放熱設計 - シチズン電子

放熱設計
Standard Type Ver.3
CLU024,CLU034,CLU044,CLU054
LEDの性能を最大限に発揮させる上で、必須要件となっているのが放熱設計です。
適切な放熱設計をしていただくために、本書では製品の詳細な放熱構造と照明機器などの
熱設計時に必要と思われる資料を参考として提供します。
CONTENTS
1.
はじめに
P.2
2.
パッケージ構造と熱抵抗
P.2
3.
パッケージ外の熱設計
P.3
4.
シミュレーション
P.4
Appendix　CLU024-1201,CLU024-1202
P.5
CLU024-1203,CLU024-1204
P.6
CLU034-1205,CLU034-1206
P.7
CLU034-1208,CLU044-1212
P.8
CLU044-1812,CLU044-1818
P.9
CLU054-1825
P.10
シチズン電子株式会社
〒403-0001 山梨県富士吉田市上暮地1-23-1
TEL 0555-23-4121 http://ce.citizen.co.jp
Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved.
Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714)
放熱設計
Standard Type Ver.3
LEDが発した熱を効率的に伝導できる、
放熱構造となっています。
1.
はじめに
放熱構造の重要性について
LEDの発光素子は投入電力に応じた光と熱を発します。しか
部の特定部位の温度（ケース温度）：Tc[℃]を測定し、ジャンク
しLEDパッケージでの表面積は非常に小さく、パッケージレベ
ションとケース間の熱抵抗：Rj-c[℃/W]及び、発熱量≒投入
ルでの大気中への熱放射はほとんど期待できません。そのた
電力：Pi[W]を用いてTj[℃]を計算します。
め、ヒートシンクなどの外部放熱器が必要となり、その放熱器
COBタイプLEDパッケージは、熱抵抗：Rj-cを最小限に抑え
との接続部位までは、主に熱伝導を利用した放熱構造となり
る構造により、発光素子で発生した熱を効率的に外部放熱器
ます。
まで伝導させることが可能です。
LEDパッケージでは、発光素子のジャンクション温度：Tjの管
本書では、COBタイプLEDパッケージの詳細な放熱構造を示
理が大変重要で、いかなる条件下においても仕様書の絶対最
すとともに、照明機器などの熱設計時に必要な資料を提供す
大定格値以下にする必要があります。しかしながら、Tjを直接
る事でLEDの持つ性能を最大限に活かしていただく事を目的
的に測定することは困難であるため、通常はパッケージ外郭
としています。
2.
パッケージ構造と熱抵抗
ジャンクション温度把握のために
COBタイプLEDパッケージを外部ヒートシンクに接続した場
ここで、発光素子のジャンクション部からパッケージ外郭部の
合の断面構造例を図１(a)に示します。パッケージは、アルミニ
アルミニウム基板面までの熱抵抗がRj-cとなり、パッケージ固
ウム基板と絶縁層ならびに通電用銅箔パターンの積層構造に
有の熱抵抗値となります。
なっています。
従って、以下の式が成り立ちます。
ここで特徴的なのは、発光素子は熱伝導率の低い絶縁層上
Tj = Rj-c ・ Pi + Tc
ではなく熱伝導率の高いアルミニウム基板に直接マウントされ
ていることです。これにより、発光素子で発生した熱を効率よく
さらにパッケージ外部のTIMの熱抵抗はRb[℃/W]、ヒートシ
パッケージ外部へ伝導することが可能となります。
ンクの熱抵抗はR-TIM[℃/W]、周囲環境温度はTa[℃]となり
パッケージ外郭部のアルミニウム基板面は、TIM(Thermal
ます。
interface material)を介してヒートシンクに熱的に接続されます
図１(b)は図１(a)の断面図に沿った
。前述したように、発光素子のジャンクション部で発生する熱
等価熱抵抗を示しています。このよう ■図1（b）等価熱抵抗
は主に熱伝導を利用し、発光素子→素子マウント用接着剤→
に、ジャンクション温度：Tjと周囲環
アルミニウム基板→TIMを介して、ヒートシンクに伝わります。
境温度：Taの間に、熱抵抗Rj-c、Rb
、Rhが直列に接続されることとなりま
■図1（a） COBタイプLEDパッケージ
す。ここで、パッケージ外の熱抵抗で
Cross-section diagram
LED die
TJ
Tc
あるR-TIMとRhをまとめて熱抵抗
Rc-aとすることもできます。
Aluminum
TIM
Rj-c
Tj
Rj-c
Tc
R-TIM
Tj
Rj-c
Tc
Rc-a
Rh
つまり、以下の式も成り立ちます。
Ta
R-TIM
Ta
Tj = ( Rj-c + Rc-a ) ・ Pi + Ta
Rh
Heatsink
Ta
2
Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved.
シチズン電子株式会社
〒403-0001 山梨県富士吉田市上暮地1-23-1
TEL 0555 -23 - 4121 http://ce.citizen.co.jp
Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714)
放熱設計
Standard Type Ver.3
パッケージ外熱抵抗と周囲環境温度の相関を
外部放熱機構を設計する上での参考としてお役立て下さい。
3.
パッケージ外の熱設計
外部放熱機構のポイントについて
TIMとヒートシンクを合わせたパッケージ外熱抵抗：Rc-a[℃
す。（一例として、CLU034-1205B8のデータを掲載。）
/W]は、投入電力：Pi[W]、および周囲環境温度：Ta[℃]、なら
周囲環境温度：Taが高くなるほど、そして駆動電流値が大き
びにパッケージ熱抵抗：Rj-c[℃/W]で制限されます。　くなるほど許容されるパッケージ外熱抵抗：Rc-a=R-TIM + Rh
つまり、
が小さくなっていきます。
つまりTjを仕様書上の絶対最大定格値に抑えるためには、周
Tj = ( Rj-c + Rc-a )・ Pi + Ta Rc-a = ( Tj - Ta ) / Pi - Rj-c
囲環境温度が高くなるほど、そして駆動電流値が大きくなるほ
これをTaの関数にすると、
ど、より熱抵抗の小さい≒放熱性能の高いTIMおよびヒートシン
クが必要になることを示しています。よって、外部放熱部材選定
Rc-a = -Ta / Pi + Tj / Pi - Rj-c
の際には図2をひとつの目安としていただき、最終的には実機に
となり、傾き-1/ Piで切片がTj / Pi - Rj-cの直線になります。
よる熱検証をお願い致します。
図2はCOBタイプLEDパッケージにおいて、Tjを仕様書上の
本書後半部にて、製品ごとのグラフを掲載しています。
絶対最大定格値に想定した場合の、周囲環境温度：Taとパッ
ケージ外熱抵抗：Rc-aの関係を駆動電流別に表したグラフで
■図2 Ta - Rc-a（CLU034-1205B8）
（℃/W）
Rj-c=1.1(℃/W)
15
900mA
450mA
600mA
300mA
Rc-a
10
5
0
0
20
40
60
Ta
80
（℃）
3
Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved.
シチズン電子株式会社
〒403-0001 山梨県富士吉田市上暮地1-23-1
TEL 0555 -23 - 4121 http://ce.citizen.co.jp
Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714)
放熱設計
Standard Type Ver.3
4.
シミュレーション
シミュレーションモデル構成図
有効な熱設計のために
Tc ポイント(カソード)
熱設計を行う際には、シミュレーションも有効な手段のひとつ
COBタイプ LED パッケージ
になります。参考のため、下記条件のもと、COBタイプLED
熱伝導性シート
パッケージを熱伝導性シートでヒートシンクに接続した時の、シ
ミュレーション結果を図3(a)、(b)に示します。（一例として、
CLU034-1205B8のデータを掲載。）
本書後半部にて、製品ごとのシミュレーション結果を掲載してい
ます。
L
W
境界条件
周囲環境温度
： Ta=25℃
解析空間
： 400mm×400mm×（350+L）mm
壁面条件
：上面＝Open、他面＝25℃
放熱条件
：自然対流
( 可変 )
H
モデル条件
熱伝導性シートの熱伝導率： 4.5W/ｍ・K
熱伝導性シートの厚み
： t=0.12mm
ヒートシンクの材質
：アルミ（フィン数=6）
外形： W 64mm × H 40mm
＊断面積：1108mm 2、L：（可変）mm
■図3（a） Heat sink surface area - junction temperature Tj （CLU034-1205B8）
■図3（b） Input power - junction temperature Tj （CLU034-1205B8）
（℃）
（℃） 120
120
Input Power : 16.1W
100
Junction Temperature Tj
Junction temperature Tj
110
90
80
70
60
50
40
0
50,000
100,000
150,000
200,000
Surface area of the heatsink
250,000
100
80
60
40
S = 200,000mm2
20
0
300,000
0
5
10
15
20
Input power
（mm ）
2
25
30
35
（W）
※上記データはシミュレーション値であり、実際の測定値を保障したものではありません。
実際に使用する条件で、評価、検証を行って下さい。
4
Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved.
シチズン電子株式会社
〒403-0001 山梨県富士吉田市上暮地1-23-1
TEL 0555 -23 - 4121 http://ce.citizen.co.jp
Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714)
放熱設計
Standard Type Ver.3
Appendix
CLU024-1201B8
■図2-1 Ta - Rc-a（CLU024-1201B8）
（℃/W）
Rj-c=4.2(℃/W)
80
Rc-a
60
180mA
90mA
120mA
60mA
40
20
0
0
20
40
60
80
Ta
■図3（a）-1 Heat sink surface area - junction temperature Tj
（CLU024-1201B8）
（℃）
■図3（b）-1 Input power - junction temperature Tj
（CLU024-1201B8）
（℃）
（℃） 80
60
70
Input Power : 3.2W
56
Junction Temperature Tj
Junction temperature Tj
58
54
52
50
48
46
44
42
40
0
50,000
100,000
150,000
200,000
250,000
Surface area of the heatsink
60
50
40
30
20
0
300,000
S = 200,000mm2
10
0
1
2
3
4
5
6
CLU024-1202B8
7
（W）
Input power
（mm2）
■図2-2 Ta - Rc-a（CLU024-1202B8）
（℃/W）
Rj-c=2.4(℃/W)
60
360mA
180mA
240mA
90mA
Rc-a
40
20
0
0
20
40
60
80
Ta
（℃）
■図3（b）-2 Input power - junction temperature Tj
（CLU024-1202B8）
■図3（a）-2 Heat sink surface area - junction temperature Tj
（CLU024-1202B8）
（℃）
（℃） 90
80
80
Input Power : 6.4W
70
Junction Temperature Tj
Junction temperature Tj
75
65
60
55
50
45
40
70
60
50
40
30
S = 200,000mm2
20
10
0
50,000
100,000
150,000
200,000
Surface area of the heatsink
250,000
0
300,000
0
2
4
6
8
Input power
（mm2）
5
10
12
14
（W）
Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved.
シチズン電子株式会社
〒403-0001 山梨県富士吉田市上暮地1-23-1
TEL 0555 -23 - 4121 http://ce.citizen.co.jp
Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714)
放熱設計
Standard Type Ver.3
CLU024-1203B8
■図2-3 Ta - Rc-a（CLU024-1203B8）
（℃/W）
Rj-c=1.7(℃/W)
30
540mA
270mA
360mA
150mA
Rc-a
20
10
0
0
20
40
60
80
Ta
■図3（a）-3 Heat sink surface area - junction temperature Tj
（CLU024-1203B8）
（℃）
■図3（b）-3 Input power - junction temperature Tj
（CLU024-1203B8）
（℃）
（℃） 100
90
90
85
Junction temperature Tj
Junction Temperature Tj
Input Power : 9.6W
80
75
70
65
60
55
50
70
60
50
40
30
S = 200,000mm2
20
10
45
40
80
0
50,000
100,000
150,000
200,000
250,000
Surface area of the heatsink
0
300,000
0
5
10
15
20
（W）
Input power
（mm2）
CLU024-1204B8
■図2-4 Ta - Rc-a（CLU024-1204B8）
（℃/W）
Rj-c=1.4(℃/W)
30
720mA
360mA
480mA
200mA
Rc-a
20
10
0
0
20
40
60
80
Ta
（℃）
■図3（b）-4 Input power - junction temperature Tj
（CLU024-1204B8）
■図3（a）-4 Heat sink surface area - junction temperature Tj
（CLU024-1204B8）
（℃）
（℃） 120
110
Input Power : 12.9W
Junction Temperature Tj
Junction temperature Tj
100
90
80
70
60
50
40
0
50,000
100,000
150,000
200,000
Surface area of the heatsink
250,000
100
80
60
40
S = 200,000mm2
20
0
300,000
0
5
10
15
Input power
（mm2）
6
20
25
30
（W）
Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved.
シチズン電子株式会社
〒403-0001 山梨県富士吉田市上暮地1-23-1
TEL 0555 -23 - 4121 http://ce.citizen.co.jp
Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714)
放熱設計
Standard Type Ver.3
CLU034-1205B8
■図2-5 Ta - Rc-a（CLU034-1205B8）
（℃/W）
Rj-c=1.1(℃/W)
15
900mA
450mA
600mA
300mA
Rc-a
10
5
0
0
20
40
60
80
Ta
■図3（a）-5 Heat sink surface area - junction temperature Tj
（CLU034-1205B8）
（℃）
■図3（b）-5 Input power - junction temperature Tj
（CLU034-1205B8）
（℃）
（℃） 120
120
Input Power : 16.1W
100
Junction Temperature Tj
Junction temperature Tj
110
90
80
70
60
50
40
0
50,000
100,000
150,000
200,000
250,000
Surface area of the heatsink
100
80
60
40
S = 200,000mm2
20
0
300,000
0
5
10
15
20
25
30
35
（W）
Input power
（mm2）
CLU034-1206B8
■図2-6 Ta - Rc-a（CLU034-1206B8）
（℃/W）
Rj-c=0.98(℃/W)
12
10
1080mA
540mA
720mA
360mA
Rc-a
8
6
4
2
0
0
20
40
60
80
Ta
（℃）
■図3（b）-6 Input power - junction temperature Tj
（CLU034-1206B8）
■図3（a）-6 Heat sink surface area - junction temperature Tj
（CLU034-1206B8）
（℃）
（℃） 140
130
120
Input Power : 19.3W
110
Junction Temperature Tj
Junction temperature Tj
120
100
90
80
70
60
50
40
0
50,000
100,000
150,000
200,000
Surface area of the heatsink
250,000
100
80
60
40
0
300,000
S = 200,000mm2
20
0
5
10
15
20
25
Input power
（mm2）
7
30
35
40
45
（W）
Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved.
シチズン電子株式会社
〒403-0001 山梨県富士吉田市上暮地1-23-1
TEL 0555 -23 - 4121 http://ce.citizen.co.jp
Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714)
放熱設計
Standard Type Ver.3
CLU034-1208B8
■図2-7 Ta - Rc-a（CLU034-1208B8）
（℃/W）
Rj-c=0.78(℃/W)
10
8
1440mA
720mA
960mA
480mA
Rc-a
6
4
2
0
0
20
40
60
80
Ta
■図3（a）-7 Heat sink surface area - junction temperature Tj
（CLU034-1208B8）
（℃）
■図3（b）-7 Input power - junction temperature Tj
（CLU034-1208B8）
（℃）
（℃） 160
160
140
Input Power : 25.7W
Junction Temperature Tj
Junction temperature Tj
140
120
100
80
60
40
0
50,000
100,000
150,000
200,000
250,000
Surface area of the heatsink
120
100
80
60
40
0
300,000
S = 200,000mm2
20
0
10
20
30
40
50
60
（W）
Input power
（mm2）
CLU044-1212B8
■図2-8 Ta - Rc-a（CLU044-1212B8）
（℃/W）
Rj-c=0.52(℃/W)
6
2160mA
1080mA
1440mA
720mA
Rc-a
4
2
0
0
20
40
60
80
Ta
（℃）
■図3（b）-8 Input power - junction temperature Tj
（CLU044-1212B8）
■図3（a）-8 Heat sink surface area - junction temperature Tj
（CLU044-1212B8）
（℃）
160
（℃） 160
140
Input Power : 38.6W
Junction Temperature Tj
Junction temperature Tj
140
120
100
80
60
40
0
50,000
100,000
150,000
200,000
Surface area of the heatsink
250,000
120
100
80
60
40
0
300,000
S = 200,000mm2
20
0
10
20
30
40
Input power
（mm ）
2
8
50
60
70
（W）
Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved.
シチズン電子株式会社
〒403-0001 山梨県富士吉田市上暮地1-23-1
TEL 0555 -23 - 4121 http://ce.citizen.co.jp
Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714)
放熱設計
Standard Type Ver.3
CLU044-1812B8
■図2-9 Ta - Rc-a（CLU044-1812B8）
（℃/W）
Rj-c=0.39(℃/W)
4
Rc-a
3
2160mA
1080mA
1440mA
720mA
2
1
0
0
20
40
60
80
Ta
■図3（a）-9 Heat sink surface area - junction temperature Tj
（CLU044-1812B8）
（℃）
■図3（b）-9 Input power - junction temperature Tj
（CLU044-1812B8）
（℃）
（℃） 160
160
140
Input Power : 53.6W
Junction Temperature Tj
Junction temperature Tj
140
120
100
80
60
40
0
100,000
200,000
300,000
400,000
500,000
Surface area of the heatsink
120
100
80
60
40
0
600,000
S = 200,000mm2
20
0
10
20
30
40
50
60
70
CLU044-1818B8
80
（W）
Input power
（mm2）
■図2-10 Ta - Rc-a（CLU044-1818B8）
（℃/W）
Rj-c=0.26(℃/W)
4
Rc-a
3
2160mA
1080mA
1620mA
720mA
2
1
0
0
20
40
60
80
Ta
■図3（a）-10 Heat sink surface area - junction temperature Tj
（CLU044-1818B8）
（℃）
■図3（b）-10 Input power - junction temperature Tj
（CLU044-1818B8）
（℃）
（℃） 160
180
140
Input Power : 86.8W
Junction Temperature Tj
Junction temperature Tj
160
140
120
100
80
60
40
0
250,000
500,000
750,000
Surface area of the heatsink
1,000,000
120
100
80
60
40
0
1,250,000
S = 400,000mm2
20
0
20
40
Input power
（mm2）
9
60
80
100
（W）
Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved.
シチズン電子株式会社
〒403-0001 山梨県富士吉田市上暮地1-23-1
TEL 0555 -23 - 4121 http://ce.citizen.co.jp
Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714)
放熱設計
Standard Type Ver.3
CLU054-1825B8
■図2-11 Ta - Rc-a（CLU054-1825B8）
（℃/W）
Rj-c=0.25(℃/W)
3
3000mA
1500mA
2250mA
1000mA
Rc-a
2
1
0
0
20
40
60
80
Ta
■図3（a）-11 Heat sink surface area - junction temperature Tj
（CLU054-1825B8）
（℃）
■図3（b）-11 Input power - junction temperature Tj
（CLU054-1825B8）
（℃）
（℃） 160
180
140
Input Power : 120.1W
Junction Temperature Tj
Junction temperature Tj
160
140
120
100
80
60
40
0
500,000
1,000,000
1,500,000
Surface area of the heatsink
2,000,000
120
100
80
60
40
0
2,500,000
S = 940,000mm2
20
0
20
40
60
80
Input power
(mm2)
10
100
120
140
（W）
Copyright © 2014 CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. All Rights reserved.
シチズン電子株式会社
〒403-0001 山梨県富士吉田市上暮地1-23-1
TEL 0555 -23 - 4121 http://ce.citizen.co.jp
Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714)
● 本書に掲載している技術情報及びデータの使用によって生じる、あるいは、使用できな
かったことによって生じる不利益や損害、訴訟原因に対する責任、その他あらゆる損害、損
失について、シチズン電子株式会社はその責任を一切負いません。
● 本技術情報及びデータは利用者に対し、現状で提供されるものであり、シチズン電子株式
会社は、本技術情報及びデータ上の誤りその他の瑕疵のないこと、本技術情報及びデー
タが特定目的に適合すること並びに本技術情報及びデータ及びその使用が利用者又は利
用者以外の第三者の権利を侵害するものでないこと、その他のいかなる内容についての保
証も行うものではありません。
● シチズン電子株式会社は通知なしに技術情報及びデータを変更する権利を留保します。
掲載されている情報（文章、写真、画像など）は、著作権の対象であり、法律によって保護されています。
これらの情報について、「私的使用のための複製」や「引用」など著作権法上認められた場合を除き、
シチズン電子株式会社の許可なく複製、転用等する事は法律で禁止されています。
シチズン電子株式会社
〒403-0001 山梨県富士吉田市上暮地1-23-1
TEL 0555-23-4121
http://ce.citizen.co.jp
お問い合わせ
[email protected]
照明用LEDサイト
http://ce.citizen.co.jp/lighting_led/jp/
Ref.CE-P2753 07/14_R1(0714)

Download Report