【Live配信セミナー 12/22】先端半導体パッケージの発熱問題と放熱・冷却技術

＜セミナー　No.612405＞

先端半導体パッケージの発熱問題と

放熱・冷却技術

★2.5D、3D、チップレット、BSPDN、パッケージ構造の変化に向けた新しい放熱技術！

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■講師

１．東京大学　大学院工学研究科附属　システムデザイン研究センター　主幹研究員　高木 剛 氏

２．古河電気工業(株)　情報コンポーネント領域　AT・機能樹脂製品事業部門　主査　徳久 憲司 氏

３．東京大学　生産技術研究所　教授　野村 政宏 氏

４．名古屋大学　大学院工学研究科　教授　長野 方星 氏

■聴講料

１名につき６６，０００円（消費税込・資料付き）　

１社２名以上同時申込の場合１名につき６０，５００円（税込）

大学、公的機関、医療機関の方には割引制度があります。詳しくはお問い合わせください。

■Live配信セミナーの受講について
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＜１０：００～１１：３０＞

１．先端パッケージの最新動向と放熱・冷却技術

東京大学　高木 剛 氏

【講座概要】

・AI・HPCの高性能化を支える2.5D／3Dパッケージの最新技術動向

・STCO、Backside、Chiplet、HBMなど次世代半導体技術の位置づけ

・先端パッケージにおけるInterconnect、Memory Bandwidth、Power Delivery、Thermalなどの主要技術課題

・Hybrid Bondingの原理、メリットおよびCIS、NAND、Logic、DRAMへの展開

・2.5Dから3Dへの移行によって顕在化する熱抵抗・ホットスポットの問題

・システム、パッケージ、チップの各階層における放熱・冷却技術の考え方

・Direct-to-Silicon、Direct-to-Chip、マイクロチャネル、二相冷却など最新の液冷技術

・3D GPU-HBMなど次世代3D集積デバイスにおける熱設計の考え方

・高熱伝導AlNを用いたTSV、BSPDN、BEOL、3D Chipletの新しい放熱技術とその効果

【講座概要】

生成AIやHPCの急速な高性能化に伴い、半導体デバイスでは演算性能だけでなく、メモリ帯域、データ転送エネルギー、電力供給および放熱がシステム性能を左右する重要な課題となっています。このため、従来の微細化に加えて、Chiplet、HBM、2.5D／3D集積、Hybrid Bonding、Backside技術などを組み合わせた先端パッケージ技術の開発が急速に進んでいます。

一方、デバイスの高密度化・3D化に伴って発熱密度は増大し、積層されたSi、BEOL、接合層などが新たな熱抵抗となるため、従来のパッケージ外部からの冷却だけでは十分な放熱が困難になりつつあります。そのため、システムレベルの液冷技術から、TIMなどのパッケージ材料、さらにBEOLやTSV、デバイス内部に熱伝導経路を形成するチップレベルの放熱技術までを一体として考えることが重要になっています。

本講座では、AI・HPC向けの2.5D／3Dパッケージ、HBM、Hybrid Bondingなどの最新技術動向を概説するとともに、先端パッケージにおける熱問題を整理します。さらに、Direct Liquid Cooling、マイクロチャネル、二相冷却などの最新冷却技術を紹介し、3D集積に向けた新しい熱設計および高熱伝導AlNを用いた3D Chiplet放熱技術について、シミュレーションおよび試作・評価例を交えて解説します。

１．先端半導体のロードマップ

　1.1 微細化からSTCO・3D集積へのロードマップ

　1.2 Backside技術と先端パッケージの進化

２．AI・HPCを支える2.5D／3Dパッケージ

　2.1 GPU・HBMを用いた2.5Dパッケージ

　2.2 2.5Dから3D GPU-HBMへの展開

　2.3 容量増大とパッケージ大型化

３．先端パッケージの主要技術課題

　3.1 5つの主要技術課題

　3.2 メモリ帯域、Power Delivery、Co-Packaged Optics

　3.3 Interconnect Density（Hybrid Bonding）

４．先端パッケージの放熱・冷却技術

　4.1 システム／パッケージ／チップレベルの放熱技術

　4.2 Hybrid Bondingによる低熱抵抗化

５．Direct Liquid Coolingの最新動向

　5.1 SiマイクロチャネルCooling

　5.2 Two-Phase Cooling

６．3D集積に向けた新しい放熱技術

　6.1 3D集積における放熱課題、チップレベルの放熱技術

　6.2 デバイスアーキテクチャによる放熱改善

　6.3 高熱伝導 AlN を用いた放熱改善

　　6.3.1 HBM TSV絶縁膜、BSPDN、チップレットモールド

　　6.3.2 3D GPU-HBMへの適用

　　6.3.3 Cu/AlN構造の試作とTEGによる放熱実証

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＜１２：１０～１３：４０＞

２．熱伝導性樹脂フィルム基板材料の開発と放熱性能の評価

古河電気工業(株)　徳久 憲司 氏

【本講座で学べること】

・樹脂の放熱設計

・樹脂-フィラーコンポジットとしての放熱設計

・基板材としての重要項目

・内蔵基板のプロセス

・基板放熱結果とサーマルビアの効果

【講座概要】

樹脂の放熱設計と樹脂-フィラーコンポジットとしての放熱設計の思想をお話します。それを用いた実基板への実装と実際の基板での放熱特性の結果を報告します。その結果から基板の放熱構造に関わる検証結果とモジュール全体の放熱構造に関する1つの提案を行います。昨今のAIトレンドによる放熱課題などの一助となればと思います。

１．放熱樹脂設計

　1.1 樹脂の高熱伝導化

　1.2 放熱フィラー選定

　1.3 樹脂-フィラーコンポジットの作製

２．熱伝導性樹脂フィルムの基板への転用

　2.1 基板材への技術開発

　2.2 基板材としてのスペック

３．基板作製

　3.1 実基板作製プロセス

　3.2 実基板の信頼性

　3.3 内蔵基板プロセス

　3.4 内蔵基板の仕上がり評価

４．実基板での放熱評価

　4.1 表面実装基板での放熱評価

　4.2 部品内蔵基板での放熱評価

　4.3 熱回路モデルを用いた放熱性検証

５．まとめ

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＜１３：５０～１５：２０＞

３．マイクロ流路を用いた半導体チップの水冷技術

東京大学　野村 政宏 氏

【本講座で学べること】

・先端半導体デバイスにおいて、なぜ熱マネジメントが重要なのか

・固体放熱技術を超える水冷技術の最先端研究の紹介

・単相および二相冷却の基礎

・半導体チップ水冷技術が抱える課題

・最近の半導体水冷技術のトレンドの変化と将来予測

【講座概要】

先端半導体デバイスは、高速化、低消費電力化を可能にする3次元化に向けた開発が進められている。3DIC化に伴い、もともと発熱密度の高い先端半導体デバイスは、より深刻な放熱問題を抱えるため、より高度な放熱技術が求められる。データセンターにおける応用を念頭に、空冷方式より強力な、水や絶縁性の冷媒を用いた液体冷却技術の開発と提供が進んでいる。より強力な二相式ダイレクトチップ冷却技術も技術的な進展が著しい。

本講座では、これらの先端半導体デバイス冷却技術を簡単に紹介した後、次世代の半導体チップ冷却技術として注目されているチップ内部にまで水を送り込んで抜熱するDLC技術を紹介する。シリコンチップにマイクロ流路を形成し、マニフォールド構造およびマイクロピラー構造を用いた三次元構造により、AIチップ用の単相冷却技術およびパワーデバイス用の二相冷却を用いた研究について紹介し、その性能と挙動、課題について述べる。

１．先端半導体デバイスにおける熱マネジメントの重要性

２．最新の水冷却技術の紹介

３．三次元マイクロ流路を用いた半導体チップの二相冷却

　3.1 単相と二相冷却の違い

　3.2 マイクロ流路の構造と毛管力を用いた冷却

　3.3 沸騰冷却と表面状態

　3.4 水冷時の挙動と課題

　3.5 二相冷却による冷却性能

　3.6 逆流防止構造

　3.7 フッ素系冷媒と水の比較

４．まとめと展望

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＜１５：３０～１７：００＞

４．先端半導体の熱マネジメントに向けたμループヒートパイプと熱物性計測技術

名古屋大学　長野 方星 氏

【本講座で学べること】

・先端半導体パッケージにおける熱マネジメントの課題と冷却技術の動向

・ループヒートパイプの動作原理、特徴および熱輸送性能

・3D IC冷却を目指したシリコン製モノリシックμループヒートパイプの研究開発と技術的課題

・ロックインサーモグラフィを用いた熱物性分布計測の原理と特徴

・熱拡散率、熱伝導率、比熱および界面熱抵抗の計測技術と半導体材料・放熱材料への応用

【講座概要】

本講座では、先端半導体の熱マネジメントに向けた二つの研究開発について紹介する。前半では、ループヒートパイプの動作原理とこれまでの研究開発を概説するとともに、3D ICの冷却を目指したシリコン製モノリシックμループヒートパイプの開発状況と技術的課題について解説する。後半では、ロックインサーモグラフィを用いた周期加熱法による熱物性分布計測技術を取り上げ、熱拡散率、熱伝導率、比熱および界面熱抵抗の計測原理と、半導体熱マネジメントへの応用可能性について紹介する。

１．研究背景

　・先端半導体パッケージの熱マネジメントと冷却技術

　・半導体の高度化に伴う熱マネジメントの技術課題

２．μループヒートパイプの研究開発

　・ループヒートパイプの動作原理と特徴

　・ループヒートパイプに関するこれまでの研究開発

　・3D IC冷却を目指したシリコン製モノリシックμループヒートパイプの開発

３．先端熱物性分布計測技術

　・ロックインサーモグラフィを用いた周期加熱法の原理

　・熱拡散率分布の計測

　・熱伝導率・比熱分布の計測

　・界面熱抵抗分布の計測

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