先端半導体パッケージの放熱・冷却技術と熱マネジメント

第1部 先端半導体パッケージの熱問題と放熱、冷却技術の開発動向

(2026年3月5日 10:30〜12:00)

　生成AIが一般的に使用されるようになり、AIデータセンターにおける計算処理量は毎年桁を超える勢いで伸びている。その帰結として、学習や推論のために大量の電力消費が発生し、それをどのようにハンドリングするかの熱マネジメントが大きな課題として認識されるようになってきた。計算量の増大が半導体の消費電力、ひいては膨大な熱発生につながっており、それに対応するための様々な方策が検討され、実用化されつつある。 　本講座ではこのような先端半導体パッケージの放熱・冷却技術を俯瞰し、その最新技術トレンドについて解説する。

1. はじめに – 半導体パッケージの放熱の重要性 -
   1. AIがドライブする半導体市場
   2. 半導体消費電力の変遷
   3. 半導体パッケージの熱抵抗および熱特性パラメータの定義
2. デバイス構造、パッケージ構造の変化と放熱技術
   1. 2nm以降の半導体デバイス構造の変化と放熱課題
   2. 三次元集積化のトレンドと放熱課題
   3. パッケージ構造による放熱特性改善
   4. 材料的アプローチによる放熱特性改善
3. パッケージ熱設計とシミュレーション技術
   1. 熱シミュレーション技術概要
   2. システムレベル〜チップレベルのマルチスケール解析
   3. ネットワークモデルによる大規模・高速熱解析
   4. 電気・熱・構造の統合設計技術
4. 最先端半導体に要求される冷却技術概要
   1. スーパーコンピューター富岳に使われる冷却技術
   2. シリコンチップを直接冷却するオンチップ冷却技術
   3. システム全体を冷却液に浸す液浸冷却技術
   4. チップの内部に冷却液を入れて放熱するマイクロ流体冷却技術
• 質疑応答

第2部 半導体チップの水冷技術:三次元マイクロ流路を用いた二相冷却術

(2026年3月5日 13:00〜14:30)

　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三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商用化が実現するなど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、二相冷却を用いた研究について詳しく述べ、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. 半導体デバイスにおける放熱技術の紹介
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
   1. 液相-気相の二相冷却
   2. シリコンチップ内のマイクロ流路の構造と冷却の仕組み
   3. 水冷時の挙動と課題
   4. 二相冷却による冷却性能
   5. 他の半導体チップの水冷技術に関する研究
4. まとめと展望
• 質疑応答

第3部 フリップチップ・パッケージの放熱技術と両面放熱構造の開発

(2026年3月5日 14:45〜15:30)

　三次元積層パッケージにおける放熱の課題への対応策として、有機基板側からの放熱技術の研究を進めています。その2つの具体例 (有機基板内蔵パワー・インサート、有機基板表層に埋め込んだグラファイトシート) の検討状況をご紹介いたします。

1. 三次元積層パッケージにおける放熱の課題
2. 私どもの研究紹介 : 有機基板側からの放熱 (両面放熱技術)
   1. 有機基板内蔵パワー・インサート
      • 構造
      • 熱シミュレーション
      • 電源特性シミュレーション
      • 熱応力シミュレーション
   2. 有機基板表層に埋め込んだグラファイトシート
      • 構造
      • 作成プロセス
      • 熱特性の測定・シミュレーション結果
      • 機械特性の測定結果
      • 電気特性のシミュレーション結果
• 質疑応答