先進パッケージの放熱設計において見落とされがちな変数、高さの差と大きな隙間
AI GPUモジュールの先進パッケージ(2.5D/3Dヘテロジニアス・インテグレーションなど)では、GPUロジックダイと周辺のHBMスタック、そしてパッケージリッドとの間に、製造プロセスや組立公差に起因する高さの差がしばしば生じる。学術文献によれば、リッドの平坦度、パッケージの反り(warpage)、表面形状のばらつきは、TIMの接合線厚さ(BLT)と接触圧力の分布を不均一にし、界面熱抵抗とモジュール内部の温度勾配をさらに増大させるという。また別の研究では、大型2.5Dアセンブリにおいては、ダイ間の熱膨張係数の不一致によって生じる応力に加え、積層ダイ、放熱リッド、銅導電層などの部品自体の重量も、インターポーザーに不均一な反りや曲げを引き起こす要因となり、HBMモジュールもこうした荷重を生じさせる部品の一つであるとされている。実務上のエンジニアリング経験からも、PCBの反り、リッドの共平面性、部品の高さの差という3つの要因が重なると、密集した基板上では累積で0.3ミリメートルを超える差が生じうることが指摘されており、1枚の基板上に数十カ所存在する熱接触点にとって、この公差は決して小さいものではない。
このような背景から、先進パッケージにおけるwarpage制御と放熱設計は、IEEE関連の研究において、製造歩留まりと長期信頼性に影響を与える重要な課題の一つとして位置づけられており、TIM材料を選定する際にまず識別すべき界面シナリオでもある。
高さの差と隙間の問題を放置した場合、どのような影響が生じうるか
高さの差や隙間の充填不足がもたらす最も直接的な結果は、界面熱抵抗の上昇であり、それに伴いチップの接合部温度が上昇することである。HBMを例にとると、あるエンジニアリングガイドによれば、HBM3E世代のスタックメモリは1個あたり20ワットを超える熱負荷を発生させることがあり、接合部温度を85°C以下の安全範囲に抑えるためには、通常5 W/m・Kを超える熱伝導率のTIM材料が必要とされる。この閾値を超えると、帯域幅のスロットリング(thermal throttling)、信号劣化、長期的な信頼性リスクを招く可能性がある。学術的なレビュー研究でも具体的なデータが示されており、GPUとHBM間の熱結合を改善する熱伝導モジュール(TMP)を導入した場合、HBMの接合部温度は約10.3°C低下し、信号ジッター(jitter)も約4.54%減少するとされている。これは、放熱設計と信号品位との間に直接的な関連性があることを示しており、単なる温度の数値だけの問題ではないことを意味する。システムレベルでは、データセンターにおける放熱の不均一が局所的なホットスポットや気流の再循環を招き、その結果としてスロットリングや、場合によっては演算タスクの中断といった、実際の運用コストにつながりうるという業界の指摘もある。
ギャップフィラー材料はこの課題にどう対応するか
ギャップフィラー材料(Gap Filler)は、大きな隙間や高さの差というシナリオに特化して設計されたTIMのカテゴリーである。硬度の高い熱伝導シートとは異なり、ギャップフィラー材料は一般的により高い圧縮性を備えており、組立時の圧力によって変形し、高さの異なる部品表面に密着することができるため、材料が硬すぎることで一部の領域に隙間が残ってしまう事態を避けられる。業界データによれば、単純な空気層と比較して、ギャップフィラー材料を導入することで界面熱抵抗を約80%から95%低減できるとされる。一方、材料の熱伝導率は基材やフィラー設計によって大きく異なり、一般的なシリコーン系ギャップフィラー材料は1から8 W/m・Kの範囲に収まることが多く、セラミックフィラーで強化した高性能配合であれば20 W/m・K以上に達することもある。また学術研究では、高出力部品とヒートシンクの間に用いるギャップフィラー材料は、熱伝導率に加えて電気絶縁性能も両立する必要があるとされており、これがこの種の材料においてフィラー設計が熱伝導性と絶縁性のバランスを取る必要がある理由でもある。
材料設計の原理という観点から見ると、TIM界面の熱抵抗は簡略化した式で概略的に表すことができる：R ≈ BLT ÷ k（Rは単位面積あたりの熱抵抗、BLTは接合線厚さ、kは材料の熱伝導率）。この関係式は、同程度の熱抵抗目標を維持する場合、接合線厚さが増加するほど、必要な熱伝導率もほぼ比例して高めなければならないことを示している。簡略化した例で示すと、あるチップレベルのTIMが50マイクロメートル(0.05ミリメートル)の接合線厚さにおいて、5 W/m・Kの熱伝導率である熱抵抗水準を達成できると仮定する。界面の隙間が5倍に拡大して250マイクロメートル(0.25ミリメートル)になった場合、同程度の熱抵抗性能を維持するには、熱伝導率も同様に約5倍、すなわち25 W/m・K程度まで高める必要がある。これは、ギャップフィラー材料というカテゴリーの熱伝導率仕様が、チップレベルのTIM-1材料よりも一桁高い水準を必要とする理由を説明するものであり、これは界面の幾何学的サイズが拡大した結果生じる物理的な帰結であって、単なる仕様数値の競争ではない。
（以上は簡略化した例示的な計算であり、BLTと熱伝導率の比例関係を説明するためのものである。数値は理解を助けるために設定した仮定のシナリオであり、特定の製品の実測BLTや熱抵抗データではない。実際のTIMの総熱抵抗には、材料と両側の接触面との間の接触熱抵抗も含まれ、上記の簡略化した式のみで決まるものではない。実際の性能については、メーカーが公開する熱抵抗／熱インピーダンスの試験データを参照されたい。）
Ultra3065の技術仕様解説
LiPOLY Ultra3065は、超高熱伝導率を備えた熱伝導性材料であり、ギャップフィラー(Gap Filler)のカテゴリーに属する製品である。熱伝導率は30.0 W/m・Kに達し、前述のエンジニアリングガイドが示す5 W/m・Kという閾値や、シリコーン系材料に一般的な1から8 W/m・Kの範囲と比較すると、Ultra3065はギャップフィラー材料の中でも熱伝導性能の高い部類に位置する。材料はShore OOO 65の硬度で設計されており、圧縮による密着性と、組立時に必要な機械的支持力とのバランスを両立し、部品間の高さの差や表面の凹凸を補正することができる。電気性能については、Ultra3065の絶縁破壊強度は9 KV/mmであり、高出力アプリケーションに求められる絶縁の安全マージンを提供する。製品は実際の隙間サイズに応じて、厚さや寸法をカスタマイズすることが可能である。代表的な用途としては、AIサーバー、GPUモジュール、AIアクセラレータ、CPU、HBMパッケージ、電源モジュールといった高出力用途のほか、データセンターサーバー、ネットワーク通信、通信設備にも適している。
| 項目 | 仕様 |
|---|---|
| 製品型番 | Ultra3065 |
| 熱伝導率 | 30.0 W/m·K |
| 硬さ | Shore OOO 65 |
| 絶縁破壊強度 | 9 KV/mm |
注：上記のデータはLiPOLYが自社のTIM Tester法およびASTM D5470試験法に基づいて取得した代表値であり、設計上の参考情報として提供するものであって、製品仕様を保証するものではない。実際の性能については、使用条件に応じて事前に試験・検証を行うことを推奨する。
信頼性試験結果
Ultra3065は以下の4項目の信頼性試験を実施しており、いずれも「合格(Pass)」の結果を得ている。
| 試験項目 | 試験条件 | 試験結果 |
|---|---|---|
| 高温エージング | 125°C、1,000時間 | Pass |
| 高温高湿(HAST) | 85°C / 85%RH、1,000時間 | Pass |
| 冷熱サイクル | -40°C↔125°C、500サイクル | Pass |
| 低温試験 | -60°C、1,000時間 | Pass |
なお、現時点で公開されているデータシートでは、上記4項目について「合格／不合格」の結果のみが示されており、一部の製品のように試験前後の定量的な熱抵抗変化値までは公開されていない。より詳細なエンジニアリング仕様データが設計評価に必要な場合は、LiPOLYの技術チームまでお問い合わせいただきたい。
結語
先進パッケージにおける高さの差と大きな隙間を放置すると、HBMのスロットリングや信号劣化を招く可能性がある。本稿ではギャップフィラー材料の仕組みを解説し、Ultra3065の技術仕様と信頼性試験結果を紹介する。
よくあるご質問
Q: ギャップフィラー材料(Gap Filler)は、従来の熱伝導グリースや熱伝導シートとどう違うのか。
ギャップフィラー材料は、一般的な熱伝導シートよりも高い圧縮性を備えていることが多く、大きく不均一な高さの差を埋めるのに適している。熱伝導グリースと比較すると、固体または半固体の形状であるため、ポンプアウト(pump-out)や材料のはみ出しのリスクも低減される。実際の選定にあたっては、隙間の寸法、公差、組立時の圧力条件に応じて個別に評価する必要がある。
Q: 熱伝導率が高いほど、放熱効果は必ず優れているのか。
必ずしもそうとは限らない。実際の放熱効果は、材料自体のバルク熱抵抗と、両側の接触面における接触熱抵抗を含めた総熱抵抗によって決まる。材料が表面に十分に密着せず空気層が残った場合、熱伝導率がどれほど高くても、実際の効果は損なわれてしまう。そのため、圧縮性や密着性も、材料選定において熱伝導率と同様に重要な考慮事項である。
参考資料
- Lid flatness, warpage, and surface topography variations causing non-uniform TIM bond-line thickness and contact pressure: CAPLINQ, “2.5D Packaging | Advanced Packaging”
- Self-weight of dies, heat spreader lids, and stacked components (including HBM modules) in 2.5D assemblies causing non-uniform interposer bending and warpage: arXiv, “STAMP-2.5D: Structural and Thermal Aware Methodology for Placement in 2.5D Integration”
- Warpage control and thermal management in 2.5D packaging as a key factor in manufacturing yield and reliability: IEEE Xplore, “Design Guideline of 2.5D Package with Emphasis on Warpage Control and Thermal Management”
- Practical engineering discussion of cumulative tolerance from PCB warpage, lid co-planarity, and component height variation: 3G Shielding, “Thermal Gap Pad Guide: Specs, Compression & Failure Modes”
- Thermal resistance reduction from introducing gap filler materials and typical thermal conductivity range comparison: Modus Advanced, “Thermal Gap Pad Compression: Optimizing Performance Through Proper Selection and Application”
- Background on gap filler materials needing to balance high thermal conductivity with electrical insulation performance: PMC (NCBI), “A Comparative Study of Thermal Aging Effect on the Properties of Silicone-Based and Silicone-Free Thermal Gap Filler Materials”
- HBM3E single-stack thermal load exceeding 20 W, TIM thermal conductivity requirement (>5 W/m·K), 85°C junction temperature threshold, and thermal throttling risk: Wevolver, “HBM Memory: Complete Engineering Guide & Design Optimization 2025”
- Thermal management package (TMP) reducing GPU-HBM junction temperature by approximately 10.3°C and signal jitter by approximately 4.54%: MDPI, “Thermal Issues Related to Hybrid Bonding of 3D-Stacked High Bandwidth Memory: A Comprehensive Review”
- Uneven data center cooling causing localized hot spots, airflow recirculation, and operational costs from throttling/job interruption: Eziblank, “How Do AI Data Centres Manage Heat in High-Density GPU Clusters?”
- LiPOLY Ultra3065 製品データシート（中国語・英語・日本語版）— 社内仕様資料
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