放熱設計 Standard Type Ver.3 CLU024,CLU034,CLU044,CLU054 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. シミュレーション P.4 Appendix CLU024-1201,CLU024-1202 P.5 CLU024-1203,CLU024-1204 P.6 CLU034-1205,CLU034-1206 P.7 CLU034-1208,CLU044-1212 P.8 CLU044-1812,CLU044-1818 P.9 CLU054-1825 P.10 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 Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved. Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714) 放熱設計 Standard Type Ver.3 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。しか 部の特定部位の温度（ケース温度）：Tc[℃]を測定し、ジャンク しLEDパッケージでの表面積は非常に小さく、パッケージレベ ションとケース間の熱抵抗：Rj-c[℃/W]及び、発熱量≒投入 ルでの大気中への熱放射はほとんど期待できません。そのた 電力：Pi[W]を用いてTj[℃]を計算します。 め、ヒートシンクなどの外部放熱器が必要となり、その放熱器 COBタイプLEDパッケージは、熱抵抗：Rj-cを最小限に抑え 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り る構造により、発光素子で発生した熱を効率的に外部放熱器 ます。 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の管 本書では、COBタイプLEDパッケージの詳細な放熱構造を示 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最 すとともに、照明機器などの熱設計時に必要な資料を提供す 大定格値以下にする必要があります。しかしながら、Tjを直接 る事でLEDの持つ性能を最大限に活かしていただく事を目的 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郭 としています。 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 COBタイプLEDパッケージを外部ヒートシンクに接続した場 ここで、発光素子のジャンクション部からパッケージ外郭部の 合の断面構造例を図１(a)に示します。パッケージは、アルミニ アルミニウム基板面までの熱抵抗がRj-cとなり、パッケージ固 ウム基板と絶縁層ならびに通電用銅箔パターンの積層構造に 有の熱抵抗値となります。 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 ・ Pi + 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TIMの熱抵抗はRb[℃/W]、ヒートシ パッケージ外部へ伝導することが可能となります。 ンクの熱抵抗はR-TIM[℃/W]、周囲環境温度はTa[℃]となり パッケージ外郭部のアルミニウム基板面は、TIM(Thermal ます。 interface material)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)の断面図に沿った 。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 等価熱抵抗を示しています。このよう ■図1（b） 等価熱抵抗 は主に熱伝導を利用し、発光素子→素子マウント用接着剤→ に、ジャンクション温度：Tjと周囲環 アルミニウム基板→TIMを介して、ヒートシンクに伝わります。 境温度：Taの間に、熱抵抗Rj-c、Rb 、Rhが直列に接続されることとなりま ■図1（a） COBタイプLEDパッケージ す。ここで、パッケージ外の熱抵抗で Cross-section diagram LED die TJ Tc あるR-TIMとRhをまとめて熱抵抗 Rc-aとすることもできます。 Aluminum TIM Rj-c Tj Rj-c Tc R-TIM Tj Rj-c Tc Rc-a Rh つまり、以下の式も成り立ちます。 Ta R-TIM Ta Tj = ( Rj-c + Rc-a ) ・ Pi + Ta Rh Heatsink Ta 2 Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved. 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 Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714) 放熱設計 Standard Type Ver.3 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 TIMとヒートシンクを合わせたパッケージ外熱抵抗：Rc-a[℃ す。（一例として、CLU034-1205B8のデータを掲載。） /W]は、投入電力：Pi[W]、および周囲環境温度：Ta[℃]、なら 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 びにパッケージ熱抵抗：Rj-c[℃/W]で制限されます。 くなるほど許容されるパッケージ外熱抵抗：Rc-a=R-TIM + Rh つまり、 が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に抑えるためには、周 Tj = ( Rj-c + Rc-a )・ Pi + Ta Rc-a = ( Tj - Ta ) / Pi - Rj-c 囲環境温度が高くなるほど、そして駆動電流値が大きくなるほ これをTaの関数にすると、 ど、より熱抵抗の小さい≒放熱性能の高いTIMおよびヒートシン クが必要になることを示しています。よって、外部放熱部材選定 Rc-a = -Ta / Pi + Tj / Pi - Rj-c の際には図2をひとつの目安としていただき、最終的には実機に となり、傾き-1/ Piで切片がTj / Pi - Rj-cの直線になります。 よる熱検証をお願い致します。 図2はCOBタイプLEDパッケージにおいて、Tjを仕様書上の 本書後半部にて、製品ごとのグラフを掲載しています。 絶対最大定格値に想定した場合の、周囲環境温度：Taとパッ ケージ外熱抵抗：Rc-aの関係を駆動電流別に表したグラフで ■図2 Ta - Rc-a（CLU034-1205B8） （℃/W） Rj-c=1.1(℃/W) 15 900mA 450mA 600mA 300mA Rc-a 10 5 0 0 20 40 60 Ta 80 （℃） 3 Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved. 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 Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714) 放熱設計 Standard Type Ver.3 4. シミュレーション シミュレーションモデル構成図 有効な熱設計のために Tc ポイント(カソード) 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つ COBタイプ LED パッケージ になります。参考のため、下記条件のもと、COBタイプLED 熱伝導性シート 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、シ ミュレーション結果を図3(a)、(b)に示します。（一例として、 CLU034-1205B8のデータを掲載。） 本書後半部にて、製品ごとのシミュレーション結果を掲載してい ます。 L W 境界条件 周囲環境温度 ： Ta=25℃ 解析空間 ： 400mm×400mm×（350+L）mm 壁面条件 ： 上面＝Open、他面＝25℃ 放熱条件 ： 自然対流 ( 可変 ) 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 ＊断面積：1108mm 2、L：（可変）mm ■図3（a） Heat sink surface area - junction temperature Tj （CLU034-1205B8） ■図3（b） Input power - junction temperature Tj （CLU034-1205B8） （℃） （℃） 120 120 Input Power : 16.1W 100 Junction Temperature Tj Junction temperature Tj 110 90 80 70 60 50 40 0 50,000 100,000 150,000 200,000 Surface area of the heatsink 250,000 100 80 60 40 S = 200,000mm2 20 0 300,000 0 5 10 15 20 Input power （mm ） 2 25 30 35 （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。 4 Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved. 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 Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714) 放熱設計 Standard Type Ver.3 Appendix CLU024-1201B8 ■図2-1 Ta - Rc-a（CLU024-1201B8） （℃/W） Rj-c=4.2(℃/W) 80 Rc-a 60 180mA 90mA 120mA 60mA 40 20 0 0 20 40 60 80 Ta ■図3（a）-1 Heat sink surface area - junction temperature Tj （CLU024-1201B8） （℃） ■図3（b）-1 Input power - junction temperature Tj （CLU024-1201B8） （℃） （℃） 80 60 70 Input Power : 3.2W 56 Junction Temperature Tj Junction temperature Tj 58 54 52 50 48 46 44 42 40 0 50,000 100,000 150,000 200,000 250,000 Surface area of the heatsink 60 50 40 30 20 0 300,000 S = 200,000mm2 10 0 1 2 3 4 5 6 CLU024-1202B8 7 （W） Input power （mm2） ■図2-2 Ta - Rc-a（CLU024-1202B8） （℃/W） Rj-c=2.4(℃/W) 60 360mA 180mA 240mA 90mA Rc-a 40 20 0 0 20 40 60 80 Ta （℃） ■図3（b）-2 Input power - junction temperature Tj （CLU024-1202B8） ■図3（a）-2 Heat sink surface area - junction temperature Tj （CLU024-1202B8） （℃） （℃） 90 80 80 Input Power : 6.4W 70 Junction Temperature Tj Junction temperature Tj 75 65 60 55 50 45 40 70 60 50 40 30 S = 200,000mm2 20 10 0 50,000 100,000 150,000 200,000 Surface area of the heatsink 250,000 0 300,000 0 2 4 6 8 Input power （mm2） 5 10 12 14 （W） Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved. 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 Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714) 放熱設計 Standard Type Ver.3 CLU024-1203B8 ■図2-3 Ta - Rc-a（CLU024-1203B8） （℃/W） Rj-c=1.7(℃/W) 30 540mA 270mA 360mA 150mA Rc-a 20 10 0 0 20 40 60 80 Ta ■図3（a）-3 Heat sink surface area - junction temperature Tj （CLU024-1203B8） （℃） ■図3（b）-3 Input power - junction temperature Tj （CLU024-1203B8） （℃） （℃） 100 90 90 85 Junction temperature Tj Junction Temperature Tj Input Power : 9.6W 80 75 70 65 60 55 50 70 60 50 40 30 S = 200,000mm2 20 10 45 40 80 0 50,000 100,000 150,000 200,000 250,000 Surface area of the heatsink 0 300,000 0 5 10 15 20 （W） Input power （mm2） CLU024-1204B8 ■図2-4 Ta - Rc-a（CLU024-1204B8） （℃/W） Rj-c=1.4(℃/W) 30 720mA 360mA 480mA 200mA Rc-a 20 10 0 0 20 40 60 80 Ta （℃） ■図3（b）-4 Input power - junction temperature Tj （CLU024-1204B8） ■図3（a）-4 Heat sink surface area - junction temperature Tj （CLU024-1204B8） （℃） （℃） 120 110 Input Power : 12.9W Junction Temperature Tj Junction temperature Tj 100 90 80 70 60 50 40 0 50,000 100,000 150,000 200,000 Surface area of the heatsink 250,000 100 80 60 40 S = 200,000mm2 20 0 300,000 0 5 10 15 Input power （mm2） 6 20 25 30 （W） Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved. 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 Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714) 放熱設計 Standard Type Ver.3 CLU034-1205B8 ■図2-5 Ta - Rc-a（CLU034-1205B8） （℃/W） Rj-c=1.1(℃/W) 15 900mA 450mA 600mA 300mA Rc-a 10 5 0 0 20 40 60 80 Ta ■図3（a）-5 Heat sink surface area - junction temperature Tj （CLU034-1205B8） （℃） ■図3（b）-5 Input power - junction temperature Tj （CLU034-1205B8） （℃） （℃） 120 120 Input Power : 16.1W 100 Junction Temperature Tj Junction temperature Tj 110 90 80 70 60 50 40 0 50,000 100,000 150,000 200,000 250,000 Surface area of the heatsink 100 80 60 40 S = 200,000mm2 20 0 300,000 0 5 10 15 20 25 30 35 （W） Input power （mm2） CLU034-1206B8 ■図2-6 Ta - Rc-a（CLU034-1206B8） （℃/W） Rj-c=0.98(℃/W) 12 10 1080mA 540mA 720mA 360mA Rc-a 8 6 4 2 0 0 20 40 60 80 Ta （℃） ■図3（b）-6 Input power - junction temperature Tj （CLU034-1206B8） ■図3（a）-6 Heat sink surface area - junction temperature Tj （CLU034-1206B8） （℃） （℃） 140 130 120 Input Power : 19.3W 110 Junction Temperature Tj Junction temperature Tj 120 100 90 80 70 60 50 40 0 50,000 100,000 150,000 200,000 Surface area of the heatsink 250,000 100 80 60 40 0 300,000 S = 200,000mm2 20 0 5 10 15 20 25 Input power （mm2） 7 30 35 40 45 （W） Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved. 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 Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714) 放熱設計 Standard Type Ver.3 CLU034-1208B8 ■図2-7 Ta - Rc-a（CLU034-1208B8） （℃/W） Rj-c=0.78(℃/W) 10 8 1440mA 720mA 960mA 480mA Rc-a 6 4 2 0 0 20 40 60 80 Ta ■図3（a）-7 Heat sink surface area - junction temperature Tj （CLU034-1208B8） （℃） ■図3（b）-7 Input power - junction temperature Tj （CLU034-1208B8） （℃） （℃） 160 160 140 Input Power : 25.7W Junction Temperature Tj Junction temperature Tj 140 120 100 80 60 40 0 50,000 100,000 150,000 200,000 250,000 Surface area of the heatsink 120 100 80 60 40 0 300,000 S = 200,000mm2 20 0 10 20 30 40 50 60 （W） Input power （mm2） CLU044-1212B8 ■図2-8 Ta - Rc-a（CLU044-1212B8） （℃/W） Rj-c=0.52(℃/W) 6 2160mA 1080mA 1440mA 720mA Rc-a 4 2 0 0 20 40 60 80 Ta （℃） ■図3（b）-8 Input power - junction temperature Tj （CLU044-1212B8） ■図3（a）-8 Heat sink surface area - junction temperature Tj （CLU044-1212B8） （℃） 160 （℃） 160 140 Input Power : 38.6W Junction Temperature Tj Junction temperature Tj 140 120 100 80 60 40 0 50,000 100,000 150,000 200,000 Surface area of the heatsink 250,000 120 100 80 60 40 0 300,000 S = 200,000mm2 20 0 10 20 30 40 Input power （mm ） 2 8 50 60 70 （W） Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved. 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 Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714) 放熱設計 Standard Type Ver.3 CLU044-1812B8 ■図2-9 Ta - Rc-a（CLU044-1812B8） （℃/W） Rj-c=0.39(℃/W) 4 Rc-a 3 2160mA 1080mA 1440mA 720mA 2 1 0 0 20 40 60 80 Ta ■図3（a）-9 Heat sink surface area - junction temperature Tj （CLU044-1812B8） （℃） ■図3（b）-9 Input power - junction temperature Tj （CLU044-1812B8） （℃） （℃） 160 160 140 Input Power : 53.6W Junction Temperature Tj Junction temperature Tj 140 120 100 80 60 40 0 100,000 200,000 300,000 400,000 500,000 Surface area of the heatsink 120 100 80 60 40 0 600,000 S = 200,000mm2 20 0 10 20 30 40 50 60 70 CLU044-1818B8 80 （W） Input power （mm2） ■図2-10 Ta - Rc-a（CLU044-1818B8） （℃/W） Rj-c=0.26(℃/W) 4 Rc-a 3 2160mA 1080mA 1620mA 720mA 2 1 0 0 20 40 60 80 Ta ■図3（a）-10 Heat sink surface area - junction temperature Tj （CLU044-1818B8） （℃） ■図3（b）-10 Input power - junction temperature Tj （CLU044-1818B8） （℃） （℃） 160 180 140 Input Power : 86.8W Junction Temperature Tj Junction temperature Tj 160 140 120 100 80 60 40 0 250,000 500,000 750,000 Surface area of the heatsink 1,000,000 120 100 80 60 40 0 1,250,000 S = 400,000mm2 20 0 20 40 Input power （mm2） 9 60 80 100 （W） Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved. 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 Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714) 放熱設計 Standard Type Ver.3 CLU054-1825B8 ■図2-11 Ta - Rc-a（CLU054-1825B8） （℃/W） Rj-c=0.25(℃/W) 3 3000mA 1500mA 2250mA 1000mA Rc-a 2 1 0 0 20 40 60 80 Ta ■図3（a）-11 Heat sink surface area - junction temperature Tj （CLU054-1825B8） （℃） ■図3（b）-11 Input power - junction temperature Tj （CLU054-1825B8） （℃） （℃） 160 180 140 Input Power : 120.1W Junction Temperature Tj Junction temperature Tj 160 140 120 100 80 60 40 0 500,000 1,000,000 1,500,000 Surface area of the heatsink 2,000,000 120 100 80 60 40 0 2,500,000 S = 940,000mm2 20 0 20 40 60 80 Input power (mm2) 10 100 120 140 （W） Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved. 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 Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714) ● 本書に掲載している技術情報及びデータの使用によって生じる、あるいは、使用できな かったことによって生じる不利益や損害、訴訟原因に対する責任、その他あらゆる損害、損 失について、シチズン電子株式会社はその責任を一切負いません。 ● 本技術情報及びデータは利用者に対し、現状で提供されるものであり、シチズン電子株式 会社は、本技術情報及びデータ上の誤りその他の瑕疵のないこと、本技術情報及びデー タが特定目的に適合すること並びに本技術情報及びデータ及びその使用が利用者又は利 用者以外の第三者の権利を侵害するものでないこと、その他のいかなる内容についての保 証も行うものではありません。 ● シチズン電子株式会社は通知なしに技術情報及びデータを変更する権利を留保します。 掲載されている情報（文章、写真、画像など）は、著作権の対象であり、法律によって保護されています。 これらの情報について、「私的使用のための複製」や「引用」など著作権法上認められた場合を除き、 シチズン電子株式会社の許可なく複製、転用等する事は法律で禁止されています。 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 お問い合わせ [email protected] 照明用LEDサイト http://ce.citizen.co.jp/lighting_led/jp/ Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714)