LED基板の放熱最適化｜Cuエリア・サーマルビア実験レポート

評価基板の仕様

評価に使用した基板の仕様は以下の通りです。(図3参照)

• サイズ：70 x 70mm x 1.6mm
• 基材：FR-4
• 銅箔厚：35μm
• LEDの位置：基板中央
• 片面基板

Cuエリアは4種類を準備しました。

4 × 4 mm
8 × 8 mm
16 × 16 mm
32 × 32 mm

※Cuエリアは、片側の面積となります。

さらに、サーマルビアの効果を確認するため3種類を準備しました（図4参照）。
Cuエリアは、16 x 16mmとしています。

1 line
2 line
3 line

※サーマルビア径：0.35 mm
※サーマルビアの検証では、裏面に表面と同じCuエリアを広げています。

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  図3：評価基板の仕様

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  図4：評価基板の仕様

測定条件

測定条件は、下記となります。

• IF：700mA(2W)
• Ta：23℃
• 通電時間：5分

Tjの測定方法

測定方法は、下記の手順で行います。

• １．Tsポイントに図5のように熱電対を取り付け
• ２．積分球にLED基板を設置
• ３．LEDを点灯
• ４．5分後に光学測定 / Ts温度測定

5分後に放射束を測定し、下記式よりTjを推定します。

Tj = Ts + RthJS_real × Pheat
= Ts + RthJS_real × (IF × VF − Φe) ・・・①

Ts : ソルダーポイント
RthJS_real : 熱抵抗
Pheat : 発熱量
IF : 順電流
VF : 順電圧
Φe：放射束

GW QSSPA1.EMのデータシートには、RthJS elec.が記載されていますが今回はRthJS_realを使用します。
両者の違いについては、過去の技術コラムをご参照ください。

• LED用語集

GW QSSPA1.EMのRthJS_realは、下記より算出できます。

RthJS_real =RthJS_elec. / (1−ηe)
=5.4/(1−0.4)
=9K/W・・・②

ηe : 発光効率

測定結果

図6はCuエリアのサイズによるTjの推移の結果を示します。

• 4 x 4mm : Tjが135℃を超え、放熱不足で不適合
• 8 x 8mm -> 16 x 16mm：Cuエリア拡大によりTjが大幅に低下
• 16 x 16mm -> 32 x 32mm：効果はあるが改善幅は小さい

結論：
Cuエリアは大きくするほど効果はありますが、32 x 32mm以上では効果が飽和します。 過剰なCuエリアの拡大はコスト増につながるため、最適なサイズは16 ~ 32mm程度と考えられます。

図6：CuエリアのサイズによるTjの推移の結果

図7は、サーマルビア本数別のTjの推移の結果を示します。

• サーマルビア無し：Tjが高い
• 1line 追加：明確な改善
• 2~3line追加：効果はわずか

結論：
Tjを下げるためにサーマルビアを入れることは効果的ですが、過剰に増やしても効果は限定的です。
コストと効果のバランスを考え、最低1line以上の配置を推奨します。

図7：サーマルビア本数別のTjの推移の結果

LEDの寿命は温度と電流に依存します。
温度が高く、電流が大きくなるほどLEDの寿命が短くなります。
例えば、IF=700 mA、Tj=85℃で10,000時間の寿命特性を持つLEDがある場合、 光源システムとして、10,000時間を達成させるためにはLEDのTjを85℃以下に抑えることが必須となります。
今回の評価結果では、32 × 32 mm程度のCuエリアが必要であることが分かります。
さらに周囲温度が高くなるような厳しい環境では、アルミや銅などの金属基板を使用することで、放熱性を大幅に向上できます。
これにより、LEDの寿命を確保をし、光源システム全体の信頼性を高めることが可能です。

※LEDの寿命カーブが必要な場合は、当社までご連絡ください。