熱抵抗とは

THEME 06 後工程・パッケージ · 実装と熱Thermal Resistance

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熱抵抗とは、2点間の温度差を、その2点間を流れる熱流量で割った値です。 値が大きいほど熱は伝わりにくく、小さいほどよく伝わることを表し、記号には $R_\mathrm{th}$ や $\theta$ （シータ）、単位には℃/W（K/W）を用います。

消費電力が分かっていれば、温度の差が計算で求まります。熱抵抗は、測れる温度から測りにくい温度を見積もる係数として働きます。

温度差は、オームの法則と同じ形のRth×Pで求まる

熱抵抗は電気抵抗とほぼ同じように考えられ、熱計算の基本式はオームの法則と同じように取り扱えます¹。電気の側には電流 $I$ （A）、電圧差 $\Delta V$ （V）、電気抵抗 $R$ （Ω）が並び、熱の側には熱流量 $P$ （W）、温度差 $\Delta T$ （℃）、熱抵抗 $R_\mathrm{th}$ （℃/W）が並びます。電位差を $R\times I$ で求めるのと同じ形で、温度差は $R_\mathrm{th}\times P$ で求まります。

電気で慣れた計算を、そのまま熱へ持ち込みます

放熱の経路は直列につながるため、各区間の熱抵抗を足した合計がチップと大気の温度差を左右します。

接合温度は直に測れないので、ケース温度と熱抵抗から推定する

この対応が役に立つのは、半導体の内側へ温度計の届く範囲が限られるためです。動作中の半導体デバイスで直に観測できる温度は、パッケージの樹脂表面や金属リードの表面で測るケース温度 $T_\mathrm{c}$ です²。接合温度 $T_\mathrm{j}$ はデバイスの内側にあるPN接合部（ジャンクション）の温度なので、熱電対の先が届く範囲の外にあります。

新電元工業は、データシート上の熱抵抗 $R_\mathrm{th}$ と電気的特性のカーブ、実測したケース温度 $T_\mathrm{c}$ 、オシロスコープで記録した動作波形を組み合わせて動作中の損失を求め、その損失から接合温度 $T_\mathrm{j}$ を擬似的に推定する手順を示しています。

熱の通り道は、区間ごとの熱抵抗の足し算になる

熱が伝わる形態は、伝導・対流・放射（輻射）の3つです³。伝導は熱エネルギーによる分子の運動が隣接する分子へ伝播していくこと、対流は空気や水などの流体による熱移動、放射は電磁波による熱エネルギーの放出です。

プリント基板に実装したICでは、発熱源はICのチップです。その熱はパッケージやリードフレーム、ダイアタッチパッド、そしてプリント基板へと伝導し、基板やパッケージの表面から対流と放射によって大気へ抜けます。表面実装した場合のメインの放熱経路は、チップからダイボンドを介して裏面露出フレームへ伝導し、プリント基板ランド上のはんだを介して基板へ伝導し、そこから対流と放射で大気へ抜ける道筋です。ほかに、チップからボンディングワイヤを通じてリードフレームへ伝わる経路と、チップからパッケージを通じて抜ける経路があります。

ロームは、熱設計とはチップから大気へ至る放熱経路の熱抵抗を下げていく作業で、それによって接合温度 $T_\mathrm{J}$ が低下し、信頼性が向上するとしています。

同じICでも、載せる基板の条件で熱抵抗が動く

$\theta_\mathrm{JA}$ はジャンクションと周囲環境の間の熱抵抗、 $\Psi_\mathrm{JT}$ はデバイス全体の消費電力に対して、ジャンクションとパッケージ上面中心との間にどれだけ温度差が付くかを表す熱特性パラメータです⁴。いずれもJEDEC規格JESD51によるもので、 $\theta_\mathrm{JA}$ は形の異なるパッケージどうしで放熱性能を比べる用途、 $\Psi_\mathrm{JT}$ は実際の放熱環境で接合温度を推し量る用途に使います。

ロームが例に取る500mA出力のLDOリニアレギュレータのデータシートでは、2種類のパッケージそれぞれについて、1層基板に実装した場合と4層基板に実装した場合の2条件で熱抵抗が示されます⁵。1層基板はJESD51-3準拠、4層基板はJESD51-5および51-7準拠の基板です。ロームは、熱抵抗がICのパッケージと実装する基板の条件の両方で決まり、基板側の影響が大きいとしたうえで、提示された熱抵抗の条件が伏せられている場合には必ず条件を調べる必要があるとしています。裏面放熱フィン付きの8ピンSOPタイプでは、放熱用の銅箔面積が15.7mm²から1200mm²までの範囲で $\theta_\mathrm{JA}$ と $\Psi_\mathrm{JT}$ が動きます。

同じパッケージでも、載せる基板で値は動きます

放熱用の銅箔面積が広がるほどθJAが下がり、やがて下がり方がゆるみます。

見積もりが上限を超えたら、銅箔面積かパッケージでθJAを下げる

ロームの計算例は⁶、 $T_\mathrm{JMAX}$ が＋150℃のLDOリニアレギュレータBD450M2EFJ-Cを題材に、基板に実装した状態を想定してグラフから $\theta_\mathrm{JA}$ を48℃/Wとし、周囲温度 $T_\mathrm{A}$ を85℃と想定して接合温度 $T_\mathrm{J}$ を計算し、許容内の使用条件だと判断します。

上限を超える見積もりになった場合の手立ては、消費電力 $P$ を減らす、周囲温度 $T_\mathrm{A}$ を下げる、熱抵抗 $\theta_\mathrm{JA}$ を下げる、の3つです。入出力電圧や出力電流といった電気的仕様は必要条件なので一般に変更が難しく、 $T_\mathrm{A}$ も機器の動作仕様として設定されている場合は動かしにくいため、 $\theta_\mathrm{JA}$ を下げる方法として、実装基板の銅箔面積を広げることと、複数種のパッケージが用意されている製品では $\theta_\mathrm{JA}$ のより小さいものを選ぶことが挙がります。ロームは、いずれも基板レイアウトの変更をともなうため、設計の段階で十分な見積もりをしておくことが大切だとしています。

ICの消費電力が1W、最大周囲温度 $T_\mathrm{A}(\mathrm{HT})$ が85℃、許容する $T_\mathrm{J}$ の最大値が140℃という条件では、 $\theta_\mathrm{JA}$ を55℃/Wとするために500mm²以上の銅箔面積が要ります⁷。発熱するICが近接して実装されると相互に発熱が干渉して温度上昇を招くため、ロームは、ICの端から基板面に対する45°の直線どうしが干渉を避けられる間隔を最低限とする考え方を示しています。

よくある質問（FAQ）

熱抵抗とは何ですか？

2点間の温度差を、その2点間を流れる熱流量で割った値です。値が大きいほど熱は伝わりにくく、小さいほどよく伝わることを表し、記号にはRthやθ（シータ）、単位には℃/W（K/W）を用います。

なぜ電気の抵抗にたとえるのですか？

計算の形がそろうためです。熱計算の基本式はオームの法則と同じように取り扱え、電流Iに熱流量P、電圧差ΔVに温度差ΔT、電気抵抗Rに熱抵抗Rthが対応します。電位差をR×Iで求めるのと同じ形で、温度差はRth×Pで求まります。

熱抵抗から何を計算しますか？

半導体チップの中の温度です。動作中の半導体デバイスで直に観測できる温度は、パッケージの樹脂表面や金属リードの表面で測るケース温度Tcです。接合温度Tjはデバイスの内側にあるPN接合部の温度で熱電対の先が届かないため、熱抵抗は測れる温度から測りにくい温度を見積もる係数として働きます。

θJAとΨJTは何が違いますか？

測る2点が違います。θJAはジャンクションと周囲環境の間の熱抵抗、ΨJTはジャンクションとパッケージ上面中心の間の熱特性パラメータで、いずれもJEDEC規格JESD51によるものです。θJAは形状が異なるパッケージ間で放熱性能を比べる用途、ΨJTは実際の放熱環境での接合温度の推定に使います。

同じICなら熱抵抗はいつも同じ値ですか？

実装する基板の条件で動きます。熱抵抗には実装する基板の条件が大きく影響し、ロームのデータシートの例では1層基板と4層基板の2条件で値を示しています。放熱用の銅箔面積が15.7mm²から1200mm²までの範囲で、θJAは動きます。

熱抵抗はどう使って設計しますか？

接合温度の見積もりに使います。ロームの計算例では、同社のLDOリニアレギュレータについてグラフからθJAを48℃/Wとし、周囲温度85℃を想定して接合温度を計算し、このICの上限である150℃の内側に収まると判断します。

見積もりが上限を超えたらどうしますか？

消費電力を減らす、周囲温度を下げる、熱抵抗θJAを下げる、の3つです。入出力電圧や出力電流といった電気的仕様は必要条件なので一般に変更が難しく、θJAを下げる手として、実装基板の銅箔面積を広げる方法や、θJAのより小さいパッケージを選ぶ方法があります。

比較・違いを学ぶ

ヒートシンクとは── 熱抵抗のうち、放熱器から空気までの区間を受け持つ部品
熱バジェット（熱予算）とは── こちらは製造中に与える熱の総量で、動作中の温度を測る熱抵抗とは別の量

出典

7件を表示

1
ローム TechWeb：熱抵抗と放熱の基本（熱抵抗とは）techweb.rohm.co.jp ↩
2
新電元工業：パワーMOSFETの損失と発熱計算手法（2024年12月）shindengen.co.jp ↩
3
ローム TechWeb：熱抵抗と放熱の基本（伝熱と放熱経路）techweb.rohm.co.jp ↩
4
ローム TechWeb：熱抵抗データ（熱抵抗と熱特性パラメータの意味）techweb.rohm.co.jp ↩
5
ローム TechWeb：熱抵抗データ（実際のデータ例）techweb.rohm.co.jp ↩
6
ローム TechWeb：TJの見積もり（θJAを使った計算例）techweb.rohm.co.jp ↩
7
ローム TechWeb：表面実装における放熱面積の見積もりと注意点techweb.rohm.co.jp ↩