熱抵抗とは？｜「熱のオームの法則」で完全理解する熱設計の核心

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熱設計の本を開くと、必ず最初に出てくるのが「熱抵抗」という言葉。式や記号が並んでいて、いきなり挫折する方も多いのではないでしょうか。

でも、安心してください。熱抵抗は、電気のオームの法則とまったく同じです。中学校で習った「V = I × R」を覚えていれば、熱抵抗の世界は一瞬で理解できます。

この記事を読み終える頃には、データシートの「Rth(j-c)」を見ても焦らず、ジャンクション温度を電卓で計算できるようになります。

熱抵抗とは？｜「熱の流れにくさ」を数値化したもの

熱抵抗を一言で説明すると、「熱がどれだけ流れにくいか」を数値化したものです。

電気抵抗が大きいと電流が流れにくいですよね。それと同じで、熱抵抗が大きいと熱が流れにくくなり、結果として温度が上がります。

単位「℃/W」の意味を読み解く

熱抵抗の単位「℃/W」を見て「なんだこれ？」と感じる方は多いはず。でも実はとてもシンプルな意味です。

電気のオームの法則と完全に同じ｜熱の世界の住人になる

ここからが本記事の核心です。熱の世界は、電気の世界と完全にパラレル（並行）しています。電気の用語を「熱の用語」に置き換えるだけで、すべてが理解できます。

対応関係の早見表

電気の世界	熱の世界	意味
電圧 V [V]	温度差 ΔT [℃]	流れを押し出す力
電流 I [A]	熱流 P [W]	流れる量
電気抵抗 R [Ω]	熱抵抗 Rth [℃/W]	流れにくさ
V = I × R	ΔT = P × Rth	基本式（オームの法則）

「水道管」でイメージしてみる

電気のオームの法則を水道管でイメージするとわかりやすいですよね。熱も同じです。

水道管のたとえ	電気	熱
水圧の差	電圧 V	温度差 ΔT
流れる水の量	電流 I	熱流 P
パイプの細さ	電気抵抗 R	熱抵抗 Rth

ジャンクション温度を計算してみる｜実例で理解

パワー半導体の熱設計で最も大事な計算は、「ジャンクション温度Tj」を求めることです。これが許容温度（通常125〜175℃）を超えないかチェックするのが熱設計のゴールです。

熱の流れる経路（直列回路）

パワー半導体から外気までの熱の経路は、こうなっています。

それぞれの間に「熱抵抗」が存在します。これは電気抵抗の直列回路とまったく同じです。

ジャンクション温度の計算式

実際に計算してみる｜MOSFETのジャンクション温度

具体的な数値を入れて計算してみましょう。前回の記事で計算した発熱量「6W」のMOSFETを例にします。

条件を整理

発熱量 P	6 W
外気温 Ta	40 ℃（夏場の機器内温度）
Rth(j-c)	1.0 ℃/W（データシート）
Rth(c-s)	0.5 ℃/W（TIM経由）
Rth(s-a)	8.0 ℃/W（小型ヒートシンク）

計算してみる

ジャンクション温度は97℃。許容温度125℃に対して28℃の余裕があるので、この設計はOKです。

もし発熱が10Wだったら？

熱抵抗の直列・並列｜電気と完全に同じ

熱抵抗も電気抵抗と同じく、「直列なら足し算」「並列なら逆数の和」のルールが完全に当てはまります。

直列接続｜熱が一本道で流れる場合

先ほどの「ジャンクション → ケース → ヒートシンク → 外気」のように、熱が一本道で流れる場合は足し算です。

並列接続｜熱が複数経路で流れる場合

たとえば「ヒートシンクへも基板へも熱が逃げる」ような場合、複数の経路が並列になっています。並列の場合は逆数の和の逆数になります。

並列の威力｜放熱経路を増やすと熱抵抗が下がる

たとえばヒートシンクの熱抵抗が10℃/W、基板への熱抵抗が15℃/Wだとすると、両方使えば合計は…

1経路だけのときの10℃/Wが、2経路使うことで6℃/Wまで下がりました。これが並列の威力です。

データシートの熱抵抗を読み解く

パワー半導体のデータシートには、必ず熱抵抗が記載されています。よく出てくる3つの記号を覚えておきましょう。

記号	読み方	意味
Rth(j-c)	ジャンクション〜ケース	素子内部の熱抵抗（部品固有値）
Rth(j-a)	ジャンクション〜周囲	ヒートシンクなしの場合の合計熱抵抗
Rth(c-s)	ケース〜ヒートシンク	取付面の熱抵抗（TIM・絶縁材）

TIM（サーマルインターフェイスマテリアル）の重要性

ケースとヒートシンクの間には、必ずTIM（熱伝導グリス・放熱シートなど）を入れます。何も入れないと、表面の微小な凹凸で空気層ができて熱抵抗が跳ね上がるからです。

材料	熱伝導率の目安	特徴
空気	0.025 W/m·K	論外（断熱材レベル）
熱伝導グリス	1〜10 W/m·K	薄く塗れる、低コスト
放熱シート	1〜5 W/m·K	絶縁性あり、組立容易
液体金属	50〜80 W/m·K	最高性能、扱いに注意

熱抵抗の単位「℃/W」の読み方と、数字の感覚

「℃/W」は、1Wの熱を流すと、何℃の温度差ができるかを表す単位です。「km/h」が1時間あたりの距離を表すのと同じ「〜あたり」の単位で、数字が小さいほど熱がよく流れる（冷えやすい）ことを表します。

熱抵抗	1Wで上がる温度	10Wで上がる温度	感覚
1 ℃/W	1℃	10℃	よく冷える（大きなヒートシンク＋風など）
5 ℃/W	5℃	50℃	ふつう。発熱が増えると苦しい
20 ℃/W	20℃	200℃	数Wでも厳しい
60 ℃/W 前後	60℃前後	（成り立たない）	ヒートシンクなしの小さなパッケージのRth(j-a)はこの桁

同じヒートシンクでも、発熱が2倍になれば温度上昇も2倍です。逆に、必要な熱抵抗は Rth(必要) ＝ 許してよい温度上昇 ÷ 発熱 で出せます。たとえば周囲40℃でTjを100℃以下にしたく、発熱が10Wなら、(100−40)÷10 ＝ 6 ℃/W以下が必要です（実際は、Rth(j-c)・Rth(c-s)の分を差し引いた残りが、ヒートシンクに許される熱抵抗になります）。

途中の温度（Ts・Tc）も同じ式で出せる

直列の熱回路では、電気の回路で途中の点の電位を求めるのと同じように、周囲の温度Taから順に足していくと途中の温度がわかります。

熱抵抗でやりがちな3つの誤解

誤解①：データシートの値をそのまま使う

データシートのRth(j-c)は「理想的な実装条件」での値です。実装方法・基板設計・温度条件によって、実際の値は1.2〜2倍に増えることがあります。マージンを20〜30%取るのが鉄則です。

誤解②：TIMは厚く塗ったほうが良い

逆です。TIMは薄ければ薄いほど良い。グリスの熱伝導率は金属の100分の1以下なので、厚く塗ると逆に熱抵抗が増えます。「凹凸を埋める最小限の量」が正解です。

誤解③：周囲温度は試験室の25℃で考える

熱抵抗の計算における「外気温Ta」は、機器筐体内の最悪温度です。試験室は25℃でも、夏場のエンジンルームや密閉筐体内では60〜85℃にもなります。「製品が使われる環境の最悪温度」で計算してください。

まとめ｜熱抵抗をマスターすれば熱設計は8割終わる

熱抵抗の概念を掴めば、データシートを読むのが怖くなくなります。「ΔT = P × Rth」──このたった1つの式で、ジャンクション温度から放熱設計の評価まで、すべてが計算できます。

電気のオームの法則がそのまま使える、というのは設計者にとって最大のラッキーです。新しい数式を覚える必要はなく、頭の中の電気回路の知識をそのまま熱の世界に持ち込むだけ。次の設計レビューで「ジャンクション温度は？」と聞かれたら、自信を持って即答してください。