【1】放熱が難しくなっている理由
理由はシンプルで、次の3つ：
① 電力密度が増えすぎている
チップのTDPは増加し、AIチップでは600W～1000W級が登場。
同じ面積で発熱だけ増えるため、従来の放熱機構では限界。
② パッケージ構造そのものが熱抵抗を増やす
2.5D-IC・Fan-outのように、樹脂・RDL・接着剤など熱が通りにくい材料層が増えている。
すると、チップ → TIM → ヒートスプレッダまでの熱の通り道が長くなる。
③ 高密度化で材料選択が制限されている
導電性、絶縁性、熱膨張、実装条件などの制約が多く、熱だけ優先した材料が使えないケースが増えている。
【2】放熱の基本アプローチ
放熱は大きく4つの方法で改善される。
（1）熱伝導（Conduction）を改善する
チップから熱を外へ運ぶ最初のステップで最重要。
主な方法：
・高熱伝導TIM（グリス、シート、ゲル）の採用
・CuピラーやRDLの最適化
・ヒートスプレッダ（IHS）の材料改善
・モールド樹脂の熱伝導率を向上
特にFan-outでは、モールド樹脂がボトルネックになる。
（2）熱拡散（Spreading）を改善する
熱を面方向に広げることで、局所的な温度上昇（hot spot）を削減。
・グラファイトシート（高熱拡散性）
・Cuベースプレート（厚み最適化）
・Vapor Chamber / Heat pipe
スマホの発熱対策でも中心技術。
（3）放熱（Convection）を改善する
外部へ熱を逃がす機構。
・ファン（Air cooling）
・水冷（Liquid cooling）
・2相冷却（Two-phase cooling） ← AIサーバーで主流化
特にAIサーバーは水冷必須の時代に突入。
（4）材料そのものを変える（革新的アプローチ）
・GaN / SiC など低損失材料への置換
・ダイヤモンド基板
・金属間化合物TIM（Indium系）
・カーボンナノ材料
・高熱伝導樹脂
材料単価は高いが、パッケージ性能が一気に激変する領域。
【3】パッケージ別の放熱課題と対策
● Fan-out（FO-WLP）
課題：
・樹脂モールドの熱伝導率が低い
・RDL密度が上がるほど熱抵抗が増える
対策：
・高熱伝導樹脂（TCF）への切替
・Cu密度を上げたRDL設計
・バックサイドに放熱メタル（Cu）追加
● 2.5D（インターポーザ）
課題：
・インターポーザが熱拡散を阻害
・HBMの発熱密度が高い
対策：
・メタルヒートスプレッダの大型化
・HBM上の専用冷却構造（Cold Plate）
・Siインターポーザ → 高熱伝導材料への置換（研究中）
● 3D-IC（積層）
課題：
・上段チップの熱が下段に蓄積
・TSV密度が熱のボトルネック
対策：
・Backside Power Deliveryとセットで排熱経路を再設計
・マイクロ流体冷却（液体を直接流す方式）
・高熱伝導アンダーフィルの導入
【4】熱設計の最新トレンド
・液冷（Direct Liquid Cooling） → AIデータセンターで急速に常識化
・2相冷却 → NVIDIA H100/H200世代で本格採用
・ダイヤモンド基板 × GaN / SiC → 超高熱伝導
・マイクロチャネル液冷パッケージ → 研究→実用化へ加速
・AIMLによる熱最適化設計 → レイアウト・材料選択をAIで自動化
放熱は今後、電気設計 × 熱設計 × 材料 × 流体 × AIの総合戦で決まる。
【5】まとめ（6-4）
・発熱量の増加により熱設計の重要度は急上昇
・パッケージ構造が複雑化し、熱の逃げ場がない
・放熱改善には伝導・拡散・放散・材料革新の4要素が必要
・パッケージ構造ごとに課題が異なる（Fan-out、2.5D、3D-IC）
・AIサーバーの台頭で液冷が今後の主流
・革新的材料（ダイヤモンド、金属TIM）がブレイクスルー候補
【理解チェック】
１．Fan-outパッケージの熱ボトルネックになりやすい材料は何か？
２．熱を水平方向に広げる役割を持つ材料は何か？
３．AIサーバーで液冷が必要になった背景を一言で説明せよ。
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。
