Parte desse calor se propaga para cima, mas alguns também devem descer para o PCB. Eu não sei a razão.
Isso é verdade, o calor se propaga em todas as direções. Infelizmente, a taxa de propagação (também conhecida por ser caracterizada como resistência térmica) é muito diferente.
Uma CPU deve estar conectada com periféricos / memória de alguma forma, para ter de 1000 a 2000 pinos para esse fim. Portanto, o caminho elétrico (fanout) deve ser fornecido, o que é feito através da tecnologia da placa de circuito impresso. Infelizmente, mesmo se impregnado com vários fios / camadas de cobre, a coisa toda da PCB não conduz calor muito bem. Mas isso é inevitável - você precisa de conexões.
As primeiras CPUs (i386-i486) foram resfriadas principalmente pelo caminho da PCB; no início dos anos 90, as CPUs do PC não tinham dissipador de calor no topo. Muitos chips com montagem tradicional de ligação por fio (chip de silicone na parte inferior, almofadas conectadas com fios das almofadas superiores à estrutura de chumbo) podem ter uma lesma térmica na parte inferior, porque esse é o caminho de menor resistência térmica.
Em seguida, a tecnologia de embalagem flip-chip foi inventada, para que a matriz fique na parte superior da embalagem, de cabeça para baixo, e toda a conexão elétrica seja feita através de solavancos eletricamente condutores na parte inferior. Portanto, o caminho de menor resistência agora está passando pelo topo dos processadores. É aí que todos os truques extras são usados, para espalhar o calor de uma matriz relativamente pequena (1 m²) para um dissipador de calor maior, etc.
Felizmente, as equipes de design da CPU incluem departamentos de engenharia consideráveis que realizam modelagem térmica da matriz da CPU e de todo o pacote. Os dados iniciais vieram do design digital e, em seguida, os solucionadores 3D caros fornecem uma visão geral da distribuição e fluxos de calor. A modelagem obviamente inclui modelos térmicos de soquetes / pinos da CPU e placas-mãe. Eu sugeriria confiar neles com as soluções que eles fornecem, eles conhecem seus negócios. Aparentemente, um pouco de resfriamento extra na parte inferior do PCB simplesmente não vale a pena um esforço extra.
ADIÇÃO: Aqui está um modelo fixo de um chip FBGA, que pode dar uma idéia, por exemplo, do modelo térmico LGA2011 Intel.
Enquanto o PCB de várias camadas com vias térmicas e 25% de cobre pode ter um bom desempenho térmico, o sistema LGA2011 moderno / prático possui um elemento importante, um soquete. O soquete possui contatos de mola do tipo agulha sob cada bloco. É bastante óbvio que o volume total de contato de metal no soquete é bem menor que o volume de cobre na parte superior da CPU. Eu diria que não passa de 1/100 da área de lesmas, provavelmente muito menos. Portanto, deve ser óbvio que a resistência térmica do soquete LGA2011 é pelo menos 100X da direção superior, ou não mais de 1% do calor pode diminuir. Acho que, por esse motivo, os guias térmicos da Intel ignoram totalmente o caminho térmico inferior, não é mencionado.