Rth(j-c)・Rth(c-s)・Rth(s-a)の違い｜どこからどこまでの熱抵抗か

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前回の記事で、熱回路モデルが「Tj→Tc→Ts→Taの直列回路」として表せることを学びました。3つの熱抵抗が直列に並ぶ構造です。しかし、この3つの熱抵抗——Rth(j-c)、Rth(c-s)、Rth(s-a)——は、それぞれ性質も、決まり方も、責任の所在も全く違います。

この記事を読み終えると、客先監査で「ここの熱抵抗は誰が保証しているんですか？」と聞かれても、堂々と答えられるようになります。結論を先に言います。Rth(j-c)は部品メーカーの責任、Rth(c-s)は組立工程の責任、Rth(s-a)は放熱設計の責任です。

3つの熱抵抗の全体像｜どこからどこまでなのか

まず、3つの熱抵抗が「半導体のどの区間を担当しているか」を明確にしましょう。熱はチップ(Tj)から空気(Ta)へ流れていきますが、その途中には3つの「区間」があります。

Rth(j-c)はジャンクション（チップ）からケース（パッケージ表面）までの熱抵抗です。半導体チップで発生した熱が、パッケージの裏側まで伝わる過程の「流れにくさ」を表します。

Rth(j-c)はパッケージの構造そのもので決まります。チップサイズ、ボンディングワイヤ、リードフレーム（あるいは銅板）、モールド樹脂——これらの熱を伝える経路が、Rth(j-c)の値を決定します。

Rth(j-c)は部品メーカー（半導体メーカー）の責任範囲です。パッケージを開けて中身を変えることは、ユーザー側ではできません。データシートに記載された値を信頼して使うしかなく、変更したければ「もっと熱抵抗の小さいパッケージの部品を選ぶ」しかありません。

Rth(c-s)はケース（パッケージ表面）からヒートシンクまでの熱抵抗です。3つの熱抵抗の中で最も「人為的なミス」が出やすく、熱トラブルの最大の原因になりやすい場所です。

パッケージの裏面とヒートシンクの表面は、見た目は平らに見えてもミクロのレベルでは凸凹しています。そのまま重ねただけでは、実際に接触している面積はわずかしかなく、間に空気の層ができてしまいます。空気は熱を通しにくい絶縁体なので、ここで熱の流れが止まってしまうのです。

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Rth(c-s)は組立工程（製造ライン）の責任範囲です。同じ部品・同じヒートシンクを使っても、「グリスの塗り方」「ネジの締めつけトルク」が違うだけで熱抵抗が2倍以上変わることもあります。品質保証の観点では、ここを管理しないと熱トラブルは防げません。

Rth(s-a)はヒートシンクから周囲の空気までの熱抵抗です。3つの熱抵抗の中で最も大きな値になることが多く、ここで失敗すると一気に熱設計が破綻します。

Rth(s-a)は放熱設計（電気設計／機構設計）の責任範囲です。「どんなヒートシンクを選ぶか」「ファンを付けるか」「どこに配置するか」——これらは設計段階で決まります。

熱トラブルが発生したとき、最も重要なのは「どの熱抵抗が原因か」を切り分けることです。原因区間が特定できれば、対策する部署も自ずと決まります。

半導体のデータシートには、通常2つの熱抵抗が記載されています。混同しないよう、しっかり区別しましょう。

記号	意味	使い方
Rth(j-c)	チップ〜ケースの熱抵抗	ヒートシンク使用時。Rth(c-s)とRth(s-a)を別途加算する
Rth(j-a)	チップ〜空気の熱抵抗	ヒートシンクなし（基板のみ）。これ単体でTjを計算可能

忘れがちですが、Rth(c-s)は半導体のデータシートには載っていません。なぜなら、これは「使う側」が決める値だからです。サーマルグリスのデータシート、サーマルシートのデータシート、あるいは過去の社内データから値を引っ張ってきます。