CL-L251 Th P790 0710 R1(0411) J

放熱設計
CL - L251 Series
LEDの性能を最大限に発揮させる上で、必須要件となっているのが放熱設計です。
適切な放熱設計をしていただくために、本書では製品の詳細な放熱構造と照明機器などの
熱設計時に必要と思われる資料を参考として提供します。
CONTENTS
1.
はじめに
P.2
2.
パッケージ構造と熱抵抗
P.2
3.
パッケージ外の熱設計
P.3
4-1. シミュレーション(CL - L251- C4)
P.4
4-2. シミュレーション(CL - L251- C6)
P.5
シチズン電子株式会社
〒403-0001 山梨県富士吉田市上暮地1-23-1
TEL 0555-23-4121 http://ce.citizen.co.jp
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Ref.CE-P790 07/10 R1(0411)
放熱設計
CL - L251 Series
LEDが発した熱を効率的に伝導できる、
放熱構造となっています。
1.
はじめに
放熱構造の重要性について
LEDの発光素子は投入電力に応じた光と熱を発します。し
郭部の特定部位の温度(ケース温度)
:Tc[℃]を測定し、
ジャン
かしLEDパッケージでの表面積は非常に小さく、パッケージレ
クションとケース間の熱抵抗:Rj-c[℃/W]及び、発熱量㲈投入
ベルでの大気中への熱放射はほとんど期待できません。その
電力:Pd[W]を用いてTj[℃]を計算します。
ため、ヒートシンクなどの外部放熱器が必要となり、その放熱
CL-L251シリーズのパッケージは、熱抵抗:Rj-cを最小限
器との接続部位までは、主に熱伝導を利用した放熱構造とな
に抑える構造により、発光素子で発生した熱を効率的に外部
ります。
放熱器まで伝導させることが可能です。
LEDパッケージでは、発光素子のジャンクション温度:Tjの
本書では、CL-L251シリーズの詳細な放熱構造を示すとと
管理が大変重要で、いかなる条件下においても仕様書の絶対
もに、照明機器などの熱設計時に必要な資料を提供する事で
最大定格値以下にする必要があります。
しかしながら、Tjを直
LEDの持つ性能を最大限に活かしていただく事を目的として
接的に測定することは困難であるため、通常はパッケージ外
います。
2.
パッケージ構造と熱抵抗
ジャンクション温度把握のために
CL-L251シリーズのパッケージを外部ヒートシンクに接続
伝わります。
ここで、発光素子のジャンクション部からパッケー
した場合の断面構造例を図1(a)に示します。パッケージは、ア
ジ外郭部のアルミニウム基板面までの熱抵抗がRj-cとなり、
ルミニウム基板と絶縁層ならびに通電用銅箔パターンの積層
パッケージ固有の熱抵抗値となります。
構造になっています。
従って、以下の式が成り立ちます。
ここで特徴的なのは、発光素子は熱伝導率の低い絶縁層上
Tj = Rj-c・Pd + Tc
ではなく熱伝導率の高いアルミニウム基板に直接マウントされ
ていることです。
これにより、発光素子で発生した熱を効率よく
さらにパッケ ージ 外 部 のグリース( 接 着 剤 )の 熱 抵 抗 は
パッケージ外部へ伝導することが可能となります。
Rb[℃/W]、ヒートシンクの熱抵抗はRh[℃/W]、周囲環境温
パッケージ外郭部のアルミニウム基板面は、放熱性のグリー
度はTa[℃]となります。
ス
(または接着剤)
を介してヒートシンクに熱的に接続されます。
図1(b)は図1(a)の断面図に沿っ
前述したように、発光素子のジャンクション部で発生する熱は
た等価熱抵抗を示しています。
このよ
主に熱伝導を利用し、発光素子→素子マウント用接着剤→ア
うに、ジャンクション温度:Tjと周囲
ルミニウム基板→グリース(接着剤)を介して、ヒートシンク
ヒートシンクに
環 境 温 度:Taの間に、熱 抵 抗 R j - c 、
Tj
■図1(a)Cross Section
Rb、Rhが直列に接続されることとな
Rj-c
ります。ここで、パッケージ外の熱抵
Tc
抗であるRbとRhをまとめて熱抵抗
Rb
Cross-section diagram
LED die
Aluminum
Bond
Tj
Rj-c
Rc-aとすることもできます。
Tc
■図1(b)Thermal Resistance
Connection
Rj-c
Tc
Rc-a
Rh
つまり、以下の式も成り立ちます。
Rb
Ta
Heat Sink
Tj
Rh
Ta
Tj = ( Rj-c + Rc-a )・Pd + Ta
Ta
2
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放熱設計
CL - L251 Series
パッケージ外熱抵抗と周囲環境温度の相関を
外部放熱機構を設計する上での参考としてお役立て下さい。
3.
パッケージ外の熱設計
外部放熱機構のポイントについて
放熱用グリース
(接着剤)
とヒートシンクを合わせたパッケー
度:Taとパッケージ外熱抵抗:Rc-aの関係を駆動電流別に表
ジ外熱抵抗:Rc-a[℃/W]は、投入電力:Pd[W]、および周囲
したグラフです。
環境温度:Ta[℃]、ならびにパッケージ熱抵抗:Rj-c[℃/W]で
周囲環境温度:Taが高くなるほど、そして駆動電流値が大き
制限されます。 くなるほど許容されるパッケージ外熱抵抗:Rc-a=Rb+Rhが
つまり、
小さくなっていきます。
つまりTjを仕様書上の絶対最大定格値である120℃に抑え
Tj = ( Rj-c + Rc-a )・Pd + Ta Rc-a = ( Tj - Ta ) / Pd - Rj-c
るためには、周囲環境温度が高くなるほど、そして駆動電流値
これをTjの関数にすると、
が大きくなるほど、
より熱抵抗の小さい㲈放熱性能の高いグリー
ス(接着剤)およびヒートシンクが必要になることを示していま
Rc-a = -Ta / Pd + Tj / Pd - Rj-c
す。
よって、外部放熱部材選定の際には図2をひとつの目安とし
となり、
傾き-1/ Pdで切片がTj / Pd - Rj-cの直線になります。
ていただき、最終的には実機による熱検証をお願い致します。
図2はCL-L251-C4パッケージにおいて、Tjを仕様書上の
また参考のため、図3にCL-L251-C6パッケージにおける同
絶対最大定格値である120℃に想定した場合の、周囲環境温
様のグラフを示します。
■図2 Ta-Rc-a(CL-L251-C4)
■図3 Ta-Rc-a(CL-L251-C6)
(Ŋ/W)
35
240mA
30
350mA
350mA
25
480mA
30
480mA
25
560mA
700mA
20
20
15
840mA
15
10
10
5
5
0
Rj-c=4(Ŋ/W)
35
Rc-a
40
Rc-a
(Ŋ/W)
Rj-c=6(℃/W)
45
0
20
40
60
Ta
80
0
100
0
20
40
60
Ta
(Ŋ)
3
80
100
(Ŋ)
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4-1. シミュレーション(CL-L251-C4)
有効な熱設計のために
熱設計を行う際には、シミュレーションも有効な手段のひと
Structure figure of analytical model
つになります。参 考のため、下 記 条 件のもと、C L- L 2 5 1 - C 4
Tc point(Cathode)
パッケージを熱伝導性シートでヒートシンクに接続した時の、
CL-L251-C4
シミュレーション結果を図4(a)、
( b)に示します。
Thermal conductive grease
境界条件
周囲環境温度
: Ta=25℃
熱伝導率
: 5W/m・K
ヒートシンクの放熱係数 : 0.2
接触抵抗
W
: 考慮しない
L
( Variable )
モデル条件
H
熱伝導性シートの熱伝導率 : 1.2W/m・K
熱伝導性シートの厚み
: t=0.12mm
ヒートシンクの材質
: アルミ
(フィン数=7)
外形 : W : 31.5mm
H : 12mm
L : (変化させる)mm
■図4(a)Characteristic of heat sink surface area - junction temperature Tj
■図4(b)Characteristic of heat surface sink area - input power
(Ŋ)200
(U)11
10
Input Power : 4.63W(Rated input)
160
8
140
Tj MAX
120
100
80
60
7
6
5
4
Absolute Maximum Rating
3
40
2
20
1
0
Tj=120℃
9
Input epower
Junction temperature Tj
180
0
5000
10000
15000
20000
25000
Surface area of heatsink
30000
0
35000 40000
0
5000
10000
15000
20000
25000
Surface area of heatsink
2
(mm )
30000
35000
40000
(mm2)
※上記データはシミュレーション値であり、実際の測定値を保障したものではありません。
実際に使用する条件で、評価、検証を行って下さい。
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4-2. シミュレーション(CL-L251-C6)
Tc point(Cathode)
また、下記の条件のもと、CL-L251-C6パッケージを熱伝
CL-L251-C6
導性シートでヒートシンクに接続した時の、シミュレーション
結果を図5(a)、(b)に示します。
Thermal conductive grease
境界条件
周囲環境温度
: Ta=25℃
熱伝導率
: 5W/m・K
L
W
( Variable )
ヒートシンクの放熱係数 : 0.2
接触抵抗
: 考慮しない
H
モデル条件
熱伝導性シートの熱伝導率 : 4.5W/m・K
熱伝導性シートの厚み
: t=0.12mm
ヒートシンクの材質
: アルミ
(フィン数=6)
外形 : W : 64mm
H : 40mm
L : (変化させる)mm
100
(Ŋ)
(Ŋ)120
95
110
Junction Temperature Tj
■図5(b)Characteristic of input power - junction temperature Tj
Junction temperature Tj
■図5(a) Characteristic of heat sink surface area - junction temperature Tj
90
Input Power : 6.7W ( Rated input )
85
80
75
70
65
100
S = 26613mm2
90
80
70
60
50
40
30
60
0
50000
100000
150000
200000
Surface area of the heatsink
250000
20
300000
2
3
4
5
Pd
(mm2)
6
7
8
(W)
※上記データはシミュレーション値であり、実際の測定値を保障したものではありません。
実際に使用する条件で、評価、検証を行って下さい。
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