Chiplet/3D IC 時代の熱設計とは？設計初期に行うリアルタイム熱流体解析の重要性

Chiplet/2.5D/3D IC 時代の熱設計では、設計後半で熱問題を発見するのではなく、設計初期から熱や流れの挙動を検証することが重要です。Creo のシミュレーション機能や Creo と Ansys の統合環境を活用することで、設計者は CAD 上で熱課題を早期に確認し、手戻りリスクや試作回数、市場投入期間の増加を抑えやすくなります。

Chiplet 設計手法の導入に伴い、設計現場では 2.5D/3D IC パッケージングが招く「熱」の壁を考慮する必要に迫られています。異種チップ統合により省電力化や高性能化を実現しやすくなる一方で、熱密度の上昇に効率的に対処できる設計フローが求められています。

そこで本記事では、ビジネスリスクを最小化するために有効な、Creo 上で設計者がリアルタイムに熱流体解析を行う手法を解説します。Creo と Ansys の統合環境の強みについても紹介しますので、ぜひ参考にしてください。

Chiplet とは、半導体の回路を機能ごとに複数の小さなチップに分け、パッケージ内でつなぎ合わせる設計手法です。2.5D/3D IC などの先端パッケージング技術の採用に伴い、熱の滞留が製品寿命の低下、サーマルスロットリングによる性能低下、そして信頼性低下や損傷につながる恐れがあります。

Chiplet/3D IC の熱設計では、単に発熱量を下げるだけでなく、熱がどの経路で拡散し、どこに滞留するかを設計初期から把握することが重要です。

ここでは、先端パッケージング技術と熱密度上昇について主な課題を整理しました。

2.5D/3D IC とは、複数のダイを高密度に並べたり垂直に積み重ねたりして実装する技術です。垂直積層や高密度実装により、単位面積あたりの発熱量（熱密度）は、従来の 2D IC と比べて数倍になることがあります。その結果、局所的なホットスポットが発生しやすくなります。発熱量の増加により、熱設計の重要度は飛躍的に上昇しています。

2. 「熱の閉じ込め」と放熱経路の確保

半導体で発生した熱は、パッケージ表面、外部端子、プリント基板、ヒートスプレッダー、ヒートシンクなど複数の経路を通じて拡散させ、最終的には空気や冷却機構へ逃がす必要があります。

しかし、たとえば上層に別のチップが重なっている場合、熱の逃げ道が制限され、積層内部に熱がこもりやすくなります。3D IC の場合は、チップを垂直方向に積層することで放熱経路が複雑化するほか、チップ貫通電極 (TSV: Through-Silicon Via) でつないだチップ間に充填されるアンダーフィルの熱伝導率が低いため、内部に熱が滞留しやすくなります。

2.5D の場合は、バンプと呼ばれる微細な突起電極の熱抵抗などの影響で、配線専用の基板であるインターポーザーが熱拡散を阻害します。そのため各パッケージ構造の課題に合わせて、熱の逃げ場を確保するための検討が必要です。

3. 「異種チップ統合」による熱耐性の不一致

Chiplet を採用する大きなメリットは、最新の半導体技術で製造した CPU と、安価な成熟プロセスで製造されたメモリーやアナログ回路などを 1 つにまとめる「異種チップ統合」です。製造コストの削減や歩留まりの向上が魅力ですが、その一方で、各チップは最適に動作する温度や、許容されるジャンクション温度（半導体接合部の温度）の上限が異なります。

たとえば、熱に弱いメモリーチップは、発熱の激しいロジックチップ (CPU/GPU) のすぐ近くに超高密度で配置されます。そのため、ロジックの熱がメモリーの動作安定性や信頼性に影響を及ぼす恐れがあり、よく知られた技術的課題になっています。

4. 熱応力による反りや剥離

パッケージの内部にはシリコン（チップ）、インターポーザー、アンダーフィル、サブストレート基板など熱膨張率が異なる材料が混在しています。負荷の急変動などによって急激な温度変化が起きると、材料ごとの膨張と収縮の差によって内部に熱応力が発生しやすくなります。

その結果、パッケージの反りや、微細な接合部のひび割れや剥離といった、電気的、構造的なダメージが起きる恐れがあるため、設計段階で十分な検討が必要です。

Creo Simulation

Creo Simulation は、構造解析、熱解析、振動解析を備えた設計者向けシミュレーション機能です。

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3D CAD を使用した熱解析は、徹底した温度管理と確実なパフォーマンスが求められるエレクトロニクス、航空宇宙、機械工学などの分野で極めて重要になります。

熱シミュレーションとは、熱関連の問題が発生しやすい製品の信頼性と安全性を確保するため、放熱性を最適化し、過熱を防止する重要なプロセスです。設計した部品やシステム内の熱の分布を解析して予測するほか、製品が安全な温度範囲内で作動することを確認し、機械的な故障を防止するためにも役立ちます。

設計現場では、3D CAD で形状を作ってから解析に回す設計フローが多く見られます。しかし、この従来の設計フローには、ビジネスリスクにつながる 2 つの大きな課題が潜んでいるため、「フロントローディング（設計者 CAE）」が注目されています。

従来の解析フローと、設計初期からリアルタイム解析を活用するフローの違いを整理すると、以下のようになります。

IDM（垂直統合型デバイスメーカー）やファブレスなど、半導体デバイスメーカーの設計現場では、設計後半での熱問題発覚とそれに伴う手戻りが大きな課題です。たとえば詳細設計がほぼ完了し、物理プロトタイプに近い段階でシミュレーションを行い、初めて熱限界を超えていることが発覚するケースが挙げられます。

基板レイアウトや筐体設計、チップ配置のやり直しといった手戻りによって、開発コストの増加や市場投入時期の大幅な遅れを招かないためにも、設計フローの見直しが不可欠です。

熱シミュレーションおよび解析ソフトウェア

Creo の熱シミュレーション機能は、正確な解析、製品設計における熱性能最適化、不具合の削減、効率性の向上を実現します。

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実際の現場では、設計部門と解析専門部署の間に見えない壁が存在することも少なくありません。CAD と CAE の間の変換データの受け渡しには、数日から数週間かかることもあります。このタイムラグにより、解析専門部署の仕事は「解析結果の報告」にとどまり、設計部門の設計者は「では、どこをどう修正すれば最適か」をリアルタイムに試行錯誤できません。

そこで、品質を向上させながら手戻りの発生リスクを抑え、市場投入期間の短縮につなげるために不可欠なのが、設計の初期段階から設計者自身が熱の挙動や構造の強度を予測し、最適化する「フロントローディング（設計者 CAE）」です。

【関連動画】 Creo で Ansys
Creo Ansys Simulation では、PTC と Ansys 社との協業により、Creo から Ansys Mechanical のソルバーをシームレスに活用できます。実際に操作画面をお見せしながら解説している動画については、こちらからご覧ください。

熱の挙動や構造の強度を予測し、最適化するためには、解析/シミュレーションが欠かせません。半導体デバイスメーカーの設計現場では、この解析/シミュレーションを「設計を導くガイド」へと変革するパラダイムシフトが急務です。

概念設計や初期設計の段階から設計者自身が熱挙動を予測する設計フローは、「フロントローディング（設計者 CAE）」と呼ばれています。設計者 CAE の目的は、解析専門部署の役割を置き換えることではなく、設計者が初期段階で成立しにくい案を見極め、詳細解析へ進む前の設計品質を高めることです。

この設計者 CAE により、「熱の壁の観点から成立しないデザイン」を極めて早い段階から排除できるようになります。結果として後工程での深刻な手戻りを抑制し、開発リードタイムの短縮に大きく貢献します。

ここでは、この「フロントローディング（設計者 CAE）」の実現を可能にする Creo と Ansys の統合環境について見ていきましょう。

Creo には、設計初期のクイック解析から詳細解析、熱流体解析まで、目的に応じて使い分けられる複数のシミュレーション機能があります。

この記事で登場する主な機能の位置づけを整理すると、以下のとおりです。

設計者が CAD 画面から離れることなく、形状変更と同時にリアルタイムに熱流体挙動を確認できるテクノロジーが Creo と Ansys の統合環境による「Creo Simulation Live」です。なお、流体の挙動を確認するには、拡張機能の Creo Simulation Live Advanced Extension が必要です。

Creo と Ansys の統合環境とは、Creo と CAE を統合し、Creo の使い慣れた UI のままで Ansys の解析ソルバーを実行できる環境です。

これにより、設計者が設計段階で熱限界を特定し、最も熱効率が良い構造や配置を自ら導き出す「一次スクリーニング」を、その場で完了できるようになります。

Creo Simulation Live は、従来の CFD（数値流体解析）のように、数時間かけて微細なメッシュを切り、膨大な反復計算を行う手法とは、用途や位置づけが異なります。GPU の高い並列処理能力を活用し、CAD 形状を認識するとすぐにバックグラウンドでソルバーが計算を始める技術と考えるとわかりやすいでしょう。

リアルタイムシミュレーションの挙動

たとえば、ジオメトリを変更すると、その数秒から数分後には、流線で表示された空気の流れやチップの温度分布のグラデーションが、Creo の画面上で変更に追従して変化します。「この位置にスリットを開けたら、内部の熱がどう逃げるか」を、視覚的に試行錯誤しながらパラメトリックスタディで検証できるようになります。

【関連記事】 Creoでリアルタイムシミュレーション
Creo でリアルタイムシミュレーションを行う機能や方法については、こちらの記事で詳しく解説しています。

Creo と Ansys の統合環境は、設計者によるクイック解析と、解析担当者による詳細解析を同じ設計プロセス上でつなぎやすくする点に価値があります。

「クイック（設計者）」と「詳細（専門家）」の使い分け

同一プラットフォームで、設計者によるクイック解析 (Creo Simulation Live) と専門家による詳細解析 (Creo Ansys Simulation) を使い分けられるようになります。

Creo と Ansys の統合環境を導入することによって、専門部署との連携を高度化し、従来のワークフローで懸念されていた部署間の分断を解消することが可能になります。

設計者自身が初期検証を済ませられるため、解析専門部署は、熱、応力、電磁界などの複雑な相互作用の解析（マルチフィジックス解析）や、最終サインオフに注力できるようになります。結果として、Creo と Ansys の統合環境は組織全体の生産性の向上に貢献します。

「ジオメトリ」の直接利用によりデータ変換が不要に

3D CAD と CAE の間のデータ変換が不要になるため、作業効率を大幅に向上できます。

従来の「CAD ツール」と「独立した CAE ツール」の組み合わせでは、部署間でモデルデータの変換（中間ファイルのインポートやエクスポート）や、形状変更のたびに解析条件を再設定する手間が発生していました。

Creo と Ansys の統合環境では、ジオメトリを直接利用できるため、データ変換が不要になります。たとえば、設計者が Creo Simulation Live で「この配置が良い」と見当をつけた CAD データは、形状も解析条件もそのまま維持して、詳細解析ソフトウェア Creo Ansys Simulation へシームレスに引き継げます。

解析専門部署は、データ変換や解析条件の再設定という手間のかかる作業から解放され、すぐに詳細解析に入れます。

なお、Creo Simulation から Creo Simulation Live へ解析条件の設定を引き継ぐことはできますが、その逆に、Creo Simulation Live から Creo Simulation へ設定を引き継ぐことはできません。しかし、詳細解析に Creo Ansys Simulation を使用する場合は、Creo Simulation Live との間で解析条件をシームレスに連携できます。

Creo Ansys Simulation：設計シミュレーションソフトウェア

Creo Parametric のモデリング環境に Ansys ソルバーを統合した高精度シミュレーションツールです。

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Creo による設計者 CAE やシミュレーション機能を活用することで、設計初期の段階から熱、構造、流体などの挙動を確認し、後工程での手戻りリスクを抑えやすくなります。特に、CAD 上で設計案を検証しながら改善できる環境は、次のような効果につながります。

1. 品質と性能の向上：設計初期の段階で熱、構造、流体などの課題を確認し、より信頼性の高い設計案を検討できる
2. 開発コストの削減と市場投入期間の短縮：設計イテレーションや試作回数を抑え、後工程での手戻りを低減できる
3. 設計者と解析専門部署の役割分担の最適化：設計者が初期検証を行い、解析専門部署はより高度で複雑な解析に注力できる

以下では、電子ディスプレイ業界および自動車用コネクタメーカーにおける、Creo を活用した設計初期解析の事例を紹介します。

電子ディスプレイ業界では、大型パネルや高密度に実装された電子部品から発生する熱を、設計段階でいかに検証するかが重要な課題になります。

設計プロセスの面では、スタジアムや野球場などで使用される大型 LED ディスプレイやスコアボードを手がける Daktronics 社の事例があります。同社では、2D 図面と、部品、組立、設置のデータが分断されていました。顧客ごとに異なる幅広い要望に応えるため、Creo Parametric と Windchill を導入して設計と製造の進め方を見直し、設計から製造までをより速く進められるようになっています。
Daktronics 社の設計プロセス改善の事例を見る

また、電子ディスプレイ業界では、開発サイクルの早い段階で設計案を評価し、非効率な設計を早期に除外するために、Creo Simulation Live を用いて、リアルタイムシミュレーションを活用している事例があります。従来は数週間かかっていた設計の反復（設計イテレーション）を数秒から数分へと短縮し、設計判断を設計者自身の手元で進められるようになりました。その結果、プロトタイプコストの削減と市場投入期間の短縮にもつながっています。

【関連記事】 Creo で熱流体シミュレーション
Creo Flow Analysis の機能、特徴、パッケージについては、具体的な技術情報も交えながら、こちらの記事にて解説しています。

自動車用コネクタの設計、開発、製造を手がける企業では、高い製品信頼性を求める車載顧客に対応するため、Creo Simulation Live を活用しています。設計初期段階で製品の品質や性能を検証しやすくなり、品質と性能が向上しました。その結果、製品開発コストや製品全体のライフサイクルコストの削減にもつながっています。

Chiplet/3D IC では、複数のチップを高密度に配置したり積層したりするため、単位面積あたりの発熱量が大きくなりやすく、局所的なホットスポットや熱の滞留が発生しやすくなります。そのため、製品寿命、性能、信頼性を確保するには、設計初期から熱の挙動を検証することが重要です。

設計初期に熱流体解析を行うことで、熱の壁の観点から成立しにくい設計案を早期に除外しやすくなります。これにより、試作後の手戻り、開発コストの増加、市場投入の遅れを抑えることが可能です。Creo のシミュレーション機能を活用することで、CAD 上で設計案を確認しながら、熱課題を早期に検討しやすくなります。

Creo Simulation Live と Creo Ansys Simulation はどのように使い分けますか？

Creo Simulation Live は、設計者が CAD 上で初期段階のクイック解析を行う際に活用できます。一方、Creo Ansys Simulation は、より詳細な検証や最終確認を行う場面で活用しやすい解析環境です。設計者による初期検証と、解析担当者による詳細解析を使い分けることで、設計プロセス全体を効率化しやすくなります。

Creo Flow Analysis はどのような場面で役立ちますか？

Creo Flow Analysis は、空気や流体の流れ、熱伝達などを検証したい場面で役立ちます。大型電子ディスプレイのように、多数の電子部品から発生する熱や空気の流れを設計段階で確認したい場合に活用できます。

Chiplet 構造の進歩により、局所的な発熱が重なる「熱の壁」への対応はますます重要になっています。Creo のシミュレーション機能を活用することで、設計初期に熱や流れの挙動を検証し、最上流から課題を見つけて改善する「フロントローディング」を進めやすくなります。

試作後の手戻りリスクを抑え、次世代半導体の熱課題を設計初期から検討するためにも、リアルタイム解析や熱流体解析を設計プロセスに取り入れることが有効です。

リアルタイムの流体フローシミュレーションを Creo 環境で確認したい場合は、Creo Simulation Live Advanced Extension もあわせてご覧ください。

詳細やデモの実施については、PTC エキスパートまでぜひお問い合わせください。

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