LEDにはヒートシンクが必要ですか?

 

LED にヒートシンクが必要かどうかを 5 人のエンジニアに尋ねると、おそらく 5 つの異なる答えが得られるでしょう。それは力に依存します。デザインにより異なります。それをどのくらい長く続けたいかによって異なります。* 残念なことに、それらはすべて正しいということです。

 

短いバージョンは次のとおりです。すべての LED にヒートシンクが必要なわけではありませんが、重要な LED にはおそらくヒートシンクが必要です。

 

 

商用アプリケーション用の LED コンポーネントを調達している場合は、-天井照明、自動車用ヘッドランプ、園芸用照明、ディスプレイ バックライトなどを検討してください-。この質問は単なる学術的なものではありません。それは、製品の寿命、保証コスト、そして顧客が予想よりずっと前に器具を交換することになるかどうかに直接影響します。

 

それでは、製品を作って生計を立てる人にとって実際に重要な詳細を見ていきましょう。

 

質問の背後にある単純な物理学

 

LEDは白熱電球に比べて効率が良いです。それは誰もが知っています。しかし、「効率的」というのは「かっこいい」という意味ではありません。標準的な高出力 LED は、電気エネルギーの 30 ～ 50% を光に変換します。{3}}残り？熱。

 

この熱は、半導体接合部、{0}}実際に光が発生する LED 内の小さなスポットで発生します。ジャンクション温度が上昇しすぎると、いくつかのことが起こり始めます。光出力が低下します。色が変化します。寿命が激減する。極端な場合には、LED が完全に故障します。

 

ヒートシンクの仕事は単純です。接合部から熱を奪い、周囲の空気中に放散します。問題は、熱を管理する必要があるかどうかではありません。それは、特定のアプリケーションがその管理を行うために専用のヒートシンクを必要とするかどうかです。

 

ヒートシンクを省略できる場合

 

低電力 LED は、LED なしで動作する場合があります

小型の低電力 LED の場合は、コントロール パネルのインジケータ ライト、装飾ストリップ照明、または 0.5 ワット以下で動作する LED を考えてください。-多くの場合、コンポーネント自体が熱を処理します。リード線または小さな PCB トレースは、ジャンクション温度を仕様内に維持するのに十分な熱経路を提供します。ヒートシンクは必要ありません。

 

しかし、ここに落とし穴があります。 「低電力」は相対的なものです。 12 個の低電力 LED を小さな基板にしっかりと詰め込むと、蓄積される熱が問題になります。-その時点で、効率的により高い電力密度のアプリケーションを構築することになり、熱管理が再び必要になります。{4}}

 

中{0}}から-高出力 LED はほぼ常に熱管理が必要です

1-ワット以上の LED-の範囲に入ると、特に今日の高密度 COB（チップ-オンボード-）アレイでは、小さな設置面積に大量の電力が詰め込まれており、ヒートシンクなしで動作すると問題が発生します。

 

商用ダウンライトや高天井器具で使用される一般的な 50 ワット LED を考えてみましょう。-適切に設計されたヒートシンクがないと、ジャンクション温度が数分以内に 100 度を超える可能性があります。このような温度では、LED の定格寿命 50,000 時間は 10,000 時間近くまで低下します。光出力は最初の 1 年以内に 30% 以上低下する可能性があります。

 

それはコンポーネントの故障ではありません。それは製品の故障です。そして、それらの備品を販売している場合、それが問題になります。

 

適切なヒートシンクが実際に何をするのか (単なるフィン付きの金属であることを超えて)

しばらくヒートシンクを調達している人なら、それらがすべて同じように作られているわけではないことをご存知でしょう。フィンを備えた押し出しアルミニウム片を使用するのが最も一般的なアプローチですが、その背後にあるエンジニアリングは、ほとんどの人が思っている以上に重要です。

 

表面積と空気の流れ

ヒートシンクは、周囲の空気に熱を伝達できる表面積を増やすことで機能します。表面積が増えると、ある程度まで冷却効果が高まります。-フィンの密度、フィンの高さ、向きはすべて、空気がヒートシンク内を効率的に移動する方法に影響します。パッシブ冷却 (ファンなし) では、自然対流が実際に機能するようにフィンの間隔を空ける必要があります。フィンが多すぎると、きつく詰め込まれすぎて、空気の流れが失われます。直感に反しますが、本当です。

 

材料の導電率

アルミニウムが標準であるのには十分な理由があります。優れた熱伝導率（6063 などの一般的な合金の場合約 200 W/m·K）を備え、軽量で、複雑な形状に押し出し、機械加工、またはダイカストすることができます。-銅は熱伝導性に優れていますが、より重く、より高価です。ほとんどの LED アプリケーションでは、アルミニウムが最適な材料となります。

 

インターフェイスは重要です

これは見落とされがちな部分です。ヒートシンクは、実際に LED からシンクに熱が入る場合にのみ機能します。これは、適切な取り付け、平らな表面、そして通常は LED パッケージとヒートシンク表面の間の微細な隙間を埋めるためのサーマル インターフェース材料-サーマル ペースト、パッド、または相変化材料--）を意味します。それをスキップすれば、ヒートシンクを完全に省略することもできます。

 

本当に必要なものを知る方法

LED を中心に製品を設計している場合、問題は実際には「ヒートシンクが必要か?」ということではありません。それは、「この設計にはどの程度の熱管理が必要か?」ということです。

 

それについて考えるための実践的な方法は次のとおりです。

- 低電力インジケーター アプリケーション（合計 1W 未満）:-おそらく専用のヒートシンクがなくても大丈夫でしょう。 PCB 銅注入で十分かもしれません。

- 低-〜-電力（合計 1W〜10W）:通常は、小型の押し出し成形または打ち抜き加工されたヒートシンクが必要です。多くの場合、受動的冷却で十分です。

- 中-～-高電力（合計 10W～100W+）:カスタムの押出成形、機械加工、または接着されたフィン ヒートシンクが標準になっています。{0}適切な表面積を確保できる設計であれば、受動冷却は引き続き機能します。空気の流れが制限されている場合、または周囲温度が高い場合は、強制冷却 (ファン) を考慮する必要がある場合があります。

- 高密度アレイと COB モジュール:-これらには、多くの場合、アクティブ冷却、またはかなりの表面積を備えた高度に最適化されたパッシブ ソリューションが必要です。熱密度が高すぎるため、他の方法で管理することはできません。

 

間違った判断をした場合の代償

ここで熱管理について説明します。ヒートシンクのサイズを小さくしたり、ヒートシンクを完全に省略したりしても、すぐに障害が発生することはほとんどありません。製品は初期テストに合格しました。動作の最初の数か月間は良好に見えます。しかしダメージは蓄積していきます。

 

LED の寿命はアレニウス モデルに従います。-基本的に、ジャンクション温度が 10 度上昇するごとに、寿命はおよそ半分になります。したがって、ジャンクション温度 85 度で 50,000 時間持続するように設計された製品は、95 度で 25,000 時間、105 度で 12,500 時間しか持続しない可能性があります。

 

商業顧客、{0}}施設管理者、自動車 OEM、照明仕様者-に販売する場合、これらの 50,000 時間は期待されます。彼らはその数字に基づいて意思決定を行っています。 20,000 時間で障害が発生し始めると、単に LED を交換するだけでは済みません。あなたは顧客の信頼に取って代わることになります。

 

ヒートシンクパートナーに求めるもの

LED にはヒートシンクが必要であるという結論に達した場合、-この記事を読んでいるあなたは、おそらくそうしているでしょう。-次の疑問は、LED を誰が製造しているかということです。

 

すべてのヒートシンク サプライヤーが LED アプリケーションを理解しているわけではありません。最良のものは、適切な質問をします: ジャンクション温度の目標はどれくらいですか?周囲環境は何ですか?パッシブ冷却ですか、それともアクティブ冷却ですか?ヒートシンクは構造コンポーネントまたはハウジングとしても機能する必要がありますか?

また、LED アプリケーションの場合、ヒートシンクが製品の視覚的アイデンティティの一部であることも理解できます。特に建築用製品や消費者向け製品では、ヒートシンクは適切な外観、適切な仕上げ、残りの設計ときれいに統合されている必要があります。{1}

 

 

でZPヒートシンク当社は、商業、自動車、産業分野にわたる LED アプリケーション向けの熱ソリューションを設計および製造してきました。当社はアルミニウムの-押出、機械加工、接着-フィン-を扱っており、熱モデリングから生産まであらゆることを行っています。 LED 製品を開発していて、最初から適切な熱管理を行いたい場合は、www.zpheatsink.com で当社の取り組みをご覧ください。または手を差し伸べてください。お客様の具体的なアプリケーションについて喜んでご相談させていただきます。

 

ZP ヒートシンクは、20 年間にわたりカスタム ヒートシンク ソリューションを専門としています。要件を次の方法で送信してくださいwww.zpheatsink.com/お問い合わせ-または技術図面を電子メールで送信してくださいgeneral@zp-aluminum.comLED ヒートシンク プロジェクトの最初のステップを開始します。

 

図面から現実へ、ZP はお客様の達成を支援します。