🧪 6. FEM・熱・電磁界・応力解析の事例

6. Examples of FEM, Thermal, Electromagnetic, and Stress Analysis

🎯 目的｜Objective

この章では、SystemDKベースPoCにおける多物理場解析（FEM）の役割と具体的な適用事例を紹介する。
設計に反映可能な制約情報を取得し、DesignKit（BRDK / IPDK / PKGDK）へフィードバックする工程である。

This section demonstrates multi-physics analysis examples including FEM,
and how their outcomes contribute to constraint refinement in SystemDK.

🔥 熱解析事例｜Thermal Simulation

モデル｜Model：PoC評価ボードに GAA / MRAM / AMS を配置
条件｜Conditions：ピーク時電力負荷、自然空冷（θJA 設定）
結果例｜Findings：
- MRAM周辺が 125℃を超過 → AMSとの距離を再設計
- 熱拡散の非対称性 → 放熱パッド再配置を提案

Excessive heat around MRAM triggers redesign of AMS placement
and motivates layout-based thermal countermeasures.

📶 EMI / PI 解析事例｜Electromagnetic & Power Integrity

モデル｜Model：PDNモデル + 高速信号ライン + IBISモデル
条件｜Conditions：クロックノイズ帯域・IR Drop制限
結果例｜Findings：
- PLLクロックが AMS ADCのSNRを劣化させる
- 電源IR Dropが深刻 → 専用LDO設計へ移行

Clock jitter and power fluctuation reduce ADC performance,
driving the need for local LDO and clean PDN design.

🧱 機械応力解析｜Mechanical Stress Analysis

モデル｜Model：TSV・バンプ構造の3D FEMメッシュ
条件｜Conditions：温度サイクル（-40℃～125℃）を模擬
結果例｜Findings：
- TSV周辺の応力集中でパッドクラックのリスク
- 層間界面に剪断応力蓄積 → 接着材料の見直し

Stress accumulation near TSV and interface layers leads to
reliability concerns and material optimization.

📊 解析結果の設計キット反映｜DesignKit Feedback

💠 Design Kit	🧩 反映される設計制約（Constraint Feedback）
BRDK	熱分布・冷却要求、IR Drop対策、配置制約
IPDK	EMI感度ゾーン、ピン配置、応力対応構造
PKGDK	熱拡散層の厚み調整、パッケージ構造の最適化
SystemDK	制約マップ統合、物理制約に基づく再利用設計方針

Each kit absorbs FEM insights to guide physical-aware design decisions
and enrich SystemDK’s constraint-driven methodology.

🖇️ 6.3 PoC評価とFEM制約の統合構成図｜PoC Evaluation & Constraint Integration

PoC評価ボードとFEM解析は、異なる経路でSystemDKに制約情報を提供する。
以下の構成図は、機能評価系（緑）と物理解析系（青）の二重流路を示す。

Functional and physical analyses follow distinct yet converging paths
to supply rich design constraints into SystemDK.

🧭 構成概要｜System Overview

PoC評価経路：RTL → PoC評価 → 各DK（機能面の妥当性確認）
FEM解析経路：FEM → PKGDK（構造解析）→ 他DK（物理制約伝播）
SystemDK統合：BRDK / IPDK / PKGDK からの制約を統合設計へ反映

flowchart TD
    RTL[RTL / FPGA]
    PoC[PoC Eval Board]
    FEM[FEM Analysis]

    BRDK[BRDK]
    IPDK[IPDK]
    PKGDK[PKGDK: Structural]
    SDK[SystemDK]

    %% PoC評価パス
    RTL --> PoC
    PoC --> BRDK
    PoC --> IPDK
    PoC --> PKGDK

    %% FEM経路
    FEM --> PKGDK
    PKGDK --> BRDK
    PKGDK --> IPDK

    %% 各DK統合先
    BRDK --> SDK
    IPDK --> SDK
    PKGDK --> SDK

補足｜Notes

PKGDK：構造FEMの主担当。熱応力・EMI伝搬の定量化。

BRDK / IPDK：機能評価と物理制約の交差点。SystemDKとの橋渡し。

📘 本章のまとめ｜Summary

FEM解析と多物理場評価は、PoC設計における制約導出と構造改善の要である。
SystemDKはこの解析情報を各設計キットに組み込み、制約ベース設計の標準化を推進する。

FEM-driven analysis enriches the SystemDK framework
with precise, reusable, and physically-informed constraints.