Application Note

Light Emitting Diode

NCSU334B (U280)
熱設計について目次
1. 概要.....................................................................................................2
2. TJ算出方法 ......................................................................................2
3. TS測定ポイント...............................................................................2
4. 放熱構成とTJ測定結果 ...........................................................3
5. 注意事項..........................................................................................6
6. まとめ.................................................................................................7

本書内に記載する型番NCSU334B は弊社製品の型番であり、商標権を有する可能性のある他社製品といかなる関連性・類似性を有するものではありません。

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1. 概要
LED は発熱の影響で光出力が低下します。また、最大ジャンクション温度 TJMAX を超過して駆動すると信頼性を大きく損ないます。NCSU334B を高性能で、信頼性良くご使用いただくためには、ジャンクション温度 TJ が TJMAXの 110℃を超えないように放熱設計することが重要です。NCSU334B は、高い投入電力を必要とするため、発生する熱が多くなります。
本資料では、2種類のLED搭載基板を、放熱構成を変えて駆動した場合のTJ について記載しています。熱設計の参考にしてください。
・ LED1 個搭載基板を、2 種類の放熱構成で駆動させた際の TJ・ LED9 個搭載基板を、3 種類の放熱構成で駆動させた際の TJ

2. TJ 算出方法

Light Emitting Diode

TJ 算出には、以下の式を用いております。

TJ = TS + RθJS × W
TJ ： ジャンクション温度 (℃)
TS ： はんだ接合部温度 (℃)
RθJS ： チップから TS 測定ポイントまでの熱抵抗 (℃/W)
W ： 投入電力(W) = IF(A)×VF(V)
製品仕様を以下に示します。
項目条件

RθJS (℃/W)
VF (V)

IF=350mA

NCSU334B
U280
標準8.4
5.5

最大9.9-

絶対最大定格 （TS=25℃）
IFMAX (mA)
IFPMAX (mA)
Topr (℃)
TJMAX (℃)

500
600
-10～85110

IF ： 順電流 (mA)
IFP ： パルス順電流 (mA)
IFP 条件は、パルス幅 10ms 以下、デューティー比は 10%以下
Topr ： 動作温度 (℃)

図 1 TS - 許容順電流特性

3. TS 測定ポイント

Cathode Mark
CathodeAnode
Ts Point

図 2 TS 測定ポイント
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4. 放熱構成と TJ 測定結果
実装基板に LED を 1 個搭載した場合と、9 個搭載した場合で、放熱構成を変えて、TJ を確認しました。

4-1. LED1 個搭載基板を 2 種類の放熱構成で駆動させた際の TJ
放熱構成 4-1-1. LED1 個搭載基板＋ヒートシンク A
実装基板の仕様を、以下に示します。
銅箔
0.105

厚さ(mm)
絶縁層0.120

銅ベース
1.5

外形寸法
(mm)
30×30

Light Emitting Diode・ 銅箔及び銅ベースの熱伝導率は 390 W/m・K、絶縁層の熱伝導率は 4.5 W/m・K

写真 1 実装状態

図 3 実装構造

ヒートシンク A の仕様を以下に示します。
材質
アルミ

ヒートシンクA
サイズ(mm)50×38×t25

ベース厚(mm)5枚数
8

フィンサイズ(mm)1×38

熱抵抗(℃/W)
5.70

配列
8×1・ 放熱グリスの熱伝導率は 5.3 W/m・K
放熱構成 4-1-1 での測定結果を、以下の表に示します。
TA (℃)

製品

波長ランク

25

NCSU334B

U280

IF (A)
0.35
0.50

VF (V)
5.3
5.4

W (W)
1.9
2.7

TS (℃)4452

TJ (℃)
6279

実装基板
放熱グリス
ヒートシンク A
写真 2 評価した光源の構成

この放熱構成では、0.50A を印加した場合においても、TJMAX に対して十分に余裕のある状態でした。
さらにヒートシンクのサイズを大きくした場合を考えてみます。

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放熱構成 4-1-2. LED1 個搭載基板＋ヒートシンク B
ヒートシンク B の仕様を以下に示します。
材質
アルミ

ヒートシンクB
サイズ(mm) ベース厚(mm)53×53×t35
4フィン
サイズ(mm)0.8×9枚数
64

配列
13×5

熱抵抗(℃/W)
4.25

・ 放熱グリスの熱伝導率は 5.3 W/m・K
放熱構成 4-1-2 での測定結果を、以下の表に示します。
TA (℃)

製品

波長ランク25NCSU334B

U280

IF (A)
0.350.50

VF (V)
5.3
5.5

W (W)
1.92.8TS (℃)3640

TJ (℃)
5467

Light Emitting Diode

実装基板
放熱グリス
ヒートシンク B
写真 3 評価した光源の構成
ヒートシンクを A から B へとサイズを大きくすることで、放熱性能が良くなり、さらに TJ は下がりました。

4-2. LED9 個搭載基板を 3 種類の放熱構成で駆動させた際の TJ
放熱構成 4-2-1. LED9 個搭載基板＋ヒートシンク C
実装基板の仕様を以下に示します。
銅箔0.035

厚さ(mm)
絶縁層0.120

銅ベース
1.5

外形寸法
(mm)
60×60

内部回路
3直列×3並列実装ピッチ(mm)
8.2・ 銅箔及び銅ベースの熱伝導率は 390 W/m・K、絶縁層の熱伝導率は 4.5 W/m・K

TS 測定箇所（中心 LED）

写真 4 実装状態

図 4 実装構造

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ヒートシンク C の仕様を以下に示します。
ヒートシンクC
サイズ(mm)
100×100×t40

材質アルミ

ベース厚(mm)
7本数625

フィンサイズ(mm)
2×2

配列
25×25

熱抵抗(℃/W)
0.52

・ 放熱グリスの熱伝導率は 5.3 W/m・K
放熱構成 4-2-1 での測定結果を、以下の表に示します。
TA (℃)

製品

波長ランク25NCSU334B

U280

IF (A)
0.35
0.50

VF (V)
5.0
5.1

W (W)
1.8
2.6

TS (℃)7788

TJ (℃)
94113

実装基板

Light Emitting Diode

放熱グリス
ヒートシンク C

写真 5 評価した光源の構成
この放熱構成では、0.50A 印加時に TJ は 113℃となり、TJMAX を超えました。このような高密度実装の場合、温度上昇が大きくヒートシンクだけでは冷却できないため、ファンを付けた強制空冷仕様を考えてみます。

放熱構成 4-2-2. LED9 個搭載基板＋ファン付きヒートシンク（ヒートシンク C にファンを付けたもの）
ファンの仕様を以下に示します。
サイズ(mm)
92×92×t38

風量(m3/min)
5.05

静圧(Pa)
385

放熱構成 4-2-2 での測定結果を、以下の表に示します。
TA (℃)

製品

波長ランク25

NCSU334B

U280

IF (A)
0.35
0.50

VF (V)
5.1
5.3

W (W)
1.8
2.7

TS (℃)3844

TJ (℃)
5670

実装基板
放熱グリス
ヒートシンク C
ファン
写真 6 評価した光源の構成
この放熱構成では、0.50A を印加した場合においても、TJMAX を超えませんでした。ファンを付けることで放熱性がよくなり、冷却できるようになります。

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放熱構成 4-2-3. LED9 個搭載基板＋水冷ヒートシンク
水冷ヒートシンクの仕様を以下に示します。
ヒートシンク
材質サイズ(mm)銅120×120×t25

水温(℃)
25流量(L/min.)5.6

熱抵抗(℃/W)
0.01

・ 放熱グリスの熱伝導率は 5.3 W/m・K
放熱構成 4-2-3 での測定結果を、以下の表に示します。
TA (℃)

製品

波長ランク

25

NCSU334B

U280

IF (A)
0.35
0.50

VF (V)
5.2
5.3

W (W)
1.8
2.7

TS (℃)2931

TJ (℃)
4757

Light Emitting Diode

実装基板
放熱グリス

水冷ヒートシンク
写真 7 評価した光源の構成
この放熱構成においても、0.50A 印加で TJMAX の 110℃を超えませんでした。水冷では、十分に冷却できます。

5. 注意事項
5-1. ヒートンシンクの設置方向による放熱性能差
自然空冷ヒートシンクは、設置方向によって放熱性能が異なります。温まった空気が溜まると、TS が上昇してしまうため、空気の動きを妨げないことが重要です。弊社では、フィンを垂直にしてヒートシンクを設置しており、温まった空気が上部から排出されるようにしています（図 5 参照）。実機設計の際は、フィンの向きにも注意して、ヒートシンクを設置してください。

写真 8 フィン垂直
写真 9 フィン下向き（弊社設置向き） （空気の流れを妨げた向き）
図 5 フィンを垂直に設置したときの熱経路イメージ図

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5-2. LED を複数個実装した場合の実装位置による放熱性能差
LED を複数個実装した場合、実装ピッチや位置によって TS が異なります。例として、放熱構成4-2-1 において、LED を 9 個搭載したときの位置が中心のものと端のものとで、TS 及び TJ の比較をしました。結果を以下に示します。

TS 測定箇所（端 LED）
TS 測定箇所（中心 LED）

Light Emitting Diode写真 10 LED を 9 個搭載した LOB の Ts 測定位置

放熱構成 4-2-1.

LED9 個搭載基板＋ヒートシンク C

TA (℃)

製品

波長ランク25

NCSU334B

U280

IF (A)
0.350.50

TS測定箇所
中心端中心
端VF (V)
5.0
5.05.15.1

W (W)
1.8
1.8
2.6
2.6

TS (℃)
77588884

TJ (℃)
9475113109

中心の LED に比べて端の LED の方が、TJ は低くなっています。このため、TJ が最も高くなる中心位置の LEDで TS を測定し、熱設計してください。

6. まとめ実装LED 数が 1 個の場合では、ヒートシンクのみの空冷仕様において、TJMAX に対して十分に余裕があることを確認しました。また、ヒートシンクサイズの大きい方が、より TJ を抑えることができました。
複数個の LED が高密度実装されている場合では、ヒートシンクのみでは、TJMAX 以内に抑えることは厳しいですが、ヒートシンクにファンを付けたり、水冷仕様にすれば、TJMAX 以内に抑えることができます。高密度実装では、隣り合う LED 同士間で熱の干渉が発生し放熱性が悪くなるため、ピッチ幅を十分に確保するか、強制空冷や水冷仕様にして、十分に冷却できていることを確認いただいた上でご使用ください。

備考
NCSU334B では、絶対最大定格を、IF は 0.50A、TJ は 110℃と定めています。左記いずれかを超える条件でのご使用は保証不可となりますので、ご注意下さい。

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