Intelのサーマルガイドは下部の熱経路を完全に無視していると思われますが、言及されていません。

航空電子工学では、PCBを含むすべての可能な経路について冷却が評価されます。

ラップトップ/デスクトップの主流のマイクロプロセッサは、一般に伝導（ヒートシンク）と対流（通常は強制空気）冷却の混合を使用します。これら2つの混合物が熱の大部分を除去するため、PCBを介した冷却メカニズムは無視される場合がありますが、依然として存在しています。

機器が非加圧のアビオニクスベイにある場合、対流冷却は意味を失います（空気密度が非常に低いため、高高度で熱を拡散するのに不十分な分子があることを意味します）。そのため、伝導冷却はこのシナリオで唯一有効な冷却方法で非常に広く使用されています。

これを効果的にするために、PCB内でヒートスプレッダーとして多数のプレーンが使用されています。

ヒートシンクのある場所使用される場合（推奨される解決策ではありませんが、避けられない場合もあります）、経路は依然として、熱はしごを介してコールドウォールに伝導冷却されます（これは相対的な用語です-コールドウォールは70°C以上になる場合があります）。

強制空気を使用することもありますが、コールドプレートに取り付けられた加圧チャンバー内です。

したがって、このシナリオでは、すべてのパスを介した冷却が利用されます。両側からの伝導では、FR-4は特に熱伝導性ではないかもしれませんが、銅プレーンは伝導性です。

この質問への回答で幾分詳細な熱の議論に入りました。

実際の答えは基本的なエンジニアリングです。システムを独立して最適化できるサブシステムに分離できる場合、システムを最適化するのははるかに簡単です。

一方の側を接続性に最適化し、もう一方の側を熱除去に最適化します。問題を単純化しましたが、どちらの問題に対してもせいぜい2：1のペナルティを課しています。明らかに、接続よりもはるかに多くの熱、または熱よりも多くの接続があった場合、この選択を再検討する必要がありますが、明らかにそうではありません。

これは、下側から熱を除去したり、接続を上に置いたりすることが不可能であることを意味するものではありませんが、どのような費用がかかりますか？その場合、他にどのような妥協が必要ですか？

水冷式CPUモジュールは、カムバックしつつありますが、30年前にはかなり一般的でした。メインフレームにCPUの「エンベロープ」があり、それが完全に液体に浸されていたため、密閉されたICのすべての側面から熱が除去された。これは明らかに、接続の設計、デバッグ、手直し、および使用できる液体の種類の欠点を示しています。これらは、どちらのサブシステムにも多くの追加の制約です。そのような選択が行われたという事実は、熱の除去が主要な制約であることを示しています。

最新の水冷スーパーコンピューターは、ウエハー上に高度に最適化された水マイクロ導管を備えています。すべての接続は下側にありますが。各サブシステムは互いに独立しており、設計全体を大幅に最適化します。

接続の反対側が他の方法で占有されているアプリケーション、たとえばLED、レーザー、光リンク、RFポートなどでは、下側が主要な熱除去経路です。また、熱伝導率の高い特殊な基板が一般的に使用されています。