■なぜ半導体は積み上がり始めたのか
これまで半導体は、主に平面方向へ進化してきた。
つまり、
● 微細化
● 高密度化
● 回路縮小 によって、性能を向上させてきた。
しかし近年、微細化だけでは限界が見え始めている。
そのため現在、急速に進んでいるのが、3D化である。
■3D半導体とは何か
3D半導体とは、簡単に言えば、半導体を積み重ねる技術である。
例えば、
- メモリ
- AIチップ
- GPU
- HBM などでは、複数のチップを上下方向へ積層する技術が進んでいる。
これにより、
● 高速化
● 小型化
● 大容量化
● 低遅延化 などが可能になる。
つまり3D化は、AI時代に不可欠な技術になり始めている。
■しかし積むと熱が逃げない
ここで大きな問題が起きる。
半導体は、動作すると熱を出す。
平面構造なら、ある程度横方向へ熱を逃がせた。
しかし3D化すると、熱源が上下方向へ積み重なる。
つまり、熱いものを重ねる状態になる。
これは非常に厳しい。
■下のチップほど地獄になる
特に問題なのが、積層下部である。
上に複数チップが載ることで、
● 熱が閉じ込められる
● 放熱経路が減る
● 温度上昇する
● 冷えにくくなる などの問題が起きる。
つまり今後の3D半導体では、どれだけ性能が高いかより、
どれだけ熱を逃がせるかが重要になる。
■AI時代は熱密度が異常に上がる
特にAI用途では、演算密度が急激に増えている。
つまり、小さい面積に、膨大な電力が集中する。
すると、発熱密度が異常に上がる。
これは従来の半導体とは、レベルが違う。
■熱は性能そのものを止める
半導体は高温になると、
● 性能低下
● ノイズ増加
● 劣化
● エラー
● 寿命低下 などが発生する。
つまり熱問題は、ちょっと熱いでは済まない。
AI時代では、熱が性能そのものを止める可能性がある。
■だから今、世界中で熱対策競争が起きている
現在、半導体業界では、
● TSV
● 高熱伝導材料
● ベイパーチャンバー
● 次世代TIM
● 放熱構造
● 液冷
● 高精度実装 など、さまざまな熱対策が研究されている。
つまり未来の半導体競争は、回路競争だけではなく、
熱競争にもなり始めている。
■研究者視点
熱を逃がせる構造が重要になる
今後重要になるのは、
● 熱拡散
● 熱伝導
● 接触抵抗低減
● 積層構造
● 材料選定
● 放熱経路最適化 など。
つまり未来の半導体では、どう積むかだけではなく、
どう熱を逃がすかが極めて重要になる。
■現場視点
理論より接触が難しい
しかし実際の現場では、さらに難しい問題が起きる。
例えば、
● 微細な浮き
● 接触不良
● 数μmレベルの段差
● 空気層
● 材料変形
● 熱膨張差
● 実装ズレ など。
つまり、理論上熱が逃げると、
実際に量産で熱が逃げるは全く違う。
■熱の最後の1mmが極端に難しくなる
3D半導体では、
● 薄い
● 小さい
● 高密度
● 多層 が同時に進む。
すると、微細な接触条件が極めて重要になる。
例えば、
● 数十μmの浮き
● わずかな空気層
● 接触ムラ だけでも、熱性能が大きく変わる可能性がある。
つまり未来の半導体では、熱の最後の1mmの難易度が爆発的に上がる。
■OTIS視点で重要なこと
OTIS視点では、3D半導体時代に重要なのは、
● 微細加工
● 薄膜加工
● 高精度貼り合わせ
● 異種材料接触
● 高精度打ち抜き
● ラミネート
● 接触安定性
● 量産安定性 などである。
特に、高性能材料を、高精度で成立させることが重要になる。
■OTISでできること
OTISでは、
● 微細加工
● 高精度打ち抜き
● 薄膜加工
● 高精度ラミネート
● 熱対策材料加工
● 異形状積層
● 自動化供給対応 などを通じて、
熱対策機能を量産で成立させることに貢献できる可能性がある。
■OTISの専門外
一方でOTISは、
● 半導体設計
● AIチップ開発
● GPU設計
● 半導体製造装置開発
● 回路設計 を専門とする会社ではない。
しかし、熱問題を量産工程で成立させるという領域では、
重要な役割を担える可能性がある。
■まとめ
未来の半導体は熱との戦いになる
AI時代では、半導体はさらに、
● 高性能化
● 小型化
● 高密度化
● 積層化 していく。
しかしその結果、熱の逃げ場が失われ始めている。
つまり未来の半導体競争は、どれだけ計算できるかだけではなく、
どれだけ熱を成立できるかで決まる時代になるのかもしれない。
そしてその裏側では、熱の最後の1mmを支える技術が、ますます重要になっていく。
コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。
※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません。
