Application Note

Light Emitting DiodeCOB の放熱設計
適切なヒートシンクの選定

目次
1. 概要 ................................................................................... 2
2. 目的 ................................................................................... 2
3. 評価方法 ......................................................................... 2
4. 評価結果 ......................................................................... 3
5. まとめ................................................................................ 7

本書内に記載する型番 NTCxS024B-V1、NFCxL036B-V1、NFCxL060B-V1、NFCxJ108B-V1 およびNFDxJ130B-V1 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
近年、COB を搭載した灯具の開発・検討が始められており、製品化も進んでいます。その中で、COB による灯具設計をする際の重要な要素として、「放熱」が挙げられます。
COB は単独で高い出力を有しており、さらに LED チップが密集していることによって、狭範囲で熱が集中しやすい構造になっています。熱の上昇による性能低下(温度特性による光束低下)や、信頼性(寿命)悪化を避けるためにも放熱に対する十分な配慮が必要になります。
本書では、放熱にもっとも関係のあるヒートシンクに着目し、適切なヒートシンクの選定について評価結果を交えて解説します。

2. 目的
本書では、ヒートシンクの体積の違いにより、COB を定電流駆動させた際の熱上昇がどの程度変化するのLight Emitting Diodeかを確認します。
また、COB の最大ジャンクション温度(TJ Max)以内で使用するために必要なヒートシンクの体積についても評価します。

3. 評価方法
弊社 COB の内、下表 1 に示す型番について評価します。
表 1. 評価する COB
型番IF [mA]

VF [V]

定格

最大定格

Typ.

NTCxS024B-V1135300

35.1

NFCxL036B-V1260

540

35.0

NFCxL060B-V1460

900

35.2

NFCxJ108B-V1860

1620

35.3

NFDxJ130B-V11150

1800

39.2

最大ジャンクション温度[℃]140

下図 1 に示す環境にて評価を行います。

密閉ボックス（無風空間）（350mm×350mm×350mm）

ホルダーを用いて COB をヒートシンクに固定（放熱シート使用）

ヒートシンク（Al5052）
体積を変化させ、評価を実施

図 1. 評価環境
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図 1 に示す環境において COB を定電流駆動させ、熱飽和後の TC を測定し、TJ を算出します。
弊社 COB の TC ポイントを図 2 に示します。

TC ポイント

図 2. COB の TC ポイント

4. 評価結果
4.1 型番 NTCxS024B-V1 評価結果
体積が異なるヒートシンクを数パターン準備し、定格電流 135mA(5W 相当)と最大定格電流 300mA(11W 相当)で駆動させた場合の TJ の比較を図 3 に示します。
最大定格電流駆動時に TJ Max(140℃)以内で使用するためには、10cm3 以上のヒートシンクが必要となります。
175

300mA 駆動(11W 相当)
135mA 駆動(5W 相当)

140℃(TJ Max)

150125

TJ [℃]

Light Emitting Diodeなお、駆動電流は COB 各型番において、定格電流および最大定格電流にて評価を行います。

1007550TA=25℃
2501020304050607080

ヒートシンクの体積 [cm3]図 3. 型番 NTCxS024B-V1 ヒートシンクの体積と TJ の関係

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4.2 型番 NFCxL036B-V1 評価結果
体積が異なるヒートシンクを数パターン準備し、定格電流 260mA(9W 相当)と最大定格電流 540mA(20W 相当)で駆動させた場合の TJ の比較を図 4 に示します。
最大定格電流駆動時に TJ Max(140℃)以内で使用するためには、40cm3 以上のヒートシンクが必要となります。
175540mA 駆動(20W 相当)
260mA 駆動(9W 相当)

140℃(TJ Max)150

TJ [℃]

12510050TA=25℃

25050100150200250300350

ヒートシンクの体積 [cm3]図 4. 型番 NFCxL036B-V1 ヒートシンクの体積と TJ の関係

4.3 型番 NFCxL060B-V1 評価結果
体積が異なるヒートシンクを数パターン準備し、定格電流 460mA(16W 相当)と最大定格電流 900mA(33W相当)で駆動させた場合の TJ の比較を図 5 に示します。
最大定格電流駆動時に TJ Max(140℃)以内で使用するためには、350cm3 以上のヒートシンクが必要となります。
175900mA 駆動(33W 相当)
460mA 駆動(16W 相当)

140℃(TJ Max)

150125

TJ [℃]

Light Emitting Diode

75

1007550TA=25℃
25300

350400450500

ヒートシンクの体積 [cm3]図 5. 型番 NFCxL060B-V1 ヒートシンクの体積と TJ の関係

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4.4 型番 NFCxJ108B-V1 評価結果
体積が異なるヒートシンクを数パターン準備し、定格電流 860mA(30W 相当)と最大定格電流 1620mA(57W相当)で駆動させた場合の TJ の比較を図 6 に示します。
最大定格電流駆動時に TJ Max(140℃)以内で使用するためには、400cm3 以上のヒートシンクが必要となります。
175
1620mA 駆動(57W 相当)
860mA 駆動(30W 相当)

140℃(TJ Max)150

TJ [℃]

125

10050TA=25℃

25300

400500600700

ヒートシンクの体積800900[cm3]図 6. 型番 NFCxJ108B-V1 ヒートシンクの体積と TJ の関係

4.5 型番 NFDxJ130B-V1 評価結果
体積が異なるヒートシンクを数パターン準備し、定格電流 1150mA(45W 相当)と最大定格電流 1800mA(70W相当)で駆動させた場合の TJ の比較を図 7 に示します。
最大定格電流駆動時には、ヒートシンクの体積を大きくしても放熱に顕著な効果が得られないことから、十分な放熱対策(例えば強制冷却)を実施し、ご使用ください。次節では、ヒートパイプを用いて冷却能力をさらに高めたヒートシンクで評価した結果を紹介します。
1751800mA 駆動(70W 相当)
1150mA 駆動(45W 相当)

150140℃(TJ Max)125

TJ [℃]

Light Emitting Diode7510075
50TA=25℃

25400500

600

700

8009001000

110012001300

ヒートシンクの体積 [cm3]図 7. 型番 NFDxJ130B-V1 ヒートシンクの体積と TJ の関係
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4.6 ヒートパイプ付ヒートシンクを用いた評価例
4.5 節の評価結果が示すように、高電力駆動条件においてはヒートシンクの体積だけでは十分な放熱効果が得られず、COB の最大ジャンクション温度以内で使用することができない場合があります。
このような場合の対策として、ここではヒートパイプ付ヒートシンクを用いた評価例を紹介します。
・評価 COB ・・・・・

型番 NFDxJ130B-V1

・評価方法 ・・・・・

図 8 参照評価姿勢

左写真に示す放熱条件

自然空冷

環境温度25℃

Light Emitting Diode

ヒートパイプ付ヒートシンク

古河電気工業製: HYC 200
寸法：143mm×130mm×220 mm材質：アルミ、銅ホルダー

Tyco Electronics Corporation 製

ねじ仕様

M3 (なべねじ・ワッシャなし)

締め付けトルク

0.5N・m

放熱グリス仕様富士高分子工業製 SPG-30B
熱伝導率：3.1W/mK

図 8. ヒートパイプ付ヒートシンクを用いた評価方法

・評価結果
COB を駆動させ、熱飽和後における TJ の評価結果を表 2 に示します。
表 2. ヒートパイプ付ヒートシンクを用いた熱評価結果
評価 LED
型番 NFDxJ130B-V1

駆動電流

熱飽和時ジャンクション温度

最大ジャンクション温度[mA]

TJ [℃]

TJ [℃]

114

1401800
最大定格電流表 2 に示すように、ヒートパイプ付ヒートシンクを用いると最大ジャンクション温度以内で使用できることを確認しました。このように、高電力駆動条件では COB の発熱量が大きいことから、ヒートパイプ付ヒートシンクや強制空冷等を製品設計に取り入れ、適切な温度設計となっているか十分検証いただくことを提案します。

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5. まとめヒートシンクの体積は COB の放熱と密接な関係があり、製品の性能および信頼性を高める上で必要不可欠です。製品設計の中で放熱が十分確保できていることを検証いただくことで、製品の品質向上に繋がると考えます。
COB の製品別に熱抵抗(RθJC)が異なりますので、製品設計の際には TC を実測にてご確認くださるようお願い致します。
さらに、COB をヒートシンクへ固定する方法も放熱効果に大きく影響します。こちらについては、アプリケーションノート「COB と筐体の密着性と放熱効果」をご参照ください。
なお、本書で紹介した内容は密閉ボックス(無風空間)における評価結果(ヒートパイプ付ヒートシンクを用いた評価は自然空冷での評価結果)になります。自然対流の環境では異なる挙動を示すと考えられますので、本書Light Emitting Diodeデータは参考としてお取り扱いください。

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