第１回：ヒートシンクはなぜ必要？

著者：深川 栄生（Fukagawa Shigeo）

はじめに

電子機器の小型化や高性能化にともない、「熱設計」の重要性がますます高まっています。熱設計とは、「半導体素子などの電子部品から発生した熱を効率よく逃がし、安全な温度で動作するように設計すること」です。熱設計で重要な役割を果たすのが、「ヒートシンク」です。今回は、次の3つの疑問を順番に解決しながら、ヒートシンクが必要な理由をわかりやすく解説します。

1. なぜ半導体素子の温度は上がるのか？
2. なぜ半導体素子の温度を下げなければならないのか？
3. なぜヒートシンクを取り付けると温度が下がるのか？

難しい数式を使わずに、熱設計の基本を学んでいきましょう。

第１章 なぜ半導体素子の温度は上がるのか？

半導体素子に電流を流すと、電気エネルギーの一部が熱エネルギーに変わります。この熱に変わるエネルギーを「損失」と呼びます。損失によって熱が発生し、半導体素子の温度が上がります。半導体素子で発生する代表的な損失には、「導通損失」と「スイッチング損失」の２つがあります。

(1) 導通損失

半導体素子に電流が流れている状態を「オン状態」といいます。オン状態の半導体素子には、「オン抵抗」と呼ばれる非常に小さな抵抗があります。この抵抗に電流が流れると熱が発生します。このときに発生する損失を「導通損失」といいます。

(2) スイッチング損失

半導体素子は、電流を流すオン状態と流さないオフ状態を、高速で切り替えて使用されることがよくあります。このオンとオフを切り替える動作を「スイッチング」といいます。スイッチングは瞬時に行われるわけではなく、切り替えにはわずかな時間がかかります。切り替えている間、半導体素子には電圧がかかると同時に電流も流れるため、損失が発生するのです。このときに発生する損失を「スイッチング損失」といいます。

1-1 発熱は避けられない物理現象

このように、半導体素子に電流を流すと、必ず損失が発生します。損失は熱となり、半導体素子の温度を上げます。半導体が持つ物理的な性質上、損失を完全にゼロにすることはできません。

1-2 発熱密度が高いほど温度は上がる

半導体素子の温度が上がるもう一つの理由が「発熱密度」です。

第２章 なぜ半導体素子の温度を下げなければならないのか？

2-1 最大ジャンクション温度とは

半導体メーカーは、製品ごとに「最大ジャンクション温度」を定めています。ジャンクション温度とは、「半導体チップ内部で最も温度が高くなる場所の温度」のことです。

一般的な最大ジャンクション温度は、

• 125℃
• 150℃
• 175℃

などに設定されています。この温度を超えてしまうと、半導体本来の性能や信頼性を保証できなくなります。

2-2 最大ジャンクション温度未満でも安心できない

半導体素子は、最大ジャンクション温度を超えない限り、すぐに故障することはありません。しかし、最大ジャンクション温度を超えていなくても、半導体素子の温度が高くなるほど、次のような問題が生じやすくなります。

• 性能が落ちる
• 寿命が短くなる
• 故障しやすくなる

それぞれについて解説します。

2-2-2 寿命が短くなる

半導体素子に限らず、多くの電子部品は、温度が高くなるほど寿命が短くなります。

これは、部品を構成する材料の劣化や化学反応が、高温になるほど速く進むためです。熱設計の分野では、「温度が10℃上がると寿命が約半分になる」という経験則がよく使われます。すべての部品に当てはまるわけではありませんが、温度が高いほど部品の劣化が速く進むことを示す目安として広く知られています。

2-2-3 故障しやすくなる

半導体素子が高温状態で長時間使われたり、温度の上昇と下降を何度も繰り返したりすると、少しずつダメージが蓄積されます。その結果、次のような劣化や不具合が発生しやすくなります。

• ワイヤボンド（半導体素子内部の細い配線）の劣化や断線
• はんだクラック（はんだに発生するひび割れ）
• 樹脂の劣化
• 基板の反りや変形

このような劣化や不具合の積み重ねが、電子機器の故障につながります。

さらに注意しなければならないのが「熱暴走」です。

熱暴走とは、「温度が上がることで損失が増え、その損失によって発生する熱でさらに温度が上がるという悪循環が続く現象」のことです。この状態が続くと、最悪の場合、半導体素子が壊れてしまいます。

2-3 温度を下げることで信頼性を高める

電子機器には…

• 壊れにくいこと
• 長期間安定して動作すること

…が求められます。

そのためには、半導体素子の温度を適切に下げることが重要になります。温度を下げることで…

• 安定して動作する
• 寿命が長くなる
• 故障しにくくなる

…といった効果が得られ、電子機器全体の信頼性を高めることができます。半導体素子の温度を下げるには、発生した熱を効率よく逃がすことが重要です。その役割を担うのが「ヒートシンク」です。では、ヒートシンクはどのような仕組みで半導体素子の温度を下げているのでしょうか。

次の章で詳しく解説します。

第３章 なぜヒートシンクを取り付けると温度が下がるのか？

3-1 ヒートシンクの役割

ヒートシンクは、半導体素子などの電子部品で発生した熱を効率よく周囲へ逃がし、温度を下げるための部品です。では、なぜヒートシンクを取り付けると、半導体素子の温度が下がるのでしょうか。その理由を、ヒートシンクの「材質」と「形状」に注目して見ていきましょう。

3-2 ヒートシンクの材質

こんな疑問がわきませんか？

「発熱している半導体素子に何かを取り付けたら、熱の逃げ道をふさいでしまい、かえって温度が上がるのでは？」

熱伝導率を比較してみましょう。

• 静止した空気：約0.026 W/(m·K)
• アルミニウム：約240 W/(m·K)

アルミニウムは、静止した空気の約1万倍も熱を伝えやすいことがわかります。つまり、羽毛の間に閉じ込められた空気は熱を伝えにくいため、体の熱がダウンジャケットの内側にこもって暑く感じるのです。

一方、ヒートシンクには、熱を伝えやすい材質が使われているため、半導体素子から受け取った熱がヒートシンク全体に伝わりやすくなります。その熱をヒートシンクの表面から周囲の空気へ逃がすことで、半導体素子の温度が下がります。

さらに、熱を逃がしやすくするには、ヒートシンクの形状も重要です。

まとめ

今回は、「ヒートシンクはなぜ必要なのか」について解説しました。ポイントを振り返ってみましょう。

• 半導体素子では、電気エネルギーの一部が熱エネルギーに変わります。
• 温度が高くなると、性能の低下や寿命の短縮、さらには故障の原因になります。
• ヒートシンクは、半導体素子で発生した熱を効率よく周囲へ逃がし、温度を下げるための部品です。
• ヒートシンクを取り付けることで、半導体素子の温度上昇を抑え、電子機器の信頼性を高めることができます。

次回は、「熱の伝わり方（基礎編）」について解説します。

引き続き、ヒートシンクを使った熱設計の基本を学んでいきましょう。

ヒートシンクの選定や熱設計でお困りでしたら、お気軽にご相談ください。