先進半導体パッケージング用熱管理システムおよび材料の世界市場（2027年～2037年）

熱管理は、パッケージングの決定に伴う下流の製品別から、その決定要因へと変化しました。現在、デバイス数ではなく、電力密度がペースを決定しています。AIワークロードを実行するGPUは140 W/cm2程度の熱流束を放散しますが、3次元アーキテクチャでは平均熱流束が300 W/cm2近くに達し、局所的なホットスポットでは500～1,000 W/cm2を記録しています。単一パッケージの熱設計電力（TDP）はキロワットレベルを突破し、3,000～5,000 Wの範囲へと向かっています。制約となるのは、従来の熱スタック（シリコン、金属配線、マイクロバンプ、アンダーフィル、TIM1、リッド、TIM2、コールドプレート）の累積抵抗です。対策としては、熱伝達の経路を短縮し界面抵抗を低減する方法と、熱交換に利用できる面積を拡大する方法の2つが考えられます。これら両方のアプローチが並行して進められており、パッケージ内部における「材料」と「冷却システム」の境界は事実上解消されています。

パッケージ面積の拡大が、量産化の主な原動力となっています。5.5倍のレチクルスケールを持つCoWoS_Lプラットフォームは、2026年に量産を開始し、約12個のHBM3EまたはHBM4スタックを搭載しています。2027年までには、およそ9.5倍のレチクルスケールを持つパッケージが登場すると予想されています。フルシリコンインターポーザーは、レチクルスケールの約3.3倍を超えると歩留まりとコストの限界に直面するため、業界は埋め込み型シリコンブリッジ、ガラス基板、パネル形式へと移行しつつあります。これらはいずれも、反りや熱膨張係数（CTE）の不一致を引き起こし、その結果、ボンディングラインの均一性を制御することがより困難になります。

2026年半ばまでに、いくつかの技術的進展がこの分野の様相を一変させました。TSMCは、3DFabricプラットフォームにマイクロ流体冷却を統合し、電力供給や相互接続と並んで、冷却を設計・技術の共同最適化の対象に組み込んでいます。マイクロチャネルリッドが過渡的なアーキテクチャとして登場し、認定可能なTIM1インターフェースを維持しつつ、冷却剤をダイの近くに導いています。熱構造はメモリースタック内部へと移行しました。SKハイニックスのiHBMは、ダイ間物理層に統合された冷却要素を埋め込んでおり、既存のマスリフロー成形アンダーフィルプロセスとの互換性を維持しつつ、熱抵抗を30％以上低減すると主張しています。また、サムスンのHeat Path Blockも同様のホットスポットを対象としており、HBM5ベースダイは2nmプロセスへ移行しています。

材料面では、液体金属は、自由な塗布ではなく、封じ込め（ファイバーマトリックス、エラストマーに埋め込まれた液滴、ハイブリッドダム構造）を通じて製造可能な形態を見出しており、ポンプアウト、漏れ、およびアルミニウムとの適合性といった課題に対処しています。人工ダイヤモンドは、CMOS互換の低温成長およびボンディング対応表面により製造可能性が高まっていますが、結晶粒構造が依然として決定的な要因となっています。最高レベルの導電性を実現できるのは、微結晶および単結晶グレードのみです。サプライヤーの基盤は統合が進んでおり、要件がますます厳しくなるにつれて、高性能分野における認定対象範囲が狭まりつつあります。

『2027-2037年先進半導体パッケージ向け熱管理システムおよび材料の世界市場』は、先進パッケージがどれだけの電力を放散できるかを決定づける材料、ハードウェア、および冷却アーキテクチャに関する包括的な評価です。予測は2037年まで、2025年の米ドルを基準とした固定価格で行われており、熱界面材料、パッケージレベルの熱ハードウェア、パッケージ内およびシリコン直結冷却の3つの層ごとにモデル化されており、すべてのセグメントの数値は単一の整合性のある合計値に集約されています。

目次には以下の内容が含まれます：

• エグゼクティブサマリー-調査範囲、主な調査結果、および本版における変更点
• イントロダクション- 熱設計電力、HPCチップにおける先進パッケージング、熱的特性と利点、GPU向け平面ダイパッケージング領域の進化
• 2.5Dおよび3Dパッケージング技術-最新のパッケージング技術、相互接続、CoWoSおよび大判2.5D、パネルおよびガラスプラットフォーム、バンプ形成技術、マイクロバンプおよび銅-銅ハイブリッドボンディング、製造歩留まり、コスト分析、シリコン、有機、ガラスにおける基板の進化
• 電力管理- 電力供給システムおよびネットワーク、電源ノイズ、DVFS、電力およびクロックゲーティング、インターポーザーに統合された電圧レギュレータ、スイッチド・キャパシタ・コンバータ、磁気集積、パッケージ内電圧調整、デカップリングコンデンサ、低抵抗相互接続
• 新規熱材料- ダイアタッチ技術、3DパッケージにおけるTIM1、選定と最適化、カーボンナノチューブTIM、グラフェン、エアロゲル、メタマテリアル製ヒートスプレッダー、生物にヒントを得たアプローチ、高帯域幅メモリ向けのパッケージ内冷却、封じ込め型および複合型液体金属界面、人工ダイヤモンドおよび銅-ダイヤモンド複合材料、ウェーハレベルの熱スタック、アクティブ銅および先進的なダイアタッチ
• 液体冷却-ラックレベルの電力制限、チップレベルのアプローチ、ハイブリッドおよび熱電統合、熱回収と再利用、信頼性と冗長性、マイクロチャネルリッドおよびマイクロチャネル液体コールドプレート、シリコン統合型マイクロ流体およびダイレクト・トゥ・シリコン冷却、コパッケージド光学素子の熱管理
• 熱モデリングおよびシミュレーション-マルチフィジックス要件、AIを活用した設計最適化、リアルタイムモニタリングの統合
• 2037年までの世界市場予測- 範囲、定義および再提示；市場総規模；タイプ、材料選定、面積、売上高、パッケージアーキテクチャ、パッケージ内冷却技術、地域別のセグメンテーション；隣接するデータセンターの液体冷却市場；先進的な熱材料の進化；シナリオ分析；サプライヤー動向および業界再編
• 企業プロファイル-材料、ハードウェア、冷却分野にわたる61社のプロファイル。2D Generation、2D Photonics/CamGraphIC、3M、Accelsius、Akash Systems、Apheros、Arieca、Asia Vital Components（AVC）、Asperitas Immersed Computing、Auras Technology、Black Semiconductor、BNNano、Boston Materials、Boyd Corporation、Carbice、First Graphene、Carbon Waters、Cooler Master、CoolSem Technologies、Destination 2D、Dexerials、Diamond Quanta、Element Solutions/MacDermid Alpha Electronics Solutions、Engineered Fluids、Fabric8Labs、Fujitsu Laboratories、Global Graphene Group、Graphmatech、Green Revolution Cooling（GRC）、Henkel、Huntsman、Iceotope、Indium Corporation、Jentech Precision Industrial、JetCool Technologiesなど。

目次

第1章 エグゼクティブサマリー

第2章 イントロダクション

• 熱設計電力（TDP）
• HPCチップにおける先進的な半導体パッケージング技術
• GPUにおける2.5Dおよび3Dパッケージング
• GPU向け平面ダイパッケージング領域の進化
• 高出力先進パッケージの熱管理
• イントロダクション
• 最新の半導体パッケージング技術
• 高度な半導体パッケージング技術の最適化
• 相互接続技術
• 2.5Dパッケージ
• バンプ技術
• 製造歩留まり
• コスト分析
• 基板技術の進化（シリコン、有機材料、ガラス）
• 高度なパッケージにおけるアセンブリとテストの課題

第4章 電力管理

• イントロダクション
• 電力供給システム
• HPCチップのエコシステム
• 高度な電力供給ネットワーク（PDN）
• 電源ノイズ
• 動的電圧周波数スケーリング（DVFS）
• パワーゲーティング
• クロックゲーティング
• インターポーザに内蔵された電圧レギュレータ（IVR）
• スイッチドキャパシタ電圧変換器
• パッケージ基板への磁気集積
• AIを活用した動的電力管理
• 熱管理ランタイムループ
• パッケージ内電圧調整（OPVR）
• デカップリングコンデンサ（デキャップ）
• 低抵抗相互接続
• 課題

第5章 先進的な包装のための革新的な熱伝導材料とソリューション

• イントロダクション
• ダイアタッチ技術
• 3D半導体パッケージングにおけるTIM1
• 新興熱技術
• 熱モデリングとシミュレーション

第6章 液体冷却

• 概要
• 液体冷却技術
• ラックレベルの電力制限
• チップレベルの冷却方法
• 高度な冷却統合
• マイクロチャネル蓋およびマイクロチャネル液体冷却プレート
• シリコン集積型マイクロ流体デバイスとシリコン直接冷却
• 共パッケージ光学部品の熱管理
• 冷却技術の比較

第7章 世界市場予測

• 適用範囲、定義、および再記述
• 市場全体
• タイプ別
• TIM1およびTIM1.5材料の選定
• 地域別
• 収益別
• パッケージアーキテクチャ別
• パッケージ内冷却およびシリコン直接冷却
• 隣接市場：データセンター向け液冷システム
• 先進熱材料市場の進化
• 地理的な市場分布
• シナリオ
• サプライヤーの状況と統合

第8章 企業プロファイル（61社の企業プロファイル）

第9章 参考文献