Application Note

Light Emitting Diode

LED の熱設計について

目次
1. 概要 .................................................................................. 2
2. LED の熱経路について ........................................... 2
3. TJ 算出方法について ................................................ 3
4. 熱設計について .......................................................... 4
5. まとめ ............................................................................... 8This document contains tentative information, Nichia may change the contents without notice.
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1. 概要
LED を用いて製品を設計する際は、熱の発生に注意が必要です。LED の使用できる温度は、ジャンクション温度（以下「TJ」という）により決められます。この TJ が最大値を超えると著しい光束低下、場合によっては故障モード（例えば、ワイヤー断線による LED の不灯等）となるため、最大値を超えないようにする必要があります。
また、TJ をできる限り低く抑えることにより製品の寿命を延ばすことができます。このことから、LED を使用する際は熱設計がとても重要なります。本書は、LED の熱設計の考え方を示します。

2. LED の熱経路について
LED から発生する熱について、図 1 に示す熱経路のイメージ図を用いて説明します。

Light Emitting DiodeLED チップから周辺雰囲気の間には、ダイボンド、電極、はんだ、基板を介して熱伝達していると考えられます。

Encapsulating resin

Bonding wire

封止樹脂

ボンディングワイヤー

Chip

Package

チップ

パッケージ

Electrode

Solder

電極

はんだ
Board

Die Bonding

基板

ダイボンド
図 1. LED 構造と熱経路イメージ図 （例：型番 NS3W183）

ここで、 熱の流れを分かりやすくするため、図 2 にチップからの熱の流れ図を示します。

Chip

Die Bonding

ElectrodeSolderBoardチップ

ダイボンド電極

はんだ

基板

TJ（℃）

TS(℃)

TA（℃）

RθJS
RθJA

図 2. チップからの熱の流れ図

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LED チップからの熱の温度勾配を熱抵抗（℃／W）というパラメータで表現すると、次の 2 種類の TJ の関係式で表すことができます。
（1）LED チップから周辺雰囲気温度（TA）までの熱抵抗：RθJA を用いた場合

TJ = TA + RθJA × W ・・・・・・①
・TA：周囲温度（℃）
・RθJA：LED チップから周辺雰囲気までの熱抵抗（℃／W）
・W：投入電力（＝IF×VF）（W）（※IF：順電流（A）、VF：順電圧（V））（2）LED チップからカソード側はんだ接合部温度（TS）までの熱抵抗：RθJS を用いた場合

Light Emitting DiodeTJ = TS ＋ RθJS × W ・・・・・・②
・TS：カソード側はんだ接合部温度（℃）
・RθJS：LED チップから TS 測定ポイントまでの熱抵抗（℃／W）
・W：投入電力（＝IF×VF）（W）（※IF：順電流（A）、VF：順電圧（V））

3. TJ 算出方法について
TJ を算出する方法は、TS 測定により TJ を算出する方法と VF 測定法による TJ を算出する方法があります。
以下に、詳細内容を示します。
3.1 TS 測定による TJ 算出方法
(1)図 3 に示すように実装されている LED の TS 測定ポイント（カソード側）に熱電対を取り付けます。LED を点灯させてから熱平衡状態に達した時点での温度 TS、IF、VF を測定します。
※TS 測定ポイントおよび RθJS は、LED により異なります。詳細は弊社仕様書をご確認ください。
※使用する熱電対は熱の影響を最小限にするため、可能な限り細い熱電対をご使用ください。
また、測定ポイントへの熱電対の取り付けは半田付けで行うことを推奨します。
TS Point
TS ポイント

Thermometer
熱測定器
Constant Current Source
定電流源

Thermo Couple
熱電対
図 3. 熱測定環境(2)測定した TS と IF,VF から、②式を用いて TJ を算出できます。
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* 本特性は参考です。
All characteristics shown are for reference only and are not guaranteed.

NS3W183
STS-DA7-0685

管理番号 No.

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順電圧-順電流特性
Forward Voltage vsVfIf
Forward Current
3.2 VF 測定法によるTJ 算出方法

周囲温度-順電圧特性Ambient Temperature vs
Forward Voltage

TA=25°C

1000

TaVf
IFP=350 mA

IFP=350mA

4.5(1)対象とする LED について、恒温槽を用いて周囲温度 TAごとの順電圧600VF 値を測定します。

4.0※測定時は自己発熱による VＦ低下を極力抑えるため、パルス電流にて行います。
100（推奨例：パルス幅 10ms 以下、Duty 比 1/10 以下）

順電圧
Forward Voltage(V)

順電流
Forward Current(mA)

350※測定は無風の環境下にて行います。

(2) (1)の測定結果より、周囲温度 TA-順電圧 VF のグラフを※参考例として、型番
NS3W183 の周囲温度-順電圧特103.0

3.5

4.0

3.02.5作成します。（TA≒TJ とみなせます。）
2.02.5性を図4 に示します。
* 本特性は参考です。

3.52.04.5-60 -40 -20VfIf

Forward Current
順電流-相対光束特性
Forward Current vs
1000
Relative Luminous Flux

TA=25°C

6080

100 120

NS3W183
STS-DA7-0685

IFP=350 mA

Ambient Temperature vs4.5
Relative Luminous
Flux

IfIv
TA=25°C

600(4)（2）で作成した周囲温度
TA‐順電圧 VF 特性グラフを用
2.5

IFP=350mA

TaIv

IFP=350 mA

1.4
4.0

いて、（3）で測定した VF 値から TJ を求めます。
相対光束
順電圧
Relative Luminous Flux(a.u.)
Forward Voltage(V)

350

相対光束
順電流
Relative Luminous Flux(a.u.)
Forward Current(mA)

40

周囲温度-順電圧特性
図 4. 周囲温度-順電圧特性（型番 NS3W183）
Ambient Temperature vsTaVfForwardVoltage
周囲温度-相対光束特性

熱平衡状態でのLED のForward Voltage
vs VF 値を測定します。

2.0【例】 図 5 に示すように、VＦ＝3.41（V）の場合、TJ は 50℃となります。
100
1.51.0

VF＝3.41V

1.23.53.01.02.50.8TA≒TJ＝50℃

0.5
10

2.0

2.0

2.5

0.00

100

3.0

3.5

4.0

順電圧
200300400500
Forward Voltage(V)

4.5-60 -40 -20020

406080100 120

周囲温度-60 -40 -2002040 60 80
Ambient Temperature(°C)

100 1200.6600700

順電流
Forward Current(mA)

周囲温度
Temperature(°C)
図 5. TJ Ambientの算出例（型番NS3W183）

周囲温度-相対光束特性

順電流-相対光束特性
Forward Current vs
Relative Luminous Flux

Ambient Temperature vsRelative Luminous Flux

IfIv
TA=25°CTaIv

IFP=350 mA

1.4

2.5

相対光束
Relative Luminous Flux(a.u.)

4. 熱設計について
2.0
相対光束
Relative Luminous Flux(a.u.)Light Emitting Diode

順電圧-順電流特性20

周囲温度
Ambient Temperature(°C)

Forward Voltage(V)(3) 次に無風の環境下にて LED を連続点灯させ、0

管理番号 No.

All characteristics shown are for順電圧
reference only and are not guaranteed.

1.2

製品設計を行う際は、放熱能力を上げる（熱抵抗を低くする）設計を取り入れることで、TJ を低くすることがで1.5きます。設計例として下記項目が挙げられます。

・基板材質の選択
1.0・基板の銅箔面積の最適化

・LED 配置（LED ピッチ）の最適化

1.00.80.5

・ヒートシンクの導入
各項目の詳細内容を以下に示します。
0.60.00100

200300400500順電流
Forward Current(mA)

600

700

-60 -40 -20

020406080

100 120

周囲温度
Ambient Temperature(°C)

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4.1 基板材質の選択
基板の種類は大きく分けて、図 6 に示す樹脂系基板、金属ベース系基板、セラミック系基板に分類されます。
紙フェノール基材（FR-1, 2）

リジット基板紙エポキシ基材（FR-3）

樹脂系基板

ガラス布基材(FR-4, 5)

フレキシブル基板

ガラスマット・ポリエステル(FR-6)

金属ベース基板

コンポジット基板（CEM-1, 3）

金属ベース系基板

Light Emitting Diode

金属コア基板

アルミナ基板セラミック系基板

図 6. 基板分類図
一般的に安価で寸法安定性に優れたガラス布基板（FR-4）を使用する場合が多いですが、高い熱伝導率の金属ベース系基板を使用することでＴJ を低くすることができます。
参考例として、FR-4、アルミ基板による熱測定結果を表 1 および図 7 に示します。
表 1. 型番 NS6W183 熱測定結果
Type A

Type B

Type CType D

Appearance

Board Material
RθJA (℃/W)

FR-4
63

PWB Size

Aluminum50443430mm×30mm,30mm×30mm,t=1.6mm

t=1.7mm

Copper Area Face

154mm2, t=0.07mm

302mm2, t=0.07mm

616mm2, t=0.07mm

500mm2, t=0.07mm

Copper Area Back

154mm2, t=0.07mm

302mm2, t=0.07mm

616mm2, t=0.07mm-IF (mA)

700

VF(V)

3.18

3.24

3.29

3.3TS(℃）

1431189580TJ(℃）

165141118103※Measurement condition ：RθJS＝10℃/W, TA=25℃,Thermo Couple:Φ0.076mm

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Measurement Results Copper Area vs. TJ

200

FR-4

Type-A

Aluminium

Type-B

150TJ(℃）

Type-C
Type-D

100500Light Emitting Diode0100

200300400
Copper Area(mm2)500600700

図 7. 型番 NS6W183 熱測定結果 （銅箔面積 vs. TJ)
この測定結果より同じ基板サイズにて TJ を比較すると、アルミ基板の方が低く、熱的に有利であると言えます。
4.2 基板の銅箔面積の最適化
図 8 に示すように基板の銅箔パターン面積をできるかぎり広くすることにより、LED で発生した熱をより多く基板へ放熱させることができます。
表 1、図 7 の測定結果からも分かるように、銅箔パターン面積を大きくしていくことで TJ は小さくなり、熱的に有利であると言えます。

LED

Copper Foil

LED

銅箔

Copper Foil
銅箔

：Solder Resist

はんだレジスト
銅箔面積が小さい

銅箔面積が大きい（熱伝導が悪い）（熱伝導がよい）

図 8. 基板の銅箔パターン形状

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4.3 LED 配置（LED ピッチ）の最適化
図 9 に示すように LED ピッチが狭いと LED から発生する熱が集中して、放熱し難くなります。参考例として
2×2 の LED 配置した基板での熱分布シミュレーションを図 10 に示します。シミュレーション結果からも、LEDピッチが狭いと、隣の LED 熱の影響により熱がこもり易くなります。このため、可能な限り LED ピッチを広くとLight Emitting Diodeることで TJ を低くすることができます。

LED ピッチ狭い

LED ピッチ広い

図 9. LED 配置図

TS = 67.3℃

TS = 55.7℃

TS = 46.3℃

LED Pitch

LED Pitch

LED Pitch

12mm

15mm20mm

図 10. 型番 NSSW157 2×2 LED 配置の熱分布シミュレーション結果 （参考例）※基板設計上、銅箔パターン面積はできる限り大きく設定しています。また、パターン間クリアランスは一定としています。

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4.4 ヒートシンクの導入
基板背面側にヒートシンクを設けることで放熱性を高めることができます。参考例として表 3 にヒートシンクの有無による熱測定結果を示します。この測定結果からもヒートシンク有で RθJA、TJ は低くなり、熱的に有利であると言えます。また、基板とヒートシンクとの接続には、熱伝導性の高い両面テープ、放熱シート、または放熱グリスを用いることでさらに有効となります。図 11 にヒートシンクとの接続例を示します。
表 3. 型番 NS6W183 ヒートシンク有無による熱測定結果
without Heat Sink

with Heat Sink

Appearance

Light Emitting DiodeBoard Material

FR-4RθJA [℃/W]4432

PWB Size

30mm×30mm, t=1.6mm

Copper Area

616mm2, t=0.07mm

IF (mA)

700

VF(V)

3.29

3.49TS(℃）

9573

TJ(℃）

11897

COB

Heat Sink

LED Board

ヒートシンクLED 基板基板

Thermal Grease

両面テープ
Adhesive Tape

放熱グリス

両面テープ
ヒートシンクHeat Sink
ヒートシンクCOB とヒートシンクとの接続例

LED 基板とヒートシンクとの接続例

図 11. 基板とヒートシンクとの接続例

5. まとめ本書で紹介しました熱設計例を踏まえて、製品設計を行うことにより、効率よく LED をご使用いただくことができます。また、製品の信頼性向上にもつながります。
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