高性能チップの熱対策は、なぜ「パッケージ設計」が鍵になるのか

半導体の性能向上は、トランジスタの微細化だけでは決まらない。チップ上のトランジスタ数と消費電力が増えるほど、発生した熱をどこへ、どのように逃がすかが重要になるからだ。

そのため、パッケージは単なる保護ケースではなく、熱設計の一部になりつつある。Huatian Technologyは、ファンアウト型パッケージングの工程全体で熱挙動を設計・シミュレーションする能力を構築し、組み立て後ではなく、設計の初期段階から熱を管理する考え方を示している。8

チップの熱は、パッケージ全体で決まる

トランジスタの集積度が高まり、より多くの演算機能が小さなダイに集中すると、熱はより狭い領域に集まる。チップの接合部温度（junction temperature）は、シリコンだけで決まるわけではない。

熱は、ダイアタッチやモールドコンパウンド、再配線層（RDL）、パッケージ表面、PCB、熱伝導材料、ヒートシンク、さらに筐体内のエアフローを通って移動する。どこかに熱抵抗の高い部分や局所的なホットスポットがあれば、チップの動作温度は上昇し、信頼性の余裕が小さくなる。

高温状態が続けば、配線や接続部の疲労、材料の剥離、熱膨張差による応力、反りなどの問題にもつながる。高性能チップでは、電気性能と同じ段階で熱・機械的な挙動を検討する必要がある。

SOP、QFP、QFNにはどのような制約があるのか

SOPやQFPなどの従来型パッケージでは、熱の多くをリードやリードフレームを通して逃がす。構造上、熱経路が長く、利用できる放熱経路も限られやすい。Huatian Technologyは、こうした従来構造と比べ、FOPLPは基板を使わず、より短い熱経路を構成できると説明している。6

ただし、QFNを一括して「熱に弱いパッケージ」と見るのは正確ではない。露出パッドを備えたQFNやパワーQFNは、PCB側へ効率よく熱を逃がせる場合がある。性能を左右するのは、リードフレームの形状、サーマルパッド、銅箔面積、ビアの配置、PCBの放熱能力、そしてチップの消費電力だ。

つまり、QFNの適否はパッケージ名だけでは判断できない。実際の電力密度とシステム構成を合わせて評価する必要がある。

FOPLPが熱設計にもたらす可能性

ファンアウトパッケージでは、チップの接続を再配線層（RDL）によって外側へ引き出す。従来のパッケージ基板だけに依存せず、高密度の接続を実現でき、従来の一部の接続方式に比べて低インダクタンス化も期待できる。4

FOPLP（Fan-Out Panel-Level Packaging）の主な特徴は、次の通りだ。

• 従来型のパッケージ基板を使わない構造
• 高いI/O密度
• 薄型化
• 電気接続と熱拡散の双方に活用できるRDL
• 材料とパッケージ形状を同時に最適化できる設計余地

Fraunhofer IZMは、ファンアウト技術について、基板を使わない構造によるパッケージの小型化と低熱抵抗化の可能性を説明している。12 また、TSMCのInFOは、高密度RDLをモバイルやハイパフォーマンス・コンピューティング（HPC）向けのシステム統合に活用する例だ。13

もっとも、薄いことやI/O密度が高いことだけで、熱性能が自動的に向上するわけではない。銅配線、モールド材、ダイ裏面、ヒートスプレッダー、PCBが実効性のある熱経路を形成して初めて、FOPLPの構造上の利点が熱性能につながる。

モバイル、車載、HPCで異なる熱の課題

ファンアウトパッケージは、すでにモバイルやワイヤレス用途で量産に使われ、車載や医療分野への展開も進んでいる。1 高密度ファンアウト技術は、モバイルに加えてHPC向けにも位置づけられている。13

ただし、用途によって求められる熱設計は異なる。

• モバイル機器：大型ヒートシンクを置けないため、薄型パッケージから限られた筐体へ効率よく熱を広げることが重要になる。
• 車載エレクトロニクス：温度変化が大きく、熱サイクルも繰り返される。放熱性能だけでなく、長期的な熱機械信頼性が必要だ。
• HPC：総消費電力がはるかに大きい。FOPLPだけで熱を処理できるとは限らず、リッド、コールドプレートなど、システム側の冷却機構が必要になる場合がある。

FOPLPは熱設計を助ける可能性のあるパッケージ技術だが、システム全体の冷却設計を置き換えるものではない。

RθJCとΨJT・ΨJBを混同してはいけない

熱性能を評価する際に重要なのが、熱抵抗（θ）と熱特性パラメーター（Ψ）の違いだ。JEDECのJESD51シリーズは、特定の試験条件のもとで接合部温度に関する意味のあるデータを得るための測定方法を定めている。

例えば、RθJCは、熱をパッケージのケース面へ意図的に流す条件で、接合部からケースまでの経路を評価する指標だ。ヒートシンクやコールドプレートのような境界条件を想定した測定であり、実際の基板上での熱の流れをそのまま表すわけではない。

そのため、次の式を実際の動作温度の一般的な推定式として使うのは危険だ。

Tj = Tc + P × RθJC

実際の基板上では、熱はパッケージ上面、PCB、はんだボールや端子、周囲の空気など複数の経路に分かれて流れる。RθJCの測定条件とは熱の境界条件が異なるため、総消費電力にRθJCを掛けるだけでは、接合部温度を正しく見積もれないことがある。

Texas Instrumentsは、現代的な基板実装パッケージでは、ΨJT（接合部からパッケージ上面まで）やΨJB（接合部から基板まで）の方が、接合部温度の推定に使いやすい場合があると説明している。 適用条件が合っていれば、次のような関係を使う。

Tj ≈ Ttop + P × ΨJT
Tj ≈ Tboard + P × ΨJB

ΨJTとΨJBは、一次元の基本的な熱抵抗ではない。測定方法、パッケージ構造、基板、周囲条件に依存する特性化パラメーターであり、データシートに記載された試験条件とセットで解釈する必要がある。

Huatianの「全工程」熱設計とは何か

Huatian Technologyによれば、同社のアプローチは、材料選定、配線設計、パッケージ構造を対象に、多物理場シミュレーションを用いて放熱性と長期信頼性を改善するものだ。8

工学的には、次のような検討を組み合わせることを意味する。

• モールド材、ダイアタッチ材、熱伝導材料の選定
• 熱拡散に利用する銅RDLの厚さと配置の設計
• ホットスポットの特定と抑制
• 電気損失と熱伝導を組み合わせた解析
• 反りや、材料間の熱膨張係数（CTE）の不一致の評価
• 熱サイクルによる接続部の疲労評価

パネルレベルパッケージは、構造が大きく、薄くなりやすい。そのため、冷却時の材料挙動や反り、ダイの位置ずれを含む熱機械解析が特に重要になる。FOPLPでは、反りや信頼性が主要な設計課題として認識されている。3

期待と実証は分けて考えるべきだ

FOPLPは、パッケージアーキテクチャの段階から熱を設計できる。不要な構造層を減らし、RDLを高密度接続や熱拡散に活用し、材料と形状を一体で最適化できる点は、ファンアウト技術の合理的な利点だ。812

しかし、それだけでHuatian Technologyの特定製品が、どの程度の熱性能向上を実現したかが証明されるわけではない。現時点で利用できる同社の公開資料には、熱抵抗、接合部温度、製品寿命について独立検証された具体的な数値は示されていない。

実際の評価で見るべきなのは、単一のRθJCの値ではない。対象となるPCB、電力分布、冷却境界、エアフロー、熱サイクル条件のもとで、接合部温度がどの範囲に収まり、製品寿命を通じて信頼性を維持できるかである。

FOPLPの本当の価値を判断するには、「パッケージのRθJCはいくつか」だけでなく、「実際のシステムでチップを寿命期間にわたり許容温度内に保てるか」を確認する必要がある。