Application Note

Light Emitting Diode

Nichia 170/131 Series
LED 実装基板の放熱設計について

目次
1. 概要 ................................................................................... 2
2. 対象とする LED ............................................................ 2
3. 金属ベース基板の放熱設計 .................................. 3
4. FR-4 基板の放熱設計 ............................................10
5. まとめ..............................................................................14

本書内に記載する型番 NCSW170C、および NCSW131C 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 が使用できる温度は LED のジャンクション温度（TJ）に依存します。LED の TJ が高くなりすぎると、製品性能に悪影響を及ぼし、最悪の場合には不灯となる可能性があります。そのため、LED の TJ が仕様書で規定されている絶対最大定格を瞬時たりとも超えないように放熱設計する必要があります。
また、LED はパッケージ裏面から放熱するものが多く、LED を実装する基板は放熱設計を考慮するうえで非常に重要です。
本書では、実測やシミュレーションの比較評価結果とともに実装基板の放熱設計について解説します。

2. 対象とする LED
本書では、Nichia 170/131 Series の LED を対象とした放熱設計についての解説を行います。検証例としてしてください。
表 1. 検証に用いた LED
NCSW170C
1.45

NCSW131C
1.45

Unit:mm(0.715)(0.51)(0.51)

1.8

1.15(0.715)
1.8

LED 外形

カソード

アノードカソード発光エリアアノード
発光エリア

0.3

1.6

0.30.815

裏面電極パターン

Unit:mm1.15

1.151.15

LED 型番

1.6

Light Emitting Diode

LED 型番 NCSW170C、NCSW131C を挙げていますので、同 Series の LED についても放熱設計の際の参考と

0.3

1.23

チップヒートシンク
ダイヒートシンク

1.23

IF [mA]

1000

1000

VF [V]

Typ.

3.25

3.25

Φv [lm]

Typ.

350

350

RJS_el [℃/W]

Typ.

3.3

3.3

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3. 金属ベース基板の放熱設計
LED を実装する金属ベース基板の放熱設計で注意する点は、下記のような項目が挙げられます。
(A) Cu 箔面積と厚み(B) 絶縁層の熱伝導率(C) 基板材質
(D) LED の実装ピッチ（クリアランス）
一般的に、LED の実装基板としては FR-4 を使用する場合が多いですが、放熱性を重視する場合には金属ベースの基板を使用することで TJ を低くすることができます。以降では、金属ベースの基板を使用する際の放熱設計について解説していきます。
また、本書では放熱設計の解説の際、Cu 箔パターンをわかりやすくするためにレジストパターンを割愛した簡易なイメージ図を使用しています。実際には、実装性を考慮して各 LED の仕様書に示すような推奨ランドパ

3.1 Cu 箔面積と厚み実装基板の放熱設計を行う際、Cu 箔面積や厚みは重要なパラメータとなります。これは FR-4 でも金属ベース基板でも共通です。下記に Cu 箔面積と厚みを変えた場合の熱シミュレーションの結果を示します。
LED 型番：NCSW170C （駆動電流 IF=1[A]、実装数 1 個)

実装基板：

Al ベース基板 （40×40×1.5t[mm]、絶縁層厚み 120[μm]）

ヒートシンク：A6063 （40×40×25t[mm]）シミュレーション： Flotherm
TA=25℃

10090

Cu箔厚み 35[μm]TjJ [℃]
T

Light Emitting Diode

ターンを開口部とするレジストが必要です。

Cu箔厚み 70[μm]80Cu箔厚み 105[μm]7060
110 実装状態断面図と熱抵抗簡易モデル
1001000
図 1. LED
Cu箔面積 [mm2]図 1. Cu 箔設計値（面積と厚み）と TJ の関係（シミュレーション）

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表 2. Cu 箔面積と Cu 箔上の温度分布（Cu 箔厚み 35[μm]）Cu 箔面積Cu 箔設計値

（片側）Cu 箔上の温度分布

LED403.85

70℃

Cu箔
基板

31[mm2]40860℃50℃
LEDLight Emitting Diode407.85

70℃

Cu箔
基板

125[mm2]
401660℃50℃
LED4017.85

Cu箔70℃

基板
4036650[mm2]

60℃

50℃

“図 1. Cu 箔設計値（面積と厚み）と TJ の関係”のように、Cu 箔面積を大きくすることや Cu 箔厚みを厚くすることで TJ を下げることが可能です。また、“表 2. Cu 箔面積と Cu 箔上の温度分布（Cu 箔厚み 35[μm]）”のように熱源から発生した熱は放射状に拡散するため、Cu 箔面積や厚みを大きくすると放熱に有利な設計となります。

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3.2 絶縁層の熱伝導率
絶縁層の熱伝導率は、金属ベース基板の放熱で重要なパラメータの 1 つです。金属ベース基板でも絶縁層の熱伝導率が悪いと、FR-4 と変わらない放熱効果となってしまう可能性もあります。安価なもので 0.8[W/mK]、高価なものでは 10[W/mK]以上と様々な基板があります。メーカによって使用する絶縁層が異なりますし、同じメーカでも異なる熱伝導率のグレードもありますので、基板設計の際には注意が必要です。
LED 型番：NCSW170C （駆動電流 IF=1[A]、実装ピッチ 1.75[mm]）1 個実装は中央のみ、5 個実装は中央 LED の TJ を測定

実装基板：

Al ベース基板 （40×40×1.5t[mm]、Cu 箔厚み 35[μm]、絶縁層厚み 120[μm]）

ヒートシンク：A6063 （80×80×25t[mm]）シミュレーション： Flotherm

クリアランス0.3

ピッチ1.75400.3

図 2. 評価基板（絶縁層熱伝導率の比較）

図 3. ヒートシンク

TA=25℃

120110100

TTjJ [℃]Light Emitting Diode40

実測 1個実装90

実測 5個実装80

シミュレーション 1個実装
シミュレーション 5個実装

7060500246
絶縁層熱伝導率 [W/mK]8

図 4. 絶縁層熱伝導率と TJ

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3.3 ベース基板比較
LED 型番：NCSW170C （駆動電流 IF=1[A]、実装ピッチ 1.75[mm]）実装基板：

Al ベース基板、Cu ベース基板（40×40×1.5t[mm]、Cu 箔厚み 35[μm]、絶縁層厚み 120[μm]）

ヒートシンク：A6063 （80×80×25t[mm]）シミュレーション： Flotherm

40

絶縁層
Alベース

LEDパッケージ(セラミック)はんだCu箔

Al ベース基板

絶縁層
Cuベース

Cu ベース基板

図 5. 比較評価基板と断面イメージ図

TA=25℃

120

実測 Alベース基板 1個実装

110

TTjJ [℃]Light Emitting Diode40

LEDパッケージ(セラミック)はんだCu箔

実測 Cuベース基板 1個実装

100

実測 Alベース基板 5個実装

90

実測 Cuベース基板 5個実装
シミュレーション Alベース基板 1個実装

80

シミュレーション Cuベース基板 1個実装
70

シミュレーション Alベース基板 5個実装
シミュレーション Cuベース基板 5個実装

60500246
絶縁層熱伝導率 [W/mK]8

図 6. ベース基板比較結果

上記のような環境（基板、ヒートシンク）ではベース基板の材質にはほとんど差はみられず、絶縁層の影響が支配的となります。後述する“3.5 放熱バイパス基板”で示すように、熱伝導率の高い Cu の材料を使うと、よりLED の TJ を下げる設計手法もありますのでご参照ください。

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3.4 2 端子品と 3 端子品の TJ 比較
LED 型番：NCSW170C、NCSW131C （駆動電流 IF=1[A]、実装ピッチ 1.75[mm]）実装基板：

Al ベース基板 （40×40×1.5t[mm]、Cu 箔厚み 35[μm]、絶縁層厚み 120[μm]）

ヒートシンク：A6063 （80×80×25t[mm]）シミュレーション： Flotherm

2 端子品用

3 端子品用図 7. 評価基板

TA=25℃

120

実測 NCSW170C 1個実装
110

TTjJ [℃]Light Emitting Diode40404040

実測 NCSW131C 1個実装100実測 NCSW170C 5個実装

90

実測 NCSW131C 5個実装
シミュレーション NCSW170C 1個実装

80

シミュレーション NCSW131C 1個実装

70

シミュレーション NCSW170C 5個実装

60

シミュレーション NCSW131C 5個実装

500246
絶縁層熱伝導率 [W/mK]8

図 8. LED 2 端子品と 3 端子品の TJ 比較

上記評価結果のように、2 端子品と 3 端子品の LED はシミュレーション上でも実測でも放熱面での有意な差はありませんでした。

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3.5 放熱バイパス基板“3.4 2 端子品と 3 端子品の TJ 比較”のように LED を複数個ならべて使用する際、TA=25℃環境で TJ が 90℃を超えるような放熱設計を行うと、TA=85℃環境では LED の TJ が絶対最大定格の 150℃を超える可能性があります。放熱を良くするための手法として、下記のような基板も紹介します。
LED 型番：NCSW131C （駆動電流 IF=1[A]、実装ピッチ 1.75[mm]）実装基板：

Cu ベース放熱バイパス基板（40×40×1.5t[mm]、Cu 箔厚み 35[μm]、絶縁層厚み 120[μm]）

ヒートシンク：A6063 （80×80×25t[mm]）シミュレーション： Flotherm

LED実装位置
放熱バイパスエリアA

LEDパッケージ(セラミック)
はんだCu箔

40

A'

放熱バイパス
絶縁層Cuベース
AA'

図 9. 放熱バイパス基板のイメージ図

TA=25℃

120
110

TTjJ [℃]Light Emitting Diode40

実測 Alベース基板
実測 Cuベース基板

100

シミュレーション Alベース基板
シミュレーション Cuベース基板

90

シミュレーション Cu放熱バイパス基板
80700246
絶縁層熱伝導率 [W/mK]8

図 10. 放熱バイパス基板の評価結果

複雑な構造のためコストが高くなってしまう設計となりますが、上記結果のように LED の TJ を大きく下げることが可能です。LED を複数実装するなど TJ に余裕がない場合には、放熱性を高めるための有効な手段となります。

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3.6 LED 実装のクリアランスについてLED を複数実装する場合、実装のクリアランスも LED の TJ へ影響を与えます。光学系の設計から考えるとクリアランスは狭いほど有利になることが多いですが、クリアランスが狭くなると TJ が高くなるため注意が必要です。
LED 型番：NCSW131C （駆動電流 IF=1[A]、実装数 5 個）

実装基板：

Al ベース基板、Cu ベース基板、Cu ベース放熱バイパス基板（40×40×1.5t[mm]、Cu 箔厚み 35[μm]、絶縁層厚み 120[μm]）

ヒートシンク：A6063 （80×80×25t[mm]）TA=25℃

110

100Alベース基板
TjJ [℃]
T

Light Emitting Diode

シミュレーション： Flotherm

Cuベース基板

90

Cu放熱バイパス基板

8070
0.00.20.4
0.6
実装クリアランス [mm]0.8

図 11. 実装クリアランス比較シミュレーション

クリアランス
0.3

ピッチ
1.75

0.3

0.5

1.950.70.3a） 実装クリアランス 0.3[mm]b） 実装クリアランス 0.5[mm]2.150.3c） 実装クリアランス 0.7[mm]

図 12. 実装クリアランスイメージ図（例：Cu 放熱バイパス基板）

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4. FR-4 基板の放熱設計
以降では、FR-4 を実装基板として使用する際の放熱設計について解説します。FR-4 基板の放熱設計で注意する点は、下記が挙げられます。
(A) Cu 箔パターン（面積）と厚み(B) スルーホール(C) ヒートシンクとの組み合わせ(A)の Cu 箔設計については金属ベース基板と同様で、Cu 箔面積が大きく厚い設計が放熱には有利です。
(B)のスルーホールは、ホール径、位置（LED からの距離）、ホール数、ホール側面の Cu 厚みが放熱設計に関わるパラメータとなります。

ホー距離Cu箔FR-4距離側面Cu厚み図 13. スルーホールのイメージ図

4.1 スルーホール
LED 型番：NCSW170C （駆動電流 IF=1[A]、実装数 1 個）

実装基板：

FR-4 基板 （30×70×1.6t[mm]、Cu 箔厚み 70[μm]）
スルーホール （側面 Cu 厚み 35[μm]）

ヒートシンク：なし

シミュレーション： Flotherm

7030

Light Emitting Diodeル

径

ホール径

LED実装面

基板裏面

図 14. FR-4 スルーホール評価基板イメージ

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TA=25℃

135130TjJ [℃]
T125

距離 1.0[mm]
距離 1.5[mm]120

距離 2.0[mm]

115
110
510
スルーホール数1520

図 15. スルーホール比較 1（ホール数と距離）

TA=25℃

135130ホール径 0.3[mm]TTjJ [℃]Light Emitting Diode0

ホール径 0.4[mm]125

ホール径 0.6[mm]
ホール径 0.8[mm]

120

115
0510
スルーホール数15

図 16. スルーホール比較 2（ホール数とホール径）

スルーホールは LED との距離を近くすることや数を増すことで放熱効果が上がっていきますが、必ずしもホール径が大きく数が多いほうが有利となるわけではありません。また、数を増やすことで加工のコスト増となりますので、放熱効果とのバランスを見極めることが重要です。

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4.2 Cu 箔パターン
Nichia 170/131 Series はセラミックパッケージであるため、アノード側、カソード側の両方の電極から均一に放熱します。リードフレームタイプの LED では下記のような非対称の基板 Cu 箔パターンをとることは多いです
が、Nichia 170 Series では両側を対象にした Cu 箔パターンとすることが放熱には効果的です。
また、アノード、カソード両方にスルーホールを設ける場合は、裏面側でもアノード、カソード両方の電位を持ってしまうため裏面側を浮かせて使うなど、裏面側でショートしないような対策が必要です。
LED 型番：NCSW170C （駆動電流 IF=1[A]、実装数 1 個）

実装基板：

FR-4 基板 （30×70×1.6t[mm]、Cu 箔厚み 70[μm]）
スルーホール （ホール径 0.4[mm]、側面 Cu 厚み 35[μm]）

ヒートシンク：なし

表 3. FR-4 基板の Cu 箔パターン比較結果（シミュレーション）
対称非対称

7070

Cu 箔パターン

3030

Light Emitting Diode

シミュレーション： Flotherm

LED実装面

LED実装面基板裏面

基板裏面

121[℃]

136[℃]

スルーホールパターン

LED TJ

上記結果では、TA=25℃でも TJ は 120℃以上となっており、高温環境での動作にマージンを持っていません。
FR-4 のサイズを大きくすることや、ヒートシンクを使うなどで TJ を下げることが可能です。基板やヒートシンクの放熱設計だけで LED の TJ を十分に下げられない場合は、LED の駆動電流を下げることも必要です。LED の駆動電流を下げることで光束が下がってしまいますが、LED の TJ の絶対最大定格を超えない設計にすることが重要です。

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4.3 FR-4 の基板サイズ
FR-4 の基板サイズを大きくすることで、Cu 箔パターンの面積を広げて LED の TJ を下げることが可能です。
下記に、基板サイズを大きくした熱シミュレーションの結果を示します。
LED 型番：NCSW170C （駆動電流 IF=1[A]、実装数 1 個）

実装基板：

FR-4 基板 （基板厚み 1.6[mm]、Cu 箔厚み 70[μm]）
スルーホール （ホール径 0.4[mm]、側面 Cu 厚み 35[μm]）

ヒートシンク：なし706670355070152530465026306670

図 17. サイズ比較の FR-4 基板イメージ図

TA=25℃

130120110

TTjJ [℃]Light Emitting Diode

シミュレーション： Flotherm

ホール数 6個100

ホール数 10個90800204060
FR-4基板サイズ(横幅) [mm]80

図 18. FR-4 基板サイズ比較結果（シミュレーション）

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5. まとめLED の TJ を適切な温度にてご使用して頂くため、基本的な実装基板の放熱設計手法について解説させて頂きました。繰り返しとなりますが、LED の TJ 絶対最大定格を瞬時たりとも超えない設計とするようにお願いします。
また、本書では実装基板の放熱設計について実測やシミュレーション結果を一例として記載しておりますが、ヒートシンクやハウジングなどお客様のご使用環境を再現したものではありません。最終的にはお客様の実機Light Emitting Diodeにて LED の TJ をご確認して頂けますようお願いします。

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