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Light Emitting Diode

型番 NCSWE13x/NCSxE17x/NVSxE21xの熱設計について

目次
1．概要 ................................................................................... 2
2．LED の構造について ................................................. 2
3．熱設計について ........................................................... 4
4．LED の熱抵抗について ............................................ 7
5．ジャンクション温度について ................................... 9
6．温度評価について .................................................... 11
7．まとめ .............................................................................. 12

本書内に記載する型番 NCSWE13x、NCSxE17x、および NVSxE21x 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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1/13Mar. 5, 2024

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1．概要
LED の熱設計は、LED の光束および順電圧等の光学電気特性を決定し、更に寿命に大きく関係しているためとても重要です。また、LED の熱評価では、実際の使用環境において点灯させた時にどのようなジャンクション温度になるか十分に管理しておかなければなりません。
弊社の NCSWE13x/NCSxE17x/NVSxE21x は、従来の同出力クラス LED に比べパッケージサイズが非常に小さく、光束密度が高い製品です。しかし、単位パッケージ面積あたりの投入電力は、従来の LED よりも更に高くなっているため、熱設計では特に注意しておく必要があります。
本アプリケーションノートでは、NCSWE13x/NCSxE17x/NVSxE21x の性能を十分に発揮していただくため、熱設計での注意点および温度評価手法について解説します。

2．LED の構造について

Light Emitting DiodeNCSWE13x/NCSxE17x/NVSxE21x は、発光素子(以下チップという)で発生した熱を外部へ効率よく伝熱するため、チップを直接アルミ基板にはんだ付けする構造になっています。チップで発生した熱は、
チップ ⇒ 電極 ⇒ はんだ ⇒ 銅箔 ⇒ 絶縁層 ⇒ アルミ ⇒ ヒートシンクと効率よく伝達し放熱することが可能です。（図 1 参照）

蛍光体
チップ
熱の移動

電極
はんだ銅箔
絶縁層
アルミヒートシンク

図 1. LED の構造と熱の移動
しかし、NCSWE13x/NCSxE17x/NVSxE21x の電極は、パッケージサイズに比例して小さくなっていますので、電極から筐体への放熱経路に使用する部材は、十分な放熱性能をもっているものを使用する必要があります。
ガラスエポキシ樹脂基板等の放熱性の悪い基板を使用する場合については、熱伝達が阻害されジャンクション温度の異常上昇や光束低下等の懸念がありますのでご注意ください。

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2/13Mar. 5, 2024

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電極端子寸法については、図 2、図 3、図 4 の NCSWE13x/NCSxE17ｘ/NVSxE21x の外形寸法を参照願います。
1.250.27～0.350.84

1.252- 0.840.2

CathodeAnode

図 2. NCSWE13x 外形寸法

(単位：mm)NCSWE13x は、NCSxE17x の外形をシュリンクした構造になっています。チップは、NCSxE17x と同一のものをLight Emitting Diode使用しています。

1.7

0.27～0.35

0.86 ※1

1.72- 0.86 ※10.2

CathodeAnode

図 3. NCSxE17x 外形寸法2.1(単位：mm)

0.27～0.351.26 ※22.12- 1.26 ※20.2Cathode

図 4. NVSxE21x 外形寸法

Anode(単位：mm)

NCSxE17ｘ/NVSxE21x の電極端子寸法は、製品のバージョンによって異なります。詳細は、弊社仕様書を参照ください。
※1 型番 NCSxE17A: 0.86mm、型番 NCSxE17A-V1：0.84mm※2 型番 NVSxE21A: 1.26mm、型番 NVSxE21A-V1: 1.24mm

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3/13Mar. 5, 2024

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3．熱設計について
3．1 熱抵抗モデルと各パラメータについて
NCSWE13x/NCSxE17x/NVSxE21x をアルミ基板に実装し、ヒートシンクで放熱させたときの LED 断面図を図5 に、熱抵抗簡易モデルを図 6 に示します。初めに、本アプリケーションノートで使用する用語の説明と主な注意点を表 1 に示します。
TT ：LED表面温度
NCSWE13x=2.125mm
NCSxE17x=2.35mm
NVSxE21x=2.55mm

TT ：LED表面温度

RTJ ：蛍光体層の熱抵抗TA ：周囲温度

TJ ：ジャンクション温度

TB ：基板温度

TC ：LEDケース温度
アルミ基板
ヒートシンクLight Emitting DiodeTJ ：ジャンクション温度
RθJC ：LED単品熱抵抗TB ：基板温度

TC ：LEDケース温度

RP1 ：基板の熱抵抗1RP2 ：基板の熱抵抗2Φ1mm

RC ：放熱材の熱抵抗TA ：周囲温度

図 5. LED 断面図

図 6. 熱抵抗簡易モデル

表 1. 用語の説明と主な注意点
用語

記号

LED 表面温度TT

ジャンクション温度

TJ

用語の説明と主な注意点
LED 発光面の中心温度です。
チップの温度です。NCSWE13x/NCSxE17x/NVSxE21x のジャンクション温度は、最大 135℃ですが、長期信頼性の観点から 100℃以下でご使用ください。
チップから電極までの熱抵抗です。この値は、JESD51 に準拠して測定、算出されLED 単品熱抵抗RθJCた値です。NCSWE13x、NCSxE17x の熱抵抗値は、最大で 1℃/W、
NVSxE21x の熱抵抗値は、最大で 0.6℃/W と大変小さい値になっています。

LED ケース温度

TC電極の温度です。この温度については、測定することが出来ませんが熱シミュレーションにて使用する場合があります。
LED パッケージ側面付近の基板表面温度です。NCSW13x/NCSxE17x/NVSxE21x

基板温度

TB

は、電極にフィレット構造がなく、また LED のはんだ付け部を直接測定することが困難なため、図 5 に示した TB ポイントにて温度測定をする必要があります。

基板の熱抵抗 1

RP1

LED の電極から TB ポイントまでの熱抵抗です。この値は、LED のランドパターン、銅箔面積、アルミ基板の放熱性能、ヒートシンク、動作温度等により変化します。
チップから基板表面温度(TB ポイント）までの熱抵抗です。

LED の熱抵抗RθJB

この値については、以下の関係となります。
LED の熱抵抗(RθJB ) = LED 単品熱抵抗（RθJC）＋基板の熱抵抗 1（RP1）
LED のはんだ付け面からヒートシンク方向（Ｚ方向）までのアルミ基板の熱抵抗です。アルミ基板の熱抵抗は、絶縁層の仕様（熱伝導率、厚み）によって大きく変わ

基板の熱抵抗 2RP2ります。アルミ基板の熱抵抗は、以下の関係となりますので部材選定においては十分注意してください。
熱抵抗(℃/W)=絶縁層の厚み(m)／（絶縁層の熱伝導率(W/m・K) ×面積(m²)）

放熱材の熱抵抗RC

放熱シート、放熱グリス、ヒートシンク等の合成熱抵抗です。

周囲温度

TA

LED 光源モジュールの周囲温度です。

次項では、熱シミュレーション結果を参照しながら実装基板の重要性について説明します。
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4/13
Mar. 5, 2024

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3．2 基板の熱シミュレーションについて
NCSWE13x/NCSxE17x/NVSxE21x の電極はとても小さいため、実装する基板の放熱性能が重要になります。弊社では、LED への投入電力が大きい場合は、ガラスエポキシ樹脂基板（FR４）、ガラスコンポジット基板(CEM3)、低熱伝導のアルミ基板は避け、高熱伝導のアルミ基板の使用を推奨します。参考までに低熱伝導および高熱伝導のアルミ基板に実装した時の熱シミュレーション結果を図 7、図 8 に示します。
TJ が高いTJ が低い熱が拡散しにくい

熱が拡散しやすい

図 7．低熱伝導アルミ基板

図 8．高熱伝導アルミ基板

Light Emitting Diode

低熱伝導のアルミ基板に実装した場合は、熱の拡散が不十分となりジャンクション温度が高くなりますが、高熱伝導のアルミ基板に実装した場合は、LED で発生した熱が効率よくアルミ基板に拡散されていくのでジャンクション温度が低くなります。
3．3 ランドパターンの形成方法と放熱性について
ランドパターンの形成方法は、以下の 2 種類の方法があります。各々のメリット・デメリットを表 2 に示します。
・SMD(Solder Mask Defined)

・・・LED のランドの大きさ、位置を基板表面に塗布されるソルダーレジストの形状で決定する。

・NSMD(Non Solder Mask Defined)・・・LED のランドの大きさ、位置をソルダーレジストではなく銅箔で決定する。

表 2. ランドパターンの形成方法比較
形成方法

SMD

NSMD

外観写真

構成図

実装性

放熱効果

[デメリット][メリット]

ソルダーレジストの塗布精度にソルダーレジストの塗布精度により実装品質が決まる。

実装品質が大きく左右されない。

[メリット][デメリット]銅箔パターン面積を広くとれる

銅箔パターン面積が狭くなる

ため放熱性が良い。

ため放熱性が良くない。

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5/13Mar. 5, 2024

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・LED の実装性について
NCSWE13x/NCSxE17x/NVSxE21x の電極サイズは非常に小さく、アノード端子およびカソード端子間クリアランスは、0.2mm になっていますのでそれに適した基板製作精度が要求されます。SMD 方式のランドは、ソルダーレジストでランドの大きさ、位置を決定しているため、ソルダーレジストの塗布状態が悪い場合には、設計データとの位置ズレやそれによるアノード、カソードランドの大きさに差異が生じます。これらは、LED 実装工程における実装不良（オープン、ショート、位置ズレ、浮き、はんだボール）に直接繋がりますので SMD 方式を採用する場合は、基板製作メーカーでの製作精度を確認した上で、十分な実装評価を行う必要があります。
一方、NSMD 方式のランドは、銅箔でランドの大きさや位置を決定しているため、ソルダーレジストの位置ズレについて大きく影響を受けませんので実装性については、優位になります。
なお、NCSWE13x/NCSxE17x/NVSxE21x については、実装後リペアは出来ませんので弊社発行のアプリケーションノート「Nichia E13 Series の実装について」「NCSxE17x/NVSxE21x の実装について」をご確認いただき、十分に評価を実施してください。

LED で発生した熱を効率よくアルミ基板へ伝達させるためには、電極に接する銅箔をできる限り大きくする必要があります。ランドパターンの形成方法の NSMD 方式では、最大で電極幅サイズまでですが、SMD 方式では、可能な範囲で大きくすることができますので放熱面で優位になります。なお、基板の銅箔の厚みについては、厚い程放熱性は優位になりますが、電極間クリアランスが 0.2mm のため基板製造時のエッチング不良を考慮して銅箔厚 35μm のものを使用することを推奨いたします。
3．4 ランドパターンについて
NCSWE13x、NCSxE17x、NVSxE21x の NSMD 方式のランドパターン

推奨ランドパターンを図 9 に示します。

ソルダーレジスト開口部

1.81.41.10.20.2

Cathode

Anode

1.66
1.26

1.260.860.2

1.240.84

Light Emitting Diode

・LED の放熱性について

CathodeAnode

CathodeNCSWE13xNCSxE17x

Anode

NVSxE21x(mm)

図 9. NSMD 方式の推奨ランドパターン
例えば NCSxE17x の推奨ランドパターンは、ランド幅 0.86mm に対してソルダーレジストを 1.26mm と大きくすることにより、0.2mm 未満のソルダーレジストズレを吸収できる仕様になっています。なお、ランドの形成方法については、各方式にメリット、デメリットがあるため 3．3 項で紹介した事項を十分にご確認いただき、お客様で最適なものを選択してください。
4 章では、ランドパターンの形成方法と基板の放熱性能をパラメータとして条件を振った時の LED の熱抵抗（RθJB）が具体的にいかなる数値になるか実験結果を踏まえて紹介します。
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6/13
Mar. 5, 2024

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4．LED の熱抵抗について
NCSxE17x/NVSxE21x の熱抵抗(RθJB)を、実装するアルミ基板の放熱性能とランドパターンの形成方法をパラメータとして測定し、算出しました。なお、測定方法については、JESD51 に準拠しています。
4．1 評価基板の仕様
アルミ基板の絶縁層の熱伝導率は、1.8W/m・K ～ 11.1W/m・Kの6種類 を使用します。評価基板の仕様を表3に示します。

Light Emitting Diode表 3. 評価基板仕様
基材仕様※1単位

NRA-ES1

NRA-8

NRA-E(3.0)

NRA-E(6.5)

NRA-H6

NRA-H10

絶縁層熱伝導率※2W/m･K

1.8

2.1

2.7

4.5

5.7

11.1絶縁層厚μm120120120120120120

銅箔厚μm353535353535

アルミ厚mm111111※1 アルミ基板材料：株式会社日本理化工業所製※2 絶縁層の熱伝導率：基板メーカーのカタログ値で保証値ではありません。
4．2 ランドパターン形成方法と配線の引き回し方法

・NCSxE17x について
ランドパターンの形成方法は、 NSMD と SMD の 2 種類とします。配線引き回しのパターン幅は、最小値（0.5mm）、電極幅寸法（0.86mm）、パッケージサイズ（1.7mm）、最大値（5mm）の 4 種類とします。
表 4. NCSxE17xタイプ

AB

CD

ランドパターン

NSMD

NSMD

SMD

SMD

パターン幅

0.5mm

0.86mm

1.7mm

5mm

非推奨例

高密度実装

高密度実装

単独実装他

パターン図

使用用途

・NVSxE21x について
ランドパターンの形成方法は、NSMD と SMD の 2 種類とします。配線引き回しのパターン幅は、最小値（0.8mm）、電極幅寸法（1.26mm）、パッケージサイズ（2.1mm）、最大値（5mm）の 4 種類とします。
表 5. NVSxE21xタイプ

ABCD

ランドパターン

NSMD

NSMD

SMD

SMD

パターン幅0.8mm

1.26mm

2.1mm

5mm

非推奨例

高密度実装

高密度実装

単独実装他

パターン図

使用用途

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7/13Mar. 5, 2024

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4．3 過渡熱抵抗測定結果

・NCSxE17x sm27 R8000、IF=700mA 時の熱抵抗(RθJB)を図１0 に示します。
35.0

熱抵抗値(℃/W)

30.0
25.020.0

A:NSMD 0.5mm
B:NSMD 0.86mm

15.0C:SMD 1.7mm
10.0

D:SMD 5mm

0.00246810
アルミ基板の絶縁層の熱伝導率(W/m・K)

12

図 10. NCSxE17x 熱抵抗・NＶSxE21x sm27 R8000、IF=1400mA 時の熱抵抗(RθJB)を図 1１に示します。
35.030.0
熱抵抗値(℃/W)

Light Emitting Diode5.025.020.0

A:NSMD 0.8mm
B:NSMD 1.26mm

15.0

C:SMD 2.1mm
10.0

D:SMD 5mm

5.00.00246810
アルミ基板の絶縁層の熱伝導率(W/m・K)

12

図 1１. NVSxE21x 熱抵抗
NCSxE17x および NVSxE21x は、アルミ基板の絶縁層の熱伝導率が大きくなると熱抵抗が小さくなることを確認しました。また、ランドパターンの形成方法では、NSMD 方式よりも SMD 方式、また、配線の引き回しのパターン幅が大きい程、熱抵抗が小さくなることを確認しました。
4．4 推奨アルミ基板材料
LED の熱抵抗(RθJB)は、アルミ基板の熱伝導率が大きいものを使用すると、ランドパターンの形成方法や配線の引き回し方法に左右されにくくなる傾向にあります。また、LED の熱抵抗も小さくなるため、NCSWE13x/NCSxE17x/NVSxE21x に使用するアルミ基板材料は、絶縁層の熱伝導率が 5.7W/m・K 以上のものを推奨いたします。
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Mar. 5, 2024

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5．ジャンクション温度について
ジャンクション温度の算出には、次の 2 種類の方法があります。
・LED の TB 温度と投入電力から算出
・LED の⊿VF 法による算出
本章では、上記の温度評価方法について、説明します。
5．1 LED の TB 温度と投入電力から算出
ジャンクション温度については、次の式で表されます。
この式より、ジャンクション温度の概算値を算出可能です。
TJ=ジャンクション温度、TB=基板温度、TJ = TB + RθJB･W

RθJB =チップから TB 測定ポイントまでの熱抵抗、W=投入電力（IF×VF)

なお、RθJB については、4 章で解説したとおり、LED の実装基板によって大きく異なります。

Light Emitting Diode

弊社では、前章の評価結果をもとに各基板における熱抵抗を表 6 に示します。本熱抵抗値は、配線パターンで一番厳しい条件（NSMD 方式）における熱抵抗となっています。また、お客様の使用条件、使用環境によって値が異なる可能性がありますので、参考値としてお取り扱い願います。

表 6. 各製品の熱抵抗
LED※5
NCSxE17x（NCSWE13ｘ）
NVSxE21x

記号単位基板※3基板※4RθJB℃/W

1631RθJB℃/W

921※3：アルミ基板絶縁層熱伝導率 5.7W/m・K、厚み 120μm 使用時※4：アルミ基板絶縁層熱伝導率 1.8W/m・K、厚み 120μm 使用時※5：NCSWE13x は、NCSxE17x と同じチップを使用しているため、NCSxE17x の熱抵抗を使用してください。

・TB 温度の測定方法について
熱電対の取り付け位置は、熱電対の測温部をはんだ付けする時に LED に悪影響を与えないところで出来る限り LED に近いところが適切です。NCSWE13x は LED の中心から 2.125mm、NCSxE17x は LED の中心から2.35mm、NVSxE21x は LED の中心から 2.55mm の位置に温度測定ポイント(大きさφ1.0mm)を設けることを推奨いたします。弊社で使用している熱電対を図 12 に、熱電対取り付け後の写真を図 13 に示します。

図 12. 熱電対（K 熱電対）

図 13. 熱電対取り付け後

5．2 LED の⊿VF 法による算出LEDの順電圧VFは、温度変化に伴い変動する特性をもっています。この特性を利用して、光源モジュール内のジャンクション温度を算出する方法です。
・実装した LED 単品の温度係数測定
恒温槽内に LED 光源モジュールを設置し、TA を 25℃から 135℃に変化させた時の VF を測定します。
測定結果より温度係数を次式より算出します。
温度係数 K=（VF＠25℃－VF＠135℃）/（135-25）
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Mar. 5, 2024

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なお、測定電流は自己発熱の影響がなく、VF 測定において再現性のある微小電流(ＩM =1mA)としてください。
測定回路を図 14 に、TA と VF の関係を図 15 に示します。

VF（V）

恒温槽
TA=25～135℃

IP=1mA

傾き=温度係数 KTA（℃）

図 14. 測定回路

図 15. TA と VF の関係

・LED 点灯熱飽和状態におけるジャンクション温度の算出めます。VF1 および VF2 は、自己発熱の影響がなく、再現性のある測定電流(ＩM =1mA)とし、熱飽和させる電流値(ＩF)は、実際に使用する値としてください。ジャンクション温度と⊿VF は、次式の関係となります。この式より、ジャンクション温度の概算値が算出可能です。
ＴJ=⊿VF/K＋ＴA
測定回路を図 16 に、印加電流、測定電圧の参考例を図 17、図 18 に示します。
IM =1mA
IF =熱飽和電流

VF（V）

図 16. 測定回路

IF（mA）

Light Emitting DiodeLED 光源モジュールの点灯直後の VF1 と熱飽和までエージングした時の VF2 を測定し、⊿VF＝VF1-VF2 を求

エージング

IF→

VF1→IM→

VF2→（sec）

図 17. 印加電流（sec）

図 18. 測定電圧

⊿VF 法による算出については、5.1 項での算出方法と比べて測定精度が高いことが特徴です。しかし、お客様にて恒温槽、印加用電源、測定設備を準備していただく必要があります。測定方法としては、温度係数 K と⊿VF を精度よく測定しなければならず、容易ではありませんので次章にて簡易な温度評価方法を紹介します。
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Mar. 5, 2024

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6．温度評価について
LED モジュールの温度評価には、赤外線サーモグラフィによる確認が有効です。この方法では、ジャンクション温度の測定はできませんが、LED の表面温度や LED 光源モジュールの温度分布を確認することが可能で実用的な手法です。以下に弊社での確認例を図 19 に示します。
6．1 LED 光源モジュール温度評価例について[評価モジュール]LED 表面温度(中央）LED 表面温度(端部）

Light Emitting Diode

基板温度

外形：□40mm、LES Φ17.4mmNCSxE17x：sm27 R8000 48 灯
動作電流：350mA
投入電力：48W※フリアーシステムズジャパン株式会社製

アルミ基板絶縁層
熱伝導率：5.7Ｗ/m・K

Type.：T620＜640×480pixel＞にて測定

厚み:：120μm

図 19. 赤外線サーモグラフィによる温度評価

ランドパターン：NSMD
ヒートシンク：0.5℃/W

6．2 LED 表面温度について
NCSWE13x/NCSxE17x/NVSxE21x の表面温度は、ジャンクション部より高くなる傾向にあります。LED の主な熱源は、「ジャンクション部」ですが、蛍光体層部分でも、波長変換によるストークスロスのため発熱します。
NCSWE13x/NCSxE17x/NVSxE21x の蛍光体層は、非常に薄く、また、チップの放熱経路から遠い構造になっているため、熱が逃げ難くなっています。蛍光体層での発熱に関する模式図を図 20 に示します。

LED 表面温度
発熱源 蛍光体層

蛍光体層での発熱：チップを経由して熱伝導

熱伝導

熱伝導

ジャンクション温度
発熱源 ジャンクション部

図 20. 蛍光体層での発熱This document contains tentative information, Nichia may change the contents without notice.
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11/13Mar. 5, 2024

Application Noteなお、蛍光体層での発熱は、 色温度、演色性、光出力によって変化します。 LED の動作電流におけるジャンクション温度と LED 表面温度間の関係の一例を図 21､22 に示します。
7070606050

温度 40差30℃）(sm50 R70
sm27 R8000

20

sm50 R70(50温度 40差30℃）

sm27 R8000

201010000200

400

600

800動作電流(mA)

図 21. NCSxE17x の表面温度-ジャンクション温度差

0500

1000

1500動作電流(mA)

図 22. NVSxE21x の表面温度-ジャンクション温度差Light Emitting Diode

図 21 より NCSxE17x R8000 sm27、IF=350mA の表面温度は、ジャンクション温度より約 30℃高いことが確認できますので、本結果を用いてジャンクション温度の概算値を算出することが可能です。以下に算出例を示します。
例：NCSxE17x R8000 sm27、IF=350mAの場合
ジャンクション温度概算値・・・LED 表面温度測定値(赤外線サーモグラフィ）－30℃(図 21 より）
6．3 温度評価における注意事項
・赤外線サーモグラフィでの測定値には、測定器、測定条件、測定環境によって測定誤差が生じます。
本値を用いる場合の熱設計については、十分余裕をもった設計を行ってください。
・LED の表面温度は、ジャンクション温度よりさらに高温になります。耐熱温度の低い光学部品（レンズ、リフレクタ）との併用には十分注意してください。また、光学部品等との空間距離については、適切な距離を確保し、十分な事前検証を実施してください。
・LED の表面温度は、150℃1以下を推奨いたします。LED の表面温度が高温となる場合は、ＬＥＤが大変高い負荷の状態で使用されていると考えますので、再度、使用基板の選定、ランドパターン、放熱用のヒートシンク、動作電流に問題ないかご確認ください。

7．まとめ
本アプリケーションノートでご説明した内容は、いずれも NCSWE13x/NCSxE17x/NVSxE21x の熱設計を行う上で重要な項目となります。LED 照明器具の設計については、光源モジュールに適した基板材料、放熱材料を選定してください。
温度評価は、お客様の最終仕様製品にてご使用になる環境等を確認した上で十分に実施していただきますようお願いします。
以上

1

LED の表面温度は、演色性ランク R70,R8000,R9050,R9080 時は 150℃以下を推奨します。LED の表面温度は、演色性ランク RS060 時は 135℃以下を推奨します。

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12/13Mar. 5, 2024

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13/13Mar. 5, 2024