Application Note

Light Emitting Diode

LED の配置と放熱の関係について(実装ピッチ:5-10mm)

目次
1. 概要 ................................................................................... 2
2. 評価方法 ......................................................................... 2
3. 評価対象品種 ............................................................... 3
4. 評価結果と考察 ........................................................... 3
5. まとめ................................................................................ 6

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1. 概要
照明器具に LED を使用する場合、LED を単一で使うことは少なく、幾つかの LED を並べて使用している製品がほとんどです。
LED は単一でも高温になりますが、複数使用した場合には周囲の LED の熱が影響する恐れがあります。各LED のジャンクション温度(以下「TJ」という)は単一使用時に比べて高くなり、LED の寿命や光束値に影響を及ぼします。ここで重要になるのが LED の配置設計、つまり適切な実装ピッチで LED を配置することです。適切な実装ピッチを保つことで TJ の上昇を抑えられる為、LED の長寿命化に繋がります。
本書では実使用環境に近い LED の適切な実装ピッチについて、評価結果を交えながら解説していきます。

2. 評価方法
下記表 1 に示す、アルミ基板(以下「AL 基板」という)とガラスエポキシ基板(以下「FR-4 基板」という)を評価基Light Emitting Diode板として使用しています。実装ピッチとは LED 中央から隣接する LED の中央までを表します。例を図 1 に示します。
表 1. 評価基板 5-10mm
AL 基板(片面) FR-4 基板(両面)ピッチ3mm

表面パターン

図 1. 実装ピッチについて

裏面パターン

板厚[mm]

1.0

銅箔厚[μm]絶縁層[μm]1.635120

無風密閉状態の箱内にて熱飽和を行い、中心に配置した LED のカソード側はんだ接合部温度(以下「TS」という)を測定し、TJ を算出します。 また、その際に評価した実装ピッチを表 2 に示します。TS 測定箇所を図 2 に示します。
表 2. LED 実装ピッチ
5mm ピッチ

6mm ピッチ

7mm ピッチ

10mm ピッチ

図 2. Ts 測定箇所
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3. 評価対象品種
以下表 3 に示す 2 品種を評価しました。
表 3. 評価 LED 詳細
品種

型番 NS2W757A-V1

型番 NF2W757AR-V1

外形

3.0×3.0×0.52順電流 [mA]65150

最大順電流 [mA]

180

200

順電圧[V]

2.85

6.3

最大ジャンクション温度 [℃]120

4. 評価結果と考察
4.1 型番 NS2W757A-V1 について
1 基板あたりの投入電力 4.1W (IF=150mA)と 1.7W (IF=65mA)における LED 実装ピッチと中心 LED の TJ の関係を図 3 に示します。FR-4 基板は投入電力が小さいと実装ピッチによる熱の影響はほとんどありません
が、投入電力を大きくすると実装ピッチによる熱の影響を受けて、ピッチが狭いほど TJ が緩やかに上昇しています。一方、AL 基板は実装ピッチによる熱の影響は見られません。

型番NS2W757A-V1 Pitch of LED vs. TJ

TA=25℃

150

FR-4
4.1W (I(IF=150mA)
FR-4:: 4.1W
F=150mA)
FR-41.7W (I(IF=65mA)
FR-4:: 1.7WF=65mA)
TJ max 120℃

125AL
4.1W (I(IF=150mA)
AL:: 4.1W
F=150mA)
AL
1.7W (I(IF=65mA)
AL:: 1.7W
F=65mA)

TJ [℃]

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寸法 [mm]100755025456789101112Pitch of LED [mm]図 3. 型番 NS2W757A-V1 評価結果
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4.2 型番 NF2W757AR-V1 について
1 基板あたりの投入電力 8.5W (IF=150mA)と 5.7W (IF=100mA)における LED 実装ピッチと中心 LED の TJ の関係を図 4 に示します。FR-4 基板は実装ピッチによる熱の影響を受けて TJ が大きく増加しています。一方、
AL 基板は実装ピッチによる熱の影響はほとんど見られません。

型番NF2W757AR-V1 Pitch of LED vs. TJ

TA=25℃200

FR-4
FR-4:: 8.5W (IF=150mA)(IF=150mA)

FR-4:: 5.7W (IF=100mA)(IF=100mA)
FR-4

175

AL:: 8.5W (IAL(IF=150mA)
F=150mA)
AL:: 5.7W (IF=100mA)
AL(IF=100mA)

Light Emitting Diode

TJ [℃]

150
TJ max 120℃

125

1007550456789101112Pitch of LED [mm]図 4. 型番 NF2W757AR-V1 評価結果
AL 基板は FR-4 基板に比べて熱伝導率が高く、熱が広がりやすいです。そのため、狭い実装ピッチでも熱が集中しにくいので TJ の上昇が緩やかになっています。

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AL 基板において実装ピッチによる影響が見られないため、更に投入電力を増やした場合にどのような傾向になるかを確認します。基板実装数を 25pcs に増やした結果を図 5 に示します。

型番NF2W757AR-V1 Pitch of LED vs. TJ

TA=25℃、IF =100mA

225

FR-4
FR-4:: 15.8W
15.8W(25pcs)(25pcs)
FR-4
FR-4:: 5.7W
5.7W(9pcs)(9pcs)

200

AL
AL:: 15.8W
15.8W(25pcs)(25pcs)TJ [℃]

175

AL
AL:: 5.7W
5.7W(9pcs.)(9pcs)

150
TJ max 120℃

125Light Emitting Diode100755025456789101112Pitch of LED [mm]図 5. 投入 W による傾向の変動

FR-4 基板では実装ピッチを狭くすると TJ の上昇が顕著に大きくなっていることがわかります。このことか
ら、実装ピッチによる熱の影響があるといえます。AL 基板はこの程度の投入電力であれば、実装ピッチによる影響はほとんど見られません。
本実験では検証のため、TJ max を超えて試験しています。実使用環境において、TJ max を超えた場合は
図 6 の様に焼損を起こす可能性があるため、ヒートシンク等を取り付けて TJ max を超えないようにご注意ください。

図 6. 焼損例
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5. まとめLED の実装ピッチと TJ は投入電力(W)と相関があり、LED の投入電力(W)別に実装ピッチを設計することが望ましいです。その際には基板の熱伝導率に注意しておく必要があります。熱伝導率の低い基板（FR-4）を用いると、熱が集中しやすいため、ピッチを狭くすると LED の相互影響を受けやすく、熱が著しく上昇します。熱伝導率が高い基板(AL)では、熱が拡散しやすいため、ピッチを狭くしても LED の相互影響を受けづらく、熱の上昇を抑えることができます。上記で紹介した評価結果を目安に LED の配置設計を行い、熱による影響を少なくすることで、製品寿命の向上や光学特性の維持に繋がると考えます。
なお、LED の品種およびお客様の使用条件・使用環境によっては値が異なる可能性がありますので、本書はLight Emitting Diode

参考資料としてお取り扱い願います。

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