2a.3 熱設計と材料分布
2a.3 Thermal Design and Material Considerations
📘 概要｜Overview
本節では、SystemDKにおける重要な物理制約である
熱設計（Thermal Design）の基本と、
材料分布および熱伝導設計の要点を扱います。
This section focuses on the fundamentals of thermal design in SystemDK,
including material layout, thermal conduction paths, and temperature management strategies.
🌡 熱に関する基本概念｜Basic Thermal Concepts
| 用語 / Term | 説明 / Description |
|---|---|
| 熱伝導（Conduction） | 固体内での熱の伝わり方（Fourierの法則） |
| 熱拡散（Diffusion） | 熱の時間的広がり（熱拡散率α） |
| 熱抵抗（Thermal Resistance） | 熱の流れに対する抵抗（θ = ΔT / Q） |
| 熱インピーダンス（Zth） | 周波数領域での熱応答（動的熱特性） |
| 熱容量（Thermal Capacitance） | 温度変化に対する蓄熱量 |
🧱 材料特性と熱伝導性｜Thermal Conductivity of Materials
| 材料 / Material | 熱伝導率 λ [W/m·K] | 備考 / Notes |
|---|---|---|
| Cu（銅） | 390 | 高導熱・配線・ヒートスプレッダ |
| Si（シリコン） | 130 | 半導体基板・TSV経路 |
| Al2O3（セラミック） | 20〜30 | パッケージ基板絶縁層 |
| 樹脂（Epoxy） | 0.2〜1.0 | 封止材・絶縁層 |
| TIM（熱インターフェース材） | 3〜10 | 接合部の熱伝導促進用 |
熱設計では、「高熱源部からGND/ヒートシンクまでの伝熱経路」を可視化・最適化する必要があります。
🔧 熱設計の実装観点｜Practical Design Considerations
- TSVやバンプを熱経路として活用：電気だけでなく熱拡散パスにもなる
- パッケージ構造と熱拡散層の配置：RDL層の銅比率、ヒートスプレッダの位置
- チップ間の熱干渉（Thermal Coupling）：Chiplet配置と温度上昇の関係
- 熱とPIのトレードオフ：デカップリング配置と放熱性能のバランス
- 熱シミュレーションツール：ANSYS Icepak、FloTHERMなど
🧮 熱シミュレーションモデル｜Thermal Modeling
| モデル / Model | 説明 / Description |
|---|---|
| 等価熱回路（R-Cモデル） | 電気回路のように熱をモデル化（Zth表現） |
| 3D FEMシミュレーション | 立体構造で熱伝導を詳細に解析 |
| Compact Thermal Model（CTM） | 計算効率と精度のバランスをとる抽象モデル |
| Dynamic Thermal Response | 短時間加熱に対する温度応答（IC活性） |
🎓 教育的メッセージ｜Educational Message
熱は“パッケージの電気性能”を静かに破壊する。
実装設計では、見えない熱流れを設計図に描く能力が求められる。
Heat quietly degrades electrical performance.
Designers must learn to visualize invisible thermal paths within their implementations.
🔗 関連節｜Linked Sections
f2a_2_sipi.md：電源構造との干渉・熱ノイズ結合f2a_4_mechanical.md：熱応力・界面破壊との関係f2a_6_constraint_tradeoff.md：PIとの設計トレードオフ
📎 参考資料｜References
- JEDEC JESD51-12: Guidelines for Thermal Testing
- “Thermal-Aware Package Co-Design,” IEEE Trans. CPMT
- ANSYS Icepak User Guide
- TSMC 3DFabric™ Thermal Application Notes