現在、放熱用高出力 LED を応用した PCB には、通常の両面銅箔基板 (FR4)、アルミニウム合金ベースの感光銅基板 (MCPCB)、アルミニウム合金基板に接着剤を塗布したフレキシブル フィルム PCB の 3 種類があります。
放熱効果は、銅層、金属層の厚さ、そして絶縁媒体の熱伝導率に関係しています。一般的には、35μmの銅層と1.5mmのアルミニウム合金板を使用したフレキシブルPCBが用いられます。フレキシブルPCBはアルミニウム合金板に接着されています。もちろん、高熱伝導率のMCPCBは最高の熱性能を発揮しますが、価格も高騰しています。
ここでは、日亜化学工業の「MEASURING TC」の事例からいくつかのデータを計算例として引用します。条件は以下の通りです。LED：3W白色LED、型番：MCCW022、RJC=16℃/W。K型熱電対のポイント温度計の測定ヘッドはヒートシンクに溶接されています。
PCB試験基板：二層銅メッキ基板（40×40mm）、t=1.6mm、溶接面の銅層面積1180mm2裏面銅層面積1600mm2。
LED動作状態: IF-500mA、VF=3.97V
K型熱電対ポイント温度計でTC=71℃を測定した。周囲温度TA=25℃
1. TJを計算します
TJ = RJC x PD + TC = RJC (IF x VF) + TC
TJ=16℃/W(500mA×3.97V)
+71℃=103℃
2.RBAは計算される
RBA=(TC-TA)/PD
=(71℃-25℃)/1.99W
=23.1℃/W
3. RJAが計算される
RJA = RJC + RBA
=16℃/西+23.1℃西
=39.1℃西
設計TJmaxが-90℃の場合、上記の条件で計算したTJは設計要件を満たしません。放熱性に優れたPCBに変更するか、放熱面積を増やし、TJ≤TJmaxになるまで再度テストと計算を行う必要があります。
もう1つの方法は、LEDのUC値が大きすぎる場合、RJC=9℃/WIF=500mAのときにVF=3.65Vに交換し、他の条件は変更せず、T)は次のように計算できます。
TJ = 9 ℃ / W + 71 ℃ (500 ma * 3.65 V) = 87.4 ℃
上記の71℃の計算には若干の誤差があるため、新しい9℃/W LEDを溶接してTCを再試験する必要があります（測定値は71℃よりわずかに低いです）。これは特に問題ではありません。9℃/W LEDを使用した後は、PCBの材質や面積を変更する必要がなく、設計要件を満たしています。
PCB背面のヒートシンク
計算されたTJmaxが設計要件を大幅に上回り、構造上追加の面積が確保できない場合は、PCBを「U」字型のアルミプロファイル（またはアルミ板の打ち抜き加工）に貼り付けるか、ヒートシンクに貼り付けることを検討してください。これらの2つの方法は、複数の高出力LEDランプの設計でよく使用されます。例えば、上記の計算例では、TJ=103℃のPCBの裏面に10℃/Wのヒートシンクを貼り付けると、TJは約80℃まで低下します。
ここで注意すべき点は、上記のTCは室温（通常15～30℃）で測定された値であるということです。LEDランプの周囲温度TAが室温より高い場合、実際のTJは室温で測定された計算値TJよりも高くなるため、設計時にこの点を考慮する必要があります。恒温槽内で試験を行う場合は、使用時に最も高い周囲温度に調整することをお勧めします。
さらに、PCBを水平に設置するか垂直に設置するかによって放熱条件が異なり、TC測定に一定の影響を与えます。ランプのシェル材質、サイズ、放熱孔も放熱に影響を与えるため、設計にはある程度の余裕を持たせる必要があります。
投稿日時: 2022年3月23日
