熱設計の全体像｜「発熱→伝熱→放熱」の3ステップで考える完全マップ

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「熱設計」と聞くと、複雑な数式と専門用語の山に思えて、最初の一歩が踏み出せない方は多いのではないでしょうか。

でも、実は熱設計の本質はとてもシンプルです。「熱がどこで生まれて、どう伝わって、どこへ逃げるか」──この3ステップを順番に追いかけるだけ。

この記事では、熱設計の全体マップを「発熱→伝熱→放熱」という3ステップで整理し、それぞれのステップで「何を決めるか」を初心者向けに図解します。読み終わる頃には、設計レビューで「熱大丈夫？」と聞かれても、慌てずに答えられる土台が手に入ります。

そもそも、なぜ熱設計が必要なのか？

結論から言います。電子部品は「熱」で壊れるからです。

パワーMOSFETもIGBTも電解コンデンサも、すべての電子部品には「使える温度の上限」があります。これを超えた瞬間、部品は壊れるか、寿命が一気に縮まります。

熱設計の目的はただ一つ。「すべての部品を、許容温度以下に保つこと」です。そのために、熱の流れを設計段階でコントロールする必要があります。

温度が上がると半導体に何が起きるか｜壊れる3段階

パワー半導体の温度でいちばん大事なのは、チップの接合部の温度ジャンクション温度Tjです。ケースやヒートシンクよりも必ず高く、データシートには上限Tj(max)が書かれています（Si（シリコン）の素子では150℃〜175℃の品が多く見られます）。Tjが上がると、ダメージは次の3段階で進みます。温度の区切りは、Siの素子を例にした目安です。

熱でパワー半導体が壊れる代表的な故障モード

量産後の不具合を調べるときに、熱が原因かどうかを見分ける手がかりになります。

故障モード	起きる仕組み	おもな対策
はんだクラック	温度が上がり下がりするたびに、材料の熱膨張のちがいで接合部に力がかかり、疲労で割れる	温度の振れ幅を小さくする。接合部の材料や形を見直す
ボンディングワイヤのはがれ・断線	通電のON・OFFでチップの温度が上下し（パワーサイクル）、ワイヤの接合部に疲労がたまる	Tjの振れ幅を小さくする。放熱を強くする
エレクトロマイグレーション	大きな電流密度と高い温度で、配線の金属原子が電子の流れに押されて動き、細って切れる	電流密度と温度を下げる
ゲート酸化膜の劣化	高い温度と電圧がかかり続け、薄い絶縁膜が時間とともに劣化して壊れる	Tjとゲート電圧を定格の内側で使う
熱暴走	温度が上がる→損失が増える→さらに温度が上がる、のくり返しで一気に壊れる	温度に余裕をもたせる。過電流・過熱の保護を入れる

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熱設計の全体像｜「発熱→伝熱→放熱」の3ステップ

熱設計は、次の3つのステップに分解できます。この順番でしか考えられません。逆順では成立しないのです。

たとえるなら、家のお風呂です。

熱設計	お風呂のたとえ	考えること
① 発熱	蛇口からお湯が出る	どれだけお湯（熱）が出るか
② 伝熱	お湯が浴槽に流れていく	途中の配管はどれくらい太いか
③ 放熱	浴槽から排水される	排水口の大きさは十分か

STEP1：発熱｜「どこで何W熱が出るか」を把握する

熱設計の最初のステップは、「どの部品が、何W発熱するか」を見積もることです。これが間違っていると、その先の計算がすべて崩れます。

発熱量はどう計算する？

電子回路の発熱は、ほぼすべて「損失（ロス）」から生まれます。電気エネルギーが熱エネルギーに変わるのです。

STEP2：伝熱｜熱が伝わる「3つの方法」を理解する

発熱量がわかったら、次は「その熱がどう伝わるか」を考えます。熱の伝わり方は、世界に3種類しかありません。

電子機器の熱はどう動く？

熱抵抗｜熱の世界の「オームの法則」

伝熱の計算で必ず出てくるのが「熱抵抗」という概念です。これがわかれば、熱設計の8割は終わったようなものです。

熱抵抗は、電気のオームの法則とまったく同じ形をしています。

電気の世界	熱の世界
電圧 V [V]	温度差 ΔT [℃]
電流 I [A]	熱流 P [W]
電気抵抗 R [Ω]	熱抵抗 Rth [℃/W]
V = I × R	ΔT = P × Rth

たとえば、発熱10Wの部品が熱抵抗5℃/Wの経路でつながっていれば、温度差は10W × 5℃/W = 50℃になります。周囲温度が25℃なら、部品の温度は75℃です。

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STEP3：放熱｜熱を「外気へ捨てる」最終工程

最後のステップは「熱を外気へ逃がす」こと。ここで詰まれば、いくら発熱を減らしても部品は熱くなります。

放熱の主役は「ヒートシンク」と「空気の流れ」

放熱性能を決める3つの要素

熱設計の実務フロー｜実際にどう進めるか

ここまでの3ステップを、実務の流れに落とし込むとこうなります。

熱設計でやりがちな失敗パターン3選

失敗①：周囲温度を「室温25℃」で計算してしまう

試験室は25℃でも、製品が使われる現場は違います。エンジンルームは85℃以上、屋外設置の制御盤は60℃を超えることもザラ。「最悪条件」で計算しないと、夏場に大量クレームになります。

失敗②：基板の放熱を過大評価する

「FR-4基板でも銅箔があれば放熱できる」と思いがちですが、FR-4の熱伝導率は約0.3 W/m·K。アルミ（約230 W/m·K）の1000分の1以下です。基板だけで放熱しようとすると、ほぼ確実に温度が上がりすぎます。

失敗③：シミュレーションだけを信じる

熱シミュレーションは強力ですが、入力する材料物性値や境界条件で結果が大きく変わります。必ず実機で熱電対やサーモグラフィで実測し、シミュレーションとの差を検証するのが鉄則です。

熱設計を学ぶための学習ロードマップ

熱設計を体系的に学びたい方は、次の順番で進めるのがおすすめです。

まとめ｜熱設計は「3ステップ」で考える

熱設計は一見難しそうに見えますが、「発熱→伝熱→放熱」の3ステップで整理すれば、誰でも全体像をつかめます。あとは各ステップを掘り下げていくだけ。次回の設計レビューで「熱大丈夫？」と聞かれたら、自信を持って答えられるはずです。