Application Note

Light Emitting Diode

LED の放熱設計
スルーホールの設計方法

目次
1. 概要 ................................................................................... 2
2. LED の熱経路について ........................................... 2
3. 基板への熱伝達について ....................................... 2
4. スルーホールの設計について .............................. 3
5. まとめ................................................................................ 5

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1/6Jun. 9, 2021

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1. 概要
LED を用いた製品設計を行う上で、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（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使用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。このことからも、LED を使用する上で放熱設計が極めて重要となります。
本書では、放熱設計のひとつであるスルーホールの設計方法について、評価結果を交えて解説します。

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。
Bonding wire

Encapsulating resin

ボンディングワイヤー

封止樹脂

Chip

Package

チップ

パッケージ

Electrode (Cathode)

Solder

電極（カソード）

はんだ
Die BondingBoard

ダイボンド基板

図 1．LED 構造と熱経路イメージ図

3. 基板への熱伝達について基板に対して LED から発生した熱の伝達について、表 1 の放熱シミュレーション結果を用いて説明します。
発生した熱は LED に対し同心円状に広がっていることがわかります。
表 1. 放熱シミュレーション結果
基板パターン

放熱シミュレーション

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Jun. 9, 2021

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4. スルーホールの設計について
本書ではスルーホールの設計に対して、以下 3 項目の試作・検証を行い最適設計への指針を解説します。
<検証項目>(1) スルーホールの穴サイズ(2) スルーホールの穴個数(3) スルーホールの円周方向配置距離(注記)
・試作・検証に用いた基板材質は、FR-4(両面板) 板厚：1.6mm、銅箔厚：35μm です。
・3 章(熱伝導シュミレーション結果)より、スルーホールは LED に対して同心円上に配置しています。
4.1 スルーホールの穴サイズ設計
スルーホールの穴サイズを可変させ、放熱性への効果を検証しました。

表 2．スルーホールの穴サイズ設計 検証に用いた基板
標準基板

穴サイズ検証用[φd]効果の検証は、基準基板(スルーホール無)の TJ を 1 とし、各条件下における TJ の比率を指標としています。スルーホールの穴サイズを可変させた検証結果を図 2 に示します。
Evaluation of Heat Dissipation
TJ vs. Diameter of a Through Hole

基準基板
10.6W
0.9

Relative TJ (a.u.)Light Emitting Diode(スルーホールの穴個数と円周方向配置距離を固定条件とします。)

0.8
0.7
0.6
0.5
00.5

11.5

22.5

Diameter of a Through-hole : φd (mm)

図 2. スルーホールの穴サイズ設計 検証結果

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3/6Jun. 9, 2021

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上記の検証結果より、スルーホールの穴サイズは大きければ大きいほど放熱性が良好ということはなく、最適解が存在することがわかります。これは、銅箔の表面積が関係していると考えられます。
銅箔の表面積に着目した場合、理論上は、(スルーホールによって生まれる穴側面の表面積) － (表面の欠如表面積)が最大値において、最も効果を発揮することになります。
さらにこの関係は、以下の式で表すことができます。
y = (xπ・A・t) － ｛(x/2)2π・A・2｝= -1/2Aπ｛(x – t)2 – t2｝[ x ： スルーホールの直径φd(mm)][ A ： スルーホールの穴個数][t： 基板の板厚(mm)][ y ： 銅箔の純増表面積(mm2)]

4.2 スルーホールの穴個数設計
スルーホールの穴個数を可変させ、放熱性への効果を検証しました。
(スルーホールの穴サイズと円周方向配置距離は固定条件とします。)
表 3．スルーホールの穴個数設計 検証に用いた基板
標準基板

穴個数検証用Number of hole [N]スルーホールの穴個数を可変させた検証結果を図 3 に示します。
基準基板

Evaluation of Heat Dissipation
TJ vs. The Number of a Through Holes

10.6W
0.9

Relative TJ (a.u.)Light Emitting Diode

よって、x = t つまり、スルーホールの穴サイズ(φd)を基板の板厚としたときに最大となることがわかります。

0.80.70.6
0.5
0510152025

The Number of Through-holes : N (piece)

図 3. スルーホールの穴個数設計 検証結果
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4/6Jun. 9, 2021

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穴個数を増やすことによって放熱性の向上に繋がりますが、ある程度の個数以上は効果が微小となります。
また、穴個数を増やすことにより基板の加工性および加工費増にも繋がることから見極めが重要となります。
4.3 スルーホールの円周方向配置距離設計
スルーホールを配置する円周方向距離を可変させ、放熱性への効果を検証しました。
(スルーホールの穴サイズと穴個数は固定条件とします。)
表 4. スルーホールの円周方向配置距離 検証に用いた基板
標準基板

円周方向配置距離検証用

スルーホールの円周方向配置距離を可変させた検証結果を図 4 に示します。
Evaluation of Heat Dissipation
TJ vs. Diameter of a Set of a Through Holes

10.6W
0.9

Relative TJ (a.u.)Light Emitting Diode

[φD]

0.8
0.7
0.6
0.505101520

The Diameter of a set of Through-holes : φD (mm)

図 4. スルーホールの円周方向配置距離設計 検証結果
図 4 の結果から、熱源である LED に近い程、放熱効果は大きいことがわかります。ただし、加工性や作業性等を考慮し、配置位置を検討する必要があります。

5. まとめ本書で紹介しました設計例を組み合わせて基板設計することで、効率よく LED をご使用いただくことができます。また、製品品質の向上にも繋がります。
(注記)電位のある銅箔にスルーホールを設けると、場合により裏面で短絡する可能性がありますのでご注意ください。
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