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SystemDKにおける物理制約の評価手法
Evaluation Methods for Physical Constraints in SystemDK
📘 概要｜Overview
SystemDKを用いた実装設計において、物理制約（SI/PI、熱、応力、EMI/EMC）を統合的に設計・最適化するには、
評価系の確立が不可欠です。本章では、以下の評価軸について手法と活用意義を整理します：
- Sパラメータ解析
- インピーダンス解析（PI, PDN）
- FEM（有限要素法）による熱・応力解析
- EMI放射解析とEMC耐性評価
📊 評価マトリクス｜Evaluation Matrix
| 評価軸 | 方法 | 代表ツール | 教育適用の狙い |
|---|---|---|---|
| Sパラメータ | ネットワークアナライザ測定または電磁界解析 | Keysight ADS, Ansys SIwave | SI評価（反射・クロストーク）・AMS設計への応用 |
| PDNインピーダンス | 周波数領域インピーダンス解析 | Sigrity PowerSI, Bode100等 | PI評価・デカップリング配置戦略の検証 |
| 熱解析 | FEMベースの温度分布・放熱経路可視化 | Ansys Icepak, COMSOL | 熱密度高い領域の検出・配置最適化教育 |
| 応力解析 | FEMによるCTE不整合・界面応力分析 | Ansys Mechanical, Abaqus | TSV/バンプ間の信頼性リスク設計 |
| EMI評価 | 放射ノイズ分布の可視化 | CST Studio, HFSS | ノイズ源・GND戦略の設計教育 |
| EMC評価 | 耐性シミュレーション・基準検証 | EMPro, EMC Studio | Chiplet電磁耐性と干渉防止設計 |
🧪 評価手法ごとの補足解説
✅ Sパラメータ解析
- 内容：S11/S21等を用いた信号整合性評価
- 応用：SerDes、RFブロック、クロック配線など
- 例：
S21 @ 1GHz = -2.5 dB（良好透過） S11 @ 1GHz = -12 dB（反射あり改善余地）
✅ PDNインピーダンス解析
- 手法：Z(f)プロファイルでPDN設計を評価
- 目標：< 50 mΩ（特定周波数帯）
- 教育効果：LDO/VRM配置の評価と最適化思考
✅ 熱FEM解析
- 用途：ヒートスプレッダ～ダイ間の熱伝播経路解析
- 重点：GAAブロック冷却、MRAM保護、ホットスポット除去
✅ 応力FEM解析
- 構造差起因の応力集中：
- 異種材料界面（Si ↔ Cu、FeMgO ↔ Si）
- 解析視点：
- TSV下層、封止樹脂、RDL周囲の界面応力
✅ EMI / EMC
EMI評価
- 手法：3D放射強度マップ・時間領域EM解析
- 応用：AMSブロック、GAAクロック干渉検討
EMC評価
- 目的：外部ノイズに対する回路動作の安定性評価
- 手法：IEC 61000規格に基づいた印加実験またはシミュレーション
🎓 教育PoC応用例
- GAA × AMS × MRAM 統合事例に対して：
- Sパラ：高速GAAとAMS間の整合性評価
- 熱解析：高温領域の検出と再配置提案
- EMI解析：AMSにおけるRF干渉の遮蔽検討