JP6539862B2 - Heat dissipation design method and program of electronic component mounting substrate - Google Patents
Heat dissipation design method and program of electronic component mounting substrate Download PDFInfo
- Publication number
- JP6539862B2 JP6539862B2 JP2015118280A JP2015118280A JP6539862B2 JP 6539862 B2 JP6539862 B2 JP 6539862B2 JP 2015118280 A JP2015118280 A JP 2015118280A JP 2015118280 A JP2015118280 A JP 2015118280A JP 6539862 B2 JP6539862 B2 JP 6539862B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- substrate
- temperature
- thermal conductivity
- electronic component
- component mounting
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Led Device Packages (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
本発明は電子部品実装基板の放熱設計方法およびプログラムに関する。 The present invention relates to a heat dissipation design method and program of an electronic component mounting board.
電子機器は、空間利用効率や機能性の向上を目的として、小型化が急速に進んでいる。機器の小型化に伴い、内部の電子部品の基板実装密度は増加する。電子部品からは、仕事に変換されなかったエネルギーが熱として放出される。特に、パワーエレクトロニクスの様に、動作効率は高いが、投入エネルギーが非常に大きな場合や、高輝度LED(Light Emittinng Diode)のように、動作効率が低い場合においては、当該電子部品から発生する熱量が多いため、機器温度の上昇、ひいては、温度上昇に伴う短寿命化や動作効率の低下を招きやすい。
特に、機器の小型化を実現するために、電子部品の基板実装密度を増大させると、電子部品同士が熱的に干渉し、電子部品を実装している領域の概中央部の温度が、周辺部の温度に比べて高くなるというように、基板内温度分布が非均一になる。
Electronic devices are being rapidly miniaturized for the purpose of improving space utilization efficiency and functionality. With the miniaturization of equipment, the board mounting density of the internal electronic components increases. From the electronic components, energy that has not been converted to work is released as heat. In particular, as in power electronics, when the operating efficiency is high but the input energy is very large or when the operating efficiency is low such as a high-brightness LED (Light Emittinng Diode), the amount of heat generated from the electronic component However, the temperature rise of the device, which in turn, tends to shorten the life and lower the operating efficiency.
In particular, when the substrate mounting density of the electronic component is increased to realize the miniaturization of the device, the electronic component thermally interferes with each other, and the temperature at the approximate center of the region where the electronic component is mounted is The temperature distribution in the substrate becomes non-uniform as it is higher than the temperature of the part.
一般に、電子部品の動作効率および寿命は温度に依存し、温度が高くなると動作効率の低下、短寿命化を引き起こす。したがって、基板内温度が非均一な状態となると、動作効率および寿命が均一でなくなる。かかる状態において、基板内で温度が最も高い場所においても所望の信頼性を確保するためには、当該部分の温度を規定値以下に抑制する必要があるが、その場合、周辺部については、基板内温度の非均一性より、規定値に比べて過剰に温度を低く抑制している状態となるため、ヒートシンクなどをはじめとする放熱系が過剰性能となり、結果的に、放熱系、ひいては、機器全体の小型化を阻害する。 In general, the operating efficiency and the lifetime of the electronic component depend on the temperature, and the higher the temperature, the lower the operating efficiency and the shorter the lifetime. Therefore, when the temperature in the substrate becomes nonuniform, the operating efficiency and the life become nonuniform. In such a state, in order to ensure desired reliability even in a place where the temperature is the highest in the substrate, it is necessary to suppress the temperature of the relevant part to a specified value or less. Due to the non-uniformity of the internal temperature, the temperature is suppressed to an excessively low level compared to the specified value, so that the heat dissipation system including the heat sink etc. becomes excessive performance, and as a result, the heat dissipation system and consequently the equipment Inhibit the overall miniaturization.
また、LED光源基板において温度分布の不均一性(温度ムラ)が生じると、LEDの動作効率、すなわち、発光効率の不均一性につながるため、結果的に、光源基板内に輝度むらが生じ、光源の品質低下を招く。さらに、LEDチップの基板実装密度を増大させると、チップ同士が熱的に干渉し、基板の略中央部の温度が周辺部に比べて高くなり、「ドーナツ化現象」と呼ばれる中央部の発光量の低下の問題や短寿命化の問題が生じる。
したがって、小型化、動作効率・品質の向上を図るためには、基板内温度分布を均一にすること(温度ムラを一定の範囲に抑えること)が肝要である。
In addition, if non-uniformity (temperature non-uniformity) of temperature distribution occurs in the LED light source substrate, it leads to non-uniformity of operation efficiency of the LED, that is, light emission efficiency, resulting in luminance non-uniformity in the light source substrate The quality of the light source is reduced. Furthermore, when the substrate mounting density of the LED chips is increased, the chips thermally interfere with each other, the temperature of the substantially central portion of the substrate becomes higher than that of the peripheral portion, and the light emission amount of the central portion called "donutization phenomenon" Problems of decreasing the
Therefore, in order to reduce the size and improve the operation efficiency and quality, it is important to make the temperature distribution in the substrate uniform (suppress the temperature unevenness within a certain range).
従来、基板温度平滑化には、銅などの高熱伝導性の金属を基板内に内包したメタルコア基板や、潜熱輸送型の熱伝導部材であるベーパーチャンバーなどのフラットヒートパイプが使用されてきた。
例えば、特許文献1では、上板及び下板のうちいずれか一方に被冷却装置を設けるための配置部を有し、前記上板と前記下板との間に1又は複数の中板を設けた冷却部本体を備え、前記冷却部本体の内部には、冷媒が蒸気となって前記被冷却装置で発生する熱を前記冷却部本体の周辺部に伝達する蒸気拡散流路と、前記中板に設けられ、前記周辺部で凝縮した冷媒が前記配置部側に戻るように構成された毛細管流路とが設けられており、前記配置部には、他の領域よりも厚みが薄く形成され、前記被冷却装置を搭載させるための凹部を備えるヒートパイプが提案されている。
Conventionally, for smoothing the substrate temperature, a metal core substrate in which a metal having high thermal conductivity such as copper is included in the substrate, or a flat heat pipe such as a vapor chamber which is a latent heat transport type heat conducting member has been used.
For example, in patent document 1, it has an arrangement | positioning part for providing a to-be-cooled apparatus in any one of an upper plate and a lower plate, and provides one or several middle plates between the said upper plate and the said lower plate. A cooling unit main body, and inside the cooling unit main body, a vapor diffusion passage for transmitting heat generated by the cooled device as refrigerant to the peripheral portion of the cooling unit main body; And a capillary channel configured to return the refrigerant condensed in the peripheral portion to the side of the placement portion, and the placement portion is formed to be thinner than the other regions, A heat pipe provided with a recess for mounting the device to be cooled has been proposed.
放熱設計には、シミュレーションがよく用いられている。しかし、シミュレーションによる試行錯誤的な設計の場合、多くの因子について検討を行う必要があり、膨大な計算コストがかかるため、現実的な計算時間・コストのもとでは最適化が困難となる場合が多々あった。
そこで、特許文献2では、加熱端から冷却端までの熱伝導を1次元熱伝導としてモデル化して領域毎の放熱量を求め、加熱端から冷却端までの熱伝導状態を解析することを特徴とするプレート型ループ状細管ヒートパイプの解析方法が提案されている。
Simulation is often used for heat dissipation design. However, in the case of trial-and-error design by simulation, it is necessary to study many factors, and it takes a huge computational cost, which may make optimization difficult under realistic computational time and cost. There were many.
Therefore, in Patent Document 2, the heat conduction from the heating end to the cooling end is modeled as one-dimensional heat conduction to determine the amount of heat release for each region, and the heat conduction state from the heating end to the cooling end is analyzed. An analysis method of a plate type looped capillary tube heat pipe has been proposed.
電子部品実装基板の放熱設計においては、基板サイズ、入熱量、熱源サイズ(実装エリア)、許容される温度不均一性、基板の熱伝導率、基板冷却条件、ピーク温度等の設計パラメータを考慮する必要がある。しかしながら、これら設計パラメータの最適化を図るためには、複雑な計算を繰り返し行う必要があり、多大な労力を要していた。
未知のパラメータがある中で、基板の温度ムラを一定の範囲に抑えるための放熱設計を迅速に行うことのニーズがあるが、このニーズを解決するための設計手法はこれまで提案されていない。
In the heat dissipation design of the electronic component mounting substrate, design parameters such as substrate size, heat input, heat source size (mounting area), allowable temperature nonuniformity, thermal conductivity of substrate, substrate cooling condition, peak temperature, etc. There is a need. However, in order to optimize these design parameters, complicated calculations have to be repeated, which requires a great deal of effort.
While there are unknown parameters, there is a need to quickly carry out a heat dissipation design to suppress substrate temperature unevenness within a certain range, but no design method has been proposed to solve this need.
そこで、本発明は、電子部品実装基板の温度ムラの問題を解決することができる電子部品実装基板の放熱設計方法およびプログラムを提供することを目的とする。 Then, this invention aims at providing the thermal radiation design method and program of an electronic component mounting board which can solve the problem of the temperature nonuniformity of an electronic component mounting board.
第1の発明は、基板および基板上に集積実装された多数個の半導体素子を備える電子部品実装基板の設計方法において、設計パラメータが、基板温度分布、基板面方向熱伝導率、基板厚さ方向熱伝導率、基板サイズ、基板厚さ、被冷却体サイズ、入熱量、および総括伝熱係数を含み、前記設計パラメータの中から選択された一の未知パラメータを除く設計パラメータに値を入力し、下記式1により算出される前記基板のビオ数Bir、計算用パラメータa、および無次元座標r*を算出し、下記式2により前記計算用パラメータaおよび前記無次元座標r*を用いて無次元温度Θを算出し、既知のデータから算出したS mod を含む下記式3により前記無次元座標r * =1における温度T R を算出し、下記式4により前記基板の温度分布T[K]を算出することを特徴とする電子部品実装基板の放熱設計方法。
[式1]
[式2]
ここで、各係数は、以下に示すとおりである。
h:総括伝熱係数[W/(m2・K)]
kr:基板面方向熱伝導率[W/(m・K)]
R:被冷却体サイズ[m]
d:基板厚さ[m]
I0:第1種変形ベッセル関数
[式3]
T R :被冷却体端位置における温度[K]
k z :基板厚さ方向熱伝導率[W/(m・K)]
A:被冷却体面積[m 2 ]
h:基板裏面冷却強度[W/(m 2 ・K)]
S mod :形状係数[−]
[式4]
T ∞ :環境温度[K]
Q in :入熱量[W]
A:被冷却体面積[m 2 ]
h:基板裏面冷却強度[W/(m 2 ・K)]
A first invention is a method of designing an electronic component mounting substrate including a substrate and a large number of semiconductor elements integrated and mounted on the substrate, wherein design parameters include a substrate temperature distribution, a substrate surface thermal conductivity, and a substrate thickness direction. Enter values for design parameters excluding one unknown parameter selected from among the design parameters, including thermal conductivity, substrate size, substrate thickness, cooled body size, heat input, and overall heat transfer coefficient, The bionumber Bi r of the substrate, the calculation parameter a, and the dimensionless coordinate r * calculated by the following equation 1 are calculated, and the following equation 2 is used without the calculation parameter a and the dimensionless coordinate r *: The dimensional temperature 算出 is calculated, and the temperature T R at the dimensionless coordinate r * = 1 is calculated by the following equation 3 including S mod calculated from known data, and the temperature distribution of the substrate by the following equation 4 A heat dissipation design method of an electronic component mounting board characterized by calculating T [K] .
[Equation 1]
[Formula 2]
Here, each coefficient is as shown below.
h: Overall heat transfer coefficient [W / (m 2 · K)]
k r : Thermal conductivity in the substrate surface direction [W / (m · K)]
R: Size of cooled object [m]
d: Substrate thickness [m]
I 0 : Modified Bessel function of the first kind
[Equation 3]
T R : Temperature at end of object to be cooled [K]
k z : thermal conductivity in the substrate thickness direction [W / (m · K)]
A: Cooled body area [m 2 ]
h: Substrate backside cooling strength [W / (m 2 · K)]
S mod : shape factor [-]
[Equation 4]
T :: Environmental temperature [K]
Q in : Heat input [W]
A: Cooled body area [m 2 ]
h: Substrate backside cooling strength [W / (m 2 · K)]
第2の発明は、基板および基板上に集積実装された多数個の半導体素子を備える電子部品実装基板の設計方法において、基板有効熱伝導率k e [W/(m・K)]は一定のまま総括熱伝達係数h[W/(m 2 ・K)]を変えた第1モデル、または、総括熱伝達係数h[W/(m 2 ・K)]は一定のまま基板有効熱伝導率k e [W/(m・K)]を変えた第2モデルについて、有効熱伝導率k e [W/(m・K)]の範囲または筐体の総括伝熱係数h[W/(m 2 ・K)]の範囲を算出する方法であって、前記第1モデルまたは前記第2モデルに基づきビオ数に対する基板の温度ムラの近似曲線を算出し、前記近似曲線および基板の温度ムラの狙い範囲からビオ数の範囲を算出し、算出したビオ数の範囲に基づき下記式5により基板の有効熱伝導率ke[W/(m・K)]の範囲または筐体の総括伝熱係数h[W/(m2・K)]の範囲を算出することを特徴とする電子部品実装基板の放熱設計方法。
[式5]
ここで、各係数は、以下に示すとおりである。
h:総括伝熱係数[W/(m2・K)]
ke:基板有効熱伝導率[W/(m・K)]
R:被冷却体サイズ[m]
A second invention is a method of designing an electronic component mounting substrate including a substrate and a large number of semiconductor elements integrated and mounted on the substrate, wherein the substrate effective thermal conductivity k e [W / (m · K)] is constant. The first model in which the overall heat transfer coefficient h [W / (m 2 · K)] is changed, or the overall heat transfer coefficient h [W / (m 2 · K)] remains constant, and the substrate effective thermal conductivity k e For the second model in which [W / (m · K)] is varied, the range of effective thermal conductivity k e [W / (m · K)] or the overall heat transfer coefficient h [W / (m 2) of the case A method of calculating the range of K), wherein an approximate curve of the temperature unevenness of the substrate with respect to the bionumber is calculated based on the first model or the second model, and a target range of the temperature curve of the approximation curve and the substrate Yes from calculating the range of the Biot number, by the following equation 5 based on the range calculated number of Biot substrate The thermal conductivity k e [W / (m · K)] range or overall heat transfer coefficient h of the housing [W / (m 2 · K )] range of the electronic component mounting board, characterized in that to calculate the in Heat dissipation design method.
[ Equation 5 ]
Here, each coefficient is as shown below.
h: Overall heat transfer coefficient [W / (m 2 · K)]
k e : Effective thermal conductivity of substrate [W / (m · K)]
R: Size of cooled object [m]
第3の発明は、前記設計パラメータが、さらに、基板最高温度、基板温度ムラ、環境温度、および被冷却体面積を含むことを特徴とする第1の発明の電子部品実装基板の放熱設計方法である。式3で基板有効熱伝導率を用いているのは、基板熱伝導率の異方性について評価が困難であり、有効熱伝導率のみ開示されている場合に対する対応のためである。
第4の発明は、前記電子部品実装基板が、基板上に集積搭載された数十個以上のLEDチップ、LEDチップを覆う透光性樹脂部、および、基板上に形成された配線層を有するLED発光モジュールと、LED発光モジュールが搭載された筐体とを備えるLED発光モジュールであることを特徴とする第1ないし3のいずれかの発明の電子部品実装基板の放熱設計方法である。
第5の発明は、コンピュータに、第1ないし4のいずれかの発明の電子部品実装基板の放熱設計方法を実行させるコンピュータプログラムである。
A third invention is the heat dissipation design method for an electronic component mounting board according to the first invention, characterized in that the design parameters further include a substrate maximum temperature, a substrate temperature unevenness, an environmental temperature, and an area to be cooled. is there. The reason why the substrate effective thermal conductivity is used in Equation 3 is that it is difficult to evaluate the anisotropy of the substrate thermal conductivity, and it is for dealing with the case where only the effective thermal conductivity is disclosed.
According to a fourth aspect of the present invention, the electronic component mounting substrate has a plurality of LED chips integratedly mounted on the substrate, a translucent resin portion covering the LED chips, and a wiring layer formed on the substrate. A method for heat dissipation design of an electronic component mounting board according to any one of the first to third inventions, which is an LED light emitting module including an LED light emitting module and a housing on which the LED light emitting module is mounted.
A fifth invention is a computer program that causes a computer to execute the method for designing heat dissipation of an electronic component mounting board according to any of the first to fourth inventions.
本発明によれば、電子部品実装基板の温度ムラを一定の範囲に抑えるための放熱設計を迅速に行うことが可能となる。 According to the present invention, it is possible to quickly perform heat dissipation design for suppressing temperature unevenness of the electronic component mounting board within a certain range.
本発明は、電子部品実装基板の温度分布を平滑化し、実装された半導体素子の動作状況を均一にすることを可能とするための放熱系設計手法を提供するものである。この放熱系設計手法は、コンピュータ上で実行される専用プログラムにより実現されるものであって、基板内で許容される最高温度と温度ムラを与えることにより、基板に要求される熱伝導率および基板を配置するケーシングに求められる放熱性能を定量化することを可能とするものである。本発明は、LED光源システムやインバータ等のパワーエレクトロニクスを用いたシステムなど、電子機器全般に適用することが可能であるが、以下ではLED照明モジュールの熱設計例を説明する。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a heat dissipation system design method for smoothing the temperature distribution of an electronic component mounting substrate and making the operating conditions of the mounted semiconductor devices uniform. This heat dissipation system design method is realized by a dedicated program executed on a computer, and the thermal conductivity and the substrate required of the substrate can be obtained by giving the maximum temperature and temperature unevenness allowed in the substrate. It is possible to quantify the heat dissipation performance required for the casing in which the Although the present invention can be applied to electronic devices in general such as a system using power electronics such as an LED light source system and an inverter, a thermal design example of the LED lighting module will be described below.
[熱設計プログラム]
実施形態例に係る熱設計プログラムは、パーソナルコンピュータ上で実行されるプログラムであり、本実施形態例に係る熱設計方法を実行することができる。設計パラメータとして、4つの大きさに関する条件と、7つの熱的条件を入力することができる。この11個の設計パラメータのうち、10個のパラメータを入力することで、1個の未知パラメータXを本発明のアルゴリズムに基づき自動で算出する機能を有している。未知パラメータXは、11個の設計パラメータの中から任意のパラメータを選択することが可能である。熱設計プログラムのパラメータ入力画面、各パラメータ、およびアルゴリズムの詳細については後述する。
[Thermal design program]
The thermal design program according to the embodiment is a program executed on a personal computer, and can execute the thermal design method according to the embodiment. As design parameters, four dimensions and seven thermal conditions can be input. Among the eleven design parameters, by inputting ten parameters, it has a function of automatically calculating one unknown parameter X based on the algorithm of the present invention. The unknown parameter X can select any parameter out of 11 design parameters. Details of the parameter input screen of the thermal design program, each parameter, and the algorithm will be described later.
[LED照明モジュール]
図1に本LED照明モジュール1の(a)平面図、(b)側面図を示す。LED照明モジュール1は、多数個のLEDチップが配置される実装領域10および基板20を主な構成要素とし、一定温度に管理された液冷クーラー(30〜33)を用いて熱的特性を評価される。
実装領域10は、多数個のLEDチップが高密度で実装される領域であり、一つの発熱体として近似される。
基板20は、実装領域10が実装され、実装領域10が発した熱を液冷クーラーの金属ブロック30に伝える役割を担っている。
液冷クーラーの金属ブロック30は、基板20の裏面20B(実装領域10が実装された面とは反対側の面)の温度を一定に保つために用いられ、例えばアルミや銅等の熱伝導率の良い金属からなるブロックを主要な構成要素とする。液冷クーラーの金属ブロック30内には、例えば不凍液等の冷媒が通る循環流路31が設けられており、循環流路31の入口32および出口33は、図示しない外部のサーキュレータに管で接続されている。冷媒は、サーキュレータ内のポンプによって送り出され、循環流路31とサーキュレータの間を循環する。サーキュレータは、液冷クーラーの金属ブロック30の温度を一定に保つために、サーキュレータ内に挿入された図示しない温度センサにより測定された温度を監視しながら、冷媒の温度を制御する。液冷クーラーの金属ブロック30の表面30Aには、熱抵抗を低くするためのサーマルグリス(図示せず)が塗ってあり、基板20はサーマルグリスを介して液冷クーラーの金属ブロック30に固着されている。
[LED lighting module]
The (a) top view of this LED lighting module 1 is shown in FIG. 1, and the (b) side view is shown. The LED lighting module 1 has a mounting area 10 and a substrate 20, in which a large number of LED chips are disposed, as main components, and the thermal characteristics are evaluated using a liquid-cooled cooler (30 to 33) controlled to a constant temperature. Be done.
The mounting area 10 is an area where a large number of LED chips are mounted at high density, and is approximated as one heating element.
The mounting area 10 is mounted on the substrate 20, and the substrate 20 plays a role of transferring the heat generated by the mounting area 10 to the metal block 30 of the liquid-cooled cooler.
The metal block 30 of the liquid-cooled cooler is used to keep the temperature of the back surface 20B (surface opposite to the surface on which the mounting area 10 is mounted) of the substrate 20 constant, for example, the thermal conductivity of aluminum or copper The main component is a block of good metal. A circulation channel 31 through which a refrigerant such as antifreeze liquid passes is provided in the metal block 30 of the liquid cooling cooler, and the inlet 32 and the outlet 33 of the circulation channel 31 are connected by pipes to an external circulator not shown. ing. The refrigerant is pumped by a pump in the circulator and circulates between the circulation channel 31 and the circulator. The circulator controls the temperature of the refrigerant while monitoring the temperature measured by a temperature sensor (not shown) inserted in the circulator in order to keep the temperature of the metal block 30 of the liquid-cooled cooler constant. Thermal grease (not shown) is applied to the surface 30A of the liquid cooling cooler metal block 30 to lower the thermal resistance, and the substrate 20 is fixed to the liquid cooling cooler metal block 30 via the thermal grease. ing.
本実施形態例における設計パラメータについて、図1を参照しながら以下に説明する。 Design parameters in the present embodiment will be described below with reference to FIG.
[Lhs:基板サイズ]
基板サイズLhsは、基板20の最大長さの半分の値と定義する。したがって、基板の形状は図示の形状に限定されず、例えば、多角形やL字形であってもよく、この場合も最大長さに基づき基板サイズLhsを設定する。基板サイズLhsは、冷却能力に影響し、大きいほど冷却能力が優れるが、小型化を妨げることになるので、サイズと冷却能力のバランスを考慮して設計する。
[d:基板厚さ]
基板厚さdは、基板20の厚さと定義する。基板厚さdが厚いほど、基板20の基板面方向熱抵抗が低下するため、装領域10の温度分布を均一化させやすいが、基板厚さ方向熱抵抗が増加するため、面方向と厚さ方向の熱抵抗のバランスを考慮して設計する。
[R:被冷却体サイズ]
被冷却体サイズRは、実装領域10の大きさの半分の値と定義する。被冷却体サイズRは、同一発熱量であれば、大きいほど冷却されやすいが、光束量等の仕様やLEDチップの実装密度等も考慮して設計する。
[A:被冷却体面積]
被冷却体面積Aは、実装領域10の占める面積である。設計の考え方は、被冷却体サイズRと同様である。
[L hs : board size]
The substrate size L hs is defined as half the maximum length of the substrate 20. Therefore, the shape of the substrate is not limited to the illustrated shape, and may be, for example, a polygon or an L-shape, and in this case, the substrate size L hs is set based on the maximum length. The substrate size L hs affects the cooling capacity, and the larger the size is, the better the cooling capacity is, but it hinders miniaturization, so the design is made in consideration of the balance between the size and the cooling capacity.
[D: substrate thickness]
The substrate thickness d is defined as the thickness of the substrate 20. The larger the substrate thickness d, the lower the thermal resistance of the substrate 20 in the surface direction of the substrate 20 decreases, and the temperature distribution of the mounting region 10 is easily made uniform. However, the thermal resistance of the substrate in the thickness direction increases. Design in consideration of the balance of thermal resistance in the direction.
[R: Size of object to be cooled]
The cooled object size R is defined as a half of the size of the mounting area 10. The larger the amount of heat generation, the larger the amount of heat generation, the easier it is to be cooled, but in consideration of specifications such as the amount of luminous flux, the mounting density of the LED chip, and the like.
[A: area to be cooled]
The cooled body area A is the area occupied by the mounting area 10. The concept of design is the same as the size of the object to be cooled R.
[Qin:入熱量]
入熱量Qinは、実装領域10から基板20に移動する熱の総量である。実装領域10に投入したエネルギーのうち、光に変更されない一定割合のエネルギーが熱として生じる。生じた熱は、実装領域10の周囲の空気および基板20に伝熱するが、通常の電子機器における実装の場合は90%程度が基板側に移動するため、かかる場合、Qinは発熱量の90%程度と設定する。また、本LED照明モジュール1の様に、基板裏面の冷却に液冷クーラーや高性能ヒートシンク等を使用する場合には、空気への伝熱は小さいので無視し、生じた熱はすべて基板20に伝熱すると仮定する。入熱量Qinは、LEDチップの発光効率、消費電力、搭載個数等によって決まる。
[T∞:環境温度]
環境温度T∞は、液冷クーラーの金属ブロック30の温度である。設計においては、使用環境温度を用いて検討する。
[kr:基板面方向熱伝導率、kz:基板厚さ方向熱伝導率、ke:基板有効熱伝導率]
基板面方向熱伝導率krは基板20の面方向熱伝導率であり、基板厚さ方向熱伝導率kzは基板20の厚さ方向熱伝導率である。基板20に高性能ヒートパイプ型ヒートスプレッダ(Fine Grid Heat Pipe:FGHP)やグラファイト製品等を基板として用いる場合、熱伝導率には構造的な要因から面方向と厚さ方向で異方性があるため、別々のパラメータとして用意した。基板有効熱伝導率keは、面方向と厚さ方向の熱伝導率が実質的に等価と仮定した場合の熱伝導率である。
[Q in : Heat input]
The amount of heat input Q in is the total amount of heat transferred from the mounting area 10 to the substrate 20. Of the energy input to the mounting area 10, a fixed percentage of energy not converted to light is generated as heat. The generated heat is transferred to the air around the mounting area 10 and the substrate 20, but in the case of mounting in a normal electronic device, about 90% moves to the substrate side, and in such a case, Q in is a calorific value Set as about 90%. In the case of using a liquid-cooled cooler, high-performance heat sink or the like to cool the back of the substrate as in the case of the LED lighting module 1, the heat transfer to the air is small and ignored. Assume heat transfer. The amount of heat input Q in is determined by the light emission efficiency, power consumption, the number of mounted LEDs, and the like.
[T :: Environmental temperature]
The environmental temperature T は is the temperature of the metal block 30 of the liquid-cooled cooler. In design, consider using the operating environment temperature.
[K r : thermal conductivity in the substrate surface direction, k z : thermal conductivity in the substrate thickness direction, k e : substrate effective thermal conductivity]
The in-plane thermal conductivity k r is the in-plane thermal conductivity of the substrate 20, and the in-plane thermal conductivity k z is the in-thickness thermal conductivity of the substrate 20. When using a high performance heat pipe type heat spreader (Fine Grid Heat Pipe: FGHP) or a graphite product as the substrate for the substrate 20, the thermal conductivity has anisotropy in the surface direction and thickness direction due to structural factors. , Prepared as separate parameters. The substrate effective thermal conductivity k e is the thermal conductivity when it is assumed that the thermal conductivity in the plane direction and the thickness direction is substantially equivalent.
[h:基板裏面冷却強度]
基板裏面冷却強度hは、基板20から液冷クーラーの金属ブロック30への伝熱効率を表す係数であり、本LED照明モジュール1においては総括伝熱係数と等価である。基板20の形状や表面状態、基板20が接触する流体(例えば、空気)で決まる定数である。
[H: Substrate backside cooling strength]
The substrate back surface cooling strength h is a coefficient representing the heat transfer efficiency from the substrate 20 to the metal block 30 of the liquid-cooled cooler, and is equivalent to the overall heat transfer coefficient in the LED lighting module 1. It is a constant determined by the shape and surface state of the substrate 20 and the fluid (eg, air) with which the substrate 20 contacts.
[T:基板温度分布]
基板温度分布Tは、基板20の温度の分布である。後述する基板最高温度Tmax、基板最低温度Tmin、および温度ムラTmax−Tminは、基板温度分布Tに従属して自動的に決まるため、これらは基板温度分布Tとともに1つの設計パラメータとして扱う。
[Tmax:基板最高温度]
基板最高温度Tmaxは、基板20の温度の最大値である。基板20の温度は、LEDチップの劣化に影響し、その値が大きいほど、LEDチップは劣化しやすく、寿命が低下する。したがって、基板最高温度Tmaxは、高くなりすぎないように設計する。
[T: Substrate temperature distribution]
The substrate temperature distribution T is a distribution of the temperature of the substrate 20. Since the maximum substrate temperature T max , the minimum substrate temperature T min , and the temperature unevenness T max −T min to be described later are determined automatically as a function of the substrate temperature distribution T, these are together with the substrate temperature distribution T as one design parameter deal with.
[T max : Maximum board temperature]
The substrate maximum temperature T max is the maximum value of the temperature of the substrate 20. The temperature of the substrate 20 affects the deterioration of the LED chip, and the larger the value, the more easily the LED chip is deteriorated and the life is reduced. Therefore, the substrate maximum temperature T max is designed not to be too high.
[Tmin:基板最低温度]
基板最低温度Tmin:は、基板20の温度の最小値である。LED照明モジュールにおいては、温度の低い側については問題とならないが、基板最高温度Tmaxとの差分としての温度ムラを算出するために検討が必要となる。
[T min : board minimum temperature]
The substrate minimum temperature T min : is the minimum value of the temperature of the substrate 20. In the LED lighting module, although there is no problem on the low temperature side, consideration is required to calculate temperature unevenness as a difference from the substrate maximum temperature T max .
[Tmax−Tmin:温度ムラ]
温度ムラTmax−Tminは、LEDチップの発光量の差を生じさせ、照明品質を低下させる要因となる。さらに、基板内での温度ムラは、LEDチップや蛍光体、樹脂などの寿命にバラつきを生じさせる要因ともなる。したがって、温度ムラTmax−Tminを許容範囲に抑えるように設計する。
基板最高温度Tmaxと同様に、基板最低温度Tminを基板20の温度の最小値と定義し、温度ムラTmax−Tminを求める。
[T max −T min : temperature unevenness]
The temperature non-uniformity T max −T min causes a difference in the light emission amount of the LED chip, which causes the deterioration of the illumination quality. Furthermore, temperature unevenness in the substrate also causes variation in the lifetime of the LED chip, the phosphor, the resin and the like. Therefore, it is designed so that temperature nonuniformity Tmax - Tmin may be held within the allowable range.
Similar to the substrate maximum temperature Tmax , the substrate minimum temperature Tmin is defined as the minimum value of the temperature of the substrate 20, and the temperature unevenness Tmax - Tmin is determined.
[パラメータ入力画面]
図2に、熱設計プログラム(以下単に「プログラム」という場合がある)の入出力画面40を示す。入出力画面40は、設計パラメータ名称欄41、設計パラメータ入出力欄42、設定欄43、計算結果表示欄44、および計算実行ボタン45を主な構成要素としている。前述した設計パラメータに対応しており、同図中に各設計パラメータを表す記号を付している。
設計パラメータ名称欄41は、前述した各設計パラメータが記載されており、同図中に付した記号は、対応する設計パラメータを表す記号である。
設計パラメータ入出力欄42は、設計パラメータの固定値を入力したり、設計パラメータをプログラムに計算させたときの解が出力されたりする欄である。
設定欄43は、リストボックスになっており、設計パラメータの値を設計パラメータ入出力欄42に入力した値で固定したい場合には「左の値を使用する」を、設計パラメータをプログラムに計算させたい場合には「・・・を求める」を選択できるようになっている。後者を選択した場合、対応する設計パラメータ入出力欄42はグレーアウトし、以後入力できないようになる。
計算結果表示欄44は、温度分布の計算結果を、座標と温度を並列させて表示する。計算結果表示欄44下部にある「毎回計算結果ウィンドウをリフレッシュする」のチェックボックスをチェックすると、設計パラメータをプログラムに計算させたときに解が収束するまで実行中の計算結果を更新し続ける。
計算実行ボタン45は、クリックするとプログラムが計算を実行するものである。
[Parameter input screen]
FIG. 2 shows an input / output screen 40 of a thermal design program (hereinafter sometimes simply referred to as a "program"). The input / output screen 40 mainly includes a design parameter name column 41, a design parameter input / output column 42, a setting column 43, a calculation result display column 44, and a calculation execution button 45. It corresponds to the above-mentioned design parameters, and in the figure, symbols representing each design parameter are attached.
The design parameter name column 41 describes each of the design parameters described above, and the symbols in the drawing are symbols representing the corresponding design parameters.
The design parameter input / output section 42 is a section for inputting a fixed value of the design parameter or outputting a solution when the program calculates the design parameter.
The setting column 43 is a list box, and if you want to fix the design parameter value with the value input in the design parameter input / output column 42, let the program calculate the design parameter “Use left value”. If you want, you can select "Find ...". When the latter is selected, the corresponding design parameter input / output column 42 is grayed out and can not be input thereafter.
The calculation result display column 44 displays the calculation result of the temperature distribution, with the coordinates and the temperature in parallel. If the check box “Refresh calculation window every time” in the lower part of the calculation result display column 44 is checked, the calculation results under execution will continue to be updated until the solution converges when the program is made to calculate design parameters.
When the calculation execution button 45 is clicked, the program executes the calculation.
[処理フロー]
図3に熱設計プログラムの処理のフローチャートを示す。本プログラムは、設計パラメータのうちの1つを未知とし、与えられた温度ムラTmax−Tminの狙い値になるよう、未知の設計パラメータを最適化するものである。また、温度ムラTmax−Tminが未知の場合、最適化は行わず、温度ムラTmax−Tminの計算値を返して終了する。
最適化のアルゴリズムとして二分法を用いたが、これに限定されるものではない。
図3の各処理に付したステップ番号(S1〜S9)に沿って、図2を参照しながら説明していく。
(S1)
各設計パラメータの中から、未知の設計パラメータXを1つ選択し、対応する設定欄43で「・・・を求める」を選択する。固定する設計パラメータの設計パラメータ入出力欄42に、各設計パラメータの固定値を入力する。
(S2)
未知のパラメータが温度ムラTmax−Tminであるか否か判定する。未知のパラメータが温度ムラTmax−Tminである場合、S12に進む。
Processing flow
FIG. 3 shows a flowchart of the process of the thermal design program. This program optimizes unknown design parameters such that one of the design parameters is unknown and the target value of the given temperature non-uniformity T max −T min is obtained. Moreover, when temperature nonuniformity Tmax - Tmin is unknown, optimization is not performed but the calculated value of temperature nonuniformity Tmax - Tmin is returned and it complete | finishes.
Although the bisection method was used as an optimization algorithm, it is not limited to this.
Description will be made with reference to FIG. 2 along the step numbers (S1 to S9) assigned to the respective processes in FIG.
(S1)
Among the design parameters, one unknown design parameter X is selected, and "Find ..." is selected in the corresponding setting field 43. In the design parameter input / output section 42 of the design parameter to be fixed, a fixed value of each design parameter is input.
(S2)
It is determined whether an unknown parameter is temperature nonuniformity Tmax - Tmin . If the unknown parameter is temperature unevenness T max −T min , the process proceeds to S12.
(S3)
未知パラメータXの区間上限X1と区間下限X2を設定する。区間上限X1と区間下限X2は、表1のように設計パラメータごとにあらかじめデータベースとして与えられており、データベースを参照することで設定される。
区間上限X1と区間下限X2の中間点XMを計算する。XMの計算式は数1で与えられる。
X1:区間上限
X2:区間下限
(S3)
The section upper limit X 1 and the section lower limit X 2 of the unknown parameter X are set. Interval upper limit X 1 and interval lower limit X 2 is given in advance as a database for each design parameters as in Table 1, it is set by referring to the database.
The midpoint X M between the section upper limit X 1 and the section lower limit X 2 is calculated. The calculation formula of X M is given by Equation 1.
(S5)
区間上限X1、区間下限X2、および中間点XMにおける基板温度分布T1、T2、およびTMを計算する。詳細な計算方法は、S51〜S56として別途説明する。
(S6)
基板温度分布T1、T2、およびTMより、温度ムラY1、Y2、およびYMを計算する。温度ムラY1、Y2、およびYMの計算式は、数2で与えられる。
Ti_max:基板温度の最大値[K]
Ti_min:基板温度の最小値[K]
(S5)
Segment limit X 1, section lower X 2, and the substrate temperature distribution T 1 at an intermediate point X M, T 2, and calculates the T M. The detailed calculation method will be separately described as S51 to S56.
(S6)
Temperature unevenness Y 1 , Y 2 , and Y M are calculated from substrate temperature distributions T 1 , T 2 , and T M. The calculation formula of the temperature non-uniformity Y 1 , Y 2 and Y M is given by Equation 2.
T i_max : Maximum value of substrate temperature [K]
T i_min : Minimum value of substrate temperature [K]
(S7)
温度ムラY1、Y2、およびYMと設計パラメータ入出力欄42で入力された温度ムラYの設定値Y0との差分値である残渣ΔY1、ΔY2、およびΔYMを計算する。残渣ΔY1、ΔY2、およびΔYMの計算式は、数3で与えられる。
Y0:温度ムラの設定値[K]
(S7)
The residue [Delta] Y 1 is a difference value between the temperature variation Y 1, Y 2, and Y M and the design parameters input column 42 set value Y 0 of the temperature unevenness Y input in calculates the [Delta] Y 2, and [Delta] Y M. The residue [Delta] Y 1, formula for [Delta] Y 2, and [Delta] Y M is given by Equation 3.
Y 0 : Set value of temperature unevenness [K]
(S8)
残渣ΔYMが目標値ε以下かどうか判定する。目標値εは精度によって決まり、小さいほど、真の解に近づくが、計算回数が増える。目標値εは、例えば、0.01Kの値が与えられる。残渣ΔYMが目標値ε以下の場合、精度は担保され、XMを未知パラメータXの解とし、S11に進む。残渣ΔYMが目標値εより大きい場合、精度は満たされないことになり、再度計算するため、S9に進む。
(S9)
残渣ΔY1およびΔY2の正負の符号が、互いに異なるか否かを判定する。残渣ΔY1およびΔY2の正負の符号が異なる場合、Y=Y0となるXの解が区間X1〜X2の間に存在することになる。残渣ΔY1およびΔY2の正負の符号が同じ場合、Y=Y0となるXの解が区間X1〜X2の間に存在しないため、エラーを返してプログラムは終了する。
(S8)
The residue [Delta] Y M is determined whether the following target value epsilon. The target value ε is determined by the accuracy, and the smaller the value is, the closer to the true solution but the number of calculations increases. The target value ε is given, for example, a value of 0.01K. If residue [Delta] Y M is less than the target value epsilon, the accuracy is secured, the X M and a solution of unknown parameter X, the process proceeds to S11. Since the residue [Delta] Y M is larger than the target value epsilon, accuracy will be not satisfied, it calculates again proceeds to S9.
(S9)
It is determined whether the positive or negative signs of the residues ΔY 1 and ΔY 2 are different from each other. When the positive and negative signs of the residues ΔY 1 and ΔY 2 are different, a solution of X with Y = Y 0 is present between the sections X 1 and X 2 . If the positive and negative signs of the residues ΔY 1 and ΔY 2 are the same, there is no solution of X for Y = Y 0 in the interval X 1 to X 2 , so an error is returned and the program is ended.
(S10)
残渣ΔY1またはΔY2のいずれかのうち、どちらが正負の符号が残渣ΔYMの正負の符号と等しくかを判定する。残渣ΔY1の正負の符号と残渣ΔYMの正負の符号が等しい場合は、区間下限X1の値をXMに変更し、区間上限X2の値はそのまま維持する。残渣ΔY2の正負の符号と残渣ΔYMの正負の符号が等しい場合は、区間上限X2の値をXMに変更し、区間下限X1の値はそのまま維持する。そして、S4に戻る。
(S11)
未知パラメータXの設計パラメータ入出力欄42に解XMを表示し、プログラムは終了する。
(S12)
基板温度分布Tを計算する。計算方法はS51〜56と同じである。
(S10)
The residue [Delta] Y 1 or of either of [Delta] Y 2, which determines whether equal positive or negative sign is the sign of the residue [Delta] Y M. If sign of positive or negative sign and the residue [Delta] Y M residues [Delta] Y 1 are equal, changes the value of the section limit X 1 to X M, a value of the section upper limit X 2 is maintained as it is. If sign of residue [Delta] Y 2 of the positive or negative sign and a residue [Delta] Y M are equal, it changes the value of the section limit X 2 in X M, the value of the interval lower limit X 1 is maintained. And it returns to S4.
(S11)
The solution X M is displayed in the design parameter input / output field 42 of the unknown parameter X, and the program ends.
(S12)
The substrate temperature distribution T is calculated. The calculation method is the same as that of S51-56.
(S13)
基板温度分布Tより、温度ムラYを求める。温度ムラYの計算式は、数4で与えられる。
Tmax:基板温度の最大値
Tmin:基板温度の最小値
(S13)
From the substrate temperature distribution T, the temperature unevenness Y is determined. The calculation formula of the temperature unevenness Y is given by Equation 4.
T max : Maximum substrate temperature T min : Minimum substrate temperature
(S14)
温度ムラの設計パラメータ入出力欄42に温度ムラYを表示し、プログラムは終了する。
(S14)
The temperature unevenness Y is displayed in the design parameter input / output column 42 of the temperature unevenness, and the program ends.
S5および12の詳しい計算の過程S51〜S56について、図4を参照しながら説明する。
(S51)
ビオ数Birを数5の式によって求める。
h:基板裏面冷却強度[W/(m2・K)]
R:被冷却体サイズ[m]
kr:基板面方向熱伝導率[W/(m・K)]
The detailed calculation steps S51 to S56 of S5 and S12 will be described with reference to FIG.
(S51)
Request Biot number Bi r by the number 5 of the formula.
R: Size of cooled object [m]
k r : Thermal conductivity in the substrate surface direction [W / (m · K)]
(S52)
計算用パラメータaを数6の式によって求める。
R:被冷却体サイズ[m]
d:基板厚み[m]
(S52)
The calculation parameter a is determined by the equation (6).
R: Size of cooled object [m]
d: Substrate thickness [m]
(S53)
座標rを、0から被冷却体サイズRの間の値で一定数または一定間隔で分割した値を各要素とする配列データとして定義する。数7によって、座標rを被冷却体サイズRで規格化した無次元座標r*を計算する。
r:座標[m]
(S54)
無次元温度Θを数8の式によって求める。
I0:第1種変形ベッセル関数
(S53)
The coordinate r is defined as array data in which each element is a value obtained by dividing a value between 0 and a cooled object size R at a constant number or at regular intervals. By the equation 7, the dimensionless coordinates r * are calculated in which the coordinates r are normalized by the cooled object size R.
(S54)
The dimensionless temperature Θ is determined by equation (8).
(S55)
被冷却体端位置(r*=1)における温度TRを数9の式によって求める。
kz:基板厚さ方向熱伝導率[W/(m・K)]
A:被冷却体面積[m2]
h:基板裏面冷却強度[W/(m2・K)]
Smod:形状係数[−]
ここで、Smodは形状係数であり、基板熱伝導率・冷却条件が既知の場合のデータから算出することができる。
(S55)
The temperature T R at the end position of the object to be cooled (r * = 1) is determined by the equation (9).
k z : thermal conductivity in the substrate thickness direction [W / (m · K)]
A: Cooled body area [m 2 ]
h: Substrate backside cooling strength [W / (m 2 · K)]
S mod : shape factor [-]
Here, S mod is a shape factor, which can be calculated from data when the substrate thermal conductivity and cooling conditions are known.
(S56)
基板温度分布Tを数10の式によって求める。
T∞:環境温度[K]
Qin:入熱量[W]
A:被冷却体面積[m2]
h:基板裏面冷却強度[W/(m2・K)]
(S56)
The substrate temperature distribution T is obtained by equation 10.
T :: Environmental temperature [K]
Q in : Heat input [W]
A: Cooled body area [m 2 ]
h: Substrate backside cooling strength [W / (m 2 · K)]
以上に説明した実施形態例の放熱設計プログラムによれば、温度ムラを含む11個の設計パラメータのうち、10個のパラメータを入力することで、1個の未知パラメータXを本発明のアルゴリズムに基づき自動で算出することが可能となる。
なお、設計パラメータの数は例示の11個に限定されず、このうち最低限必要なパラメータは、基板温度分布、基板熱伝導率、基板サイズ、基板厚さ、被冷却体サイズ、入熱量、および基板裏面冷却強度であり、耐久性の観点からは環境温度、基板最高温度のパラメータも含めることが好ましい。
According to the heat dissipation design program of the embodiment described above, one unknown parameter X can be calculated based on the algorithm of the present invention by inputting 10 parameters out of 11 design parameters including temperature unevenness. It becomes possible to calculate automatically.
The number of design parameters is not limited to 11 in the example, and the minimum required parameters among them are substrate temperature distribution, substrate thermal conductivity, substrate size, substrate thickness, substrate size to be cooled, heat input, and It is preferable to include parameters of the environmental temperature and the maximum substrate temperature from the viewpoint of durability, which is the back surface cooling strength of the substrate.
以下では、本発明の詳細を実施例により説明するが、本発明の技術思想は何ら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples, but the technical idea of the present invention is not limited to the examples.
実施例1は、LED照明モジュール1の基板20を、厚さ2mmの銅板により構成した場合の解析結果を示すものである。
[構成]
図5は、LED照明モジュール1の上面図である。図6は、LED照明モジュール1の図5におけるB−B断面図である。
以下、図5および6を用いてLED照明モジュール1の構成を説明する。
Example 1 shows an analysis result in the case where the substrate 20 of the LED lighting module 1 is made of a copper plate having a thickness of 2 mm.
[Constitution]
FIG. 5 is a top view of the LED lighting module 1. 6 is a cross-sectional view of the LED lighting module 1 taken along line B-B in FIG.
Hereinafter, the configuration of the LED lighting module 1 will be described using FIGS. 5 and 6.
図5に示すように、LED照明モジュール1は、実装領域10、配線12(12a、12b)、外部接続端子13(13a、13b)、実装基板20、ダム材22を主な構成要素とする。
実装領域10は、高密度に所謂COB(Chip On Board)実装された2210個のLEDチップ11の最外周を囲む領域であり、発光源かつ発熱源である領域である。実装領域10は、図5のA−A線を境に供給される電源が別々になっており、左側の実装領域10aと右側の実装領域10aに分けられる。左側の実装領域10aと右側の実装領域10aには、それぞれ1105個のLEDチップ11が実装されている。
LEDチップ11は、例えば、InGaN系青色LEDベアチップである。LEDチップ11は、LEDチップ11同士あるいは配線12(12a、12b、12c、12d)とワイヤ14により電気的に接続されている。ワイヤ14は、例えば、金やアルミ等の金属材料からなり、ワイヤボンディングにより形成および接合される。LEDチップ11の裏面(下面)は、基板20の表面上に高熱伝導性接着剤等により固設される。LEDチップ11の配列については後述の[高密度実装]の箇所で説明する。
As shown in FIG. 5, the LED lighting module 1 mainly includes a mounting area 10, wires 12 (12a and 12b), external connection terminals 13 (13a and 13b), a mounting substrate 20, and a dam material 22.
The mounting area 10 is an area surrounding the outermost periphery of 2210 LED chips 11 mounted at a high density so-called COB (Chip On Board), and is an area which is a light emission source and a heat generation source. The mounting area 10 has different power supplies supplied at the boundary of the line A-A in FIG. 5, and is divided into a mounting area 10a on the left side and a mounting area 10a on the right side. In the left mounting area 10a and the right mounting area 10a, 1105 LED chips 11 are mounted.
The LED chip 11 is, for example, an InGaN-based blue LED bare chip. The LED chips 11 are electrically connected to the LED chips 11 or to the wirings 12 (12a, 12b, 12c, 12d) by the wires 14. The wire 14 is made of, for example, a metal material such as gold or aluminum, and is formed and bonded by wire bonding. The back surface (lower surface) of the LED chip 11 is fixed on the front surface of the substrate 20 by a high thermal conductive adhesive or the like. The arrangement of the LED chips 11 will be described in the section of [High-density mounting] described later.
配線12および外部電極端子13は、基板20の表面上に実装領域10を囲むように配設され、LEDチップ11に電源を供給する。配線12および外部電極端子13は、同一の符号(a、b、c、d)が付されたもの同士で電気的に接続されており、図5のA−A線を対称軸として一定間隔を空けて線対称なパターンを形成している。外部電極端子13は、図示しない外部電源装置に電気的に接続され、外部電極端子13aと13b間、および外部電極端子13cと13d間に電圧が印加される。配線12aと12b間、および配線12cと12d間には、一定間隔が空けられ、過電圧による破壊防止のための保護ダイオード装置15が接続されている。また、配線12の表面上には、無機系白色絶縁層21と同じ材料により構成され、ソルダーレジストとしても機能する無機系白色絶縁層24が形成されている。 The wiring 12 and the external electrode terminal 13 are disposed on the surface of the substrate 20 so as to surround the mounting area 10 and supply power to the LED chip 11. The wires 12 and the external electrode terminals 13 are electrically connected to each other with the same reference numerals (a, b, c, d), and a constant distance is taken with the line AA in FIG. 5 as an axis of symmetry. It is open and forms a line symmetrical pattern. The external electrode terminal 13 is electrically connected to an external power supply (not shown), and a voltage is applied between the external electrode terminals 13a and 13b and between the external electrode terminals 13c and 13d. A fixed distance is provided between the wires 12a and 12b and between the wires 12c and 12d, and a protection diode device 15 for preventing breakdown due to an overvoltage is connected. Further, on the surface of the wiring 12, an inorganic white insulating layer 24 which is made of the same material as the inorganic white insulating layer 21 and which also functions as a solder resist is formed.
基板20は、直径φ120mm、厚さ2mmの銅板で構成され、表面に形成された無機系白色絶縁層21により、電気的に絶縁するとともに低い熱抵抗で実装領域10の熱を伝導し、裏面で放熱する。 The substrate 20 is made of a copper plate with a diameter of 120 mm and a thickness of 2 mm, and is electrically insulated by the inorganic white insulating layer 21 formed on the surface and conducts heat of the mounting region 10 with low thermal resistance. Heat is released.
無機系白色絶縁層21は、基板20の表面上に塗布形成され、絶縁層および実装領域10で発光された光の反射層としての役割を担う。無機系白色絶縁層21は、白色系無機粉末(白色系無機顔料)と二酸化珪素(SiO2)を主要な成分とし、耐電圧1KV/10μm程度、可視光の波長域で平均反射率70%以上の物性を有する。無機系白色絶縁層21の厚さは、例えば、10〜150μmであり、塗布形成には、例えば、インクジェット法、ディスペンサー法、スプレーコート法またはスクリーン印刷法が用いられる。 The inorganic white insulating layer 21 is formed on the surface of the substrate 20 by coating, and serves as a reflection layer of light emitted from the insulating layer and the mounting area 10. The inorganic white insulating layer 21 contains white inorganic powder (white inorganic pigment) and silicon dioxide (SiO 2) as main components, and has a withstand voltage of about 1 KV / 10 μm and an average reflectance of 70% or more in the visible light wavelength range. It has physical properties. The thickness of the inorganic white insulating layer 21 is, for example, 10 to 150 μm, and for example, an inkjet method, a dispenser method, a spray coating method, or a screen printing method is used for coating formation.
ダム材22は、基板20の表面上に実装領域10を囲む略正方形状に形成され、透光性樹脂23を充填するための堤防として機能する。また、ダム材22の表面には光反射性が付与され、実装領域10より発光された光を反射する。 The dam material 22 is formed in a substantially square shape surrounding the mounting area 10 on the surface of the substrate 20 and functions as a bank for filling the translucent resin 23. In addition, light reflectivity is imparted to the surface of the dam member 22, and the light emitted from the mounting area 10 is reflected.
透光性樹脂23は、ダム材22により囲まれた領域に充填され、LEDチップ11とワイヤ14を封止する。これにより、LEDチップ11、ワイヤ14およびこれらの接合部を保護し、LEDチップ11から発光された光を所望の色に調節する。透光性樹脂23には、例えば白色を得るための蛍光体が混入されている。白色光を得るための方式としては、紫外LEDで三原色の蛍光体を励起する方式、緑および赤の二色の蛍光体を青色LEDで励起する方式、黄色の蛍光体を青色LEDで励起する方式があるところ、LEDチップ11の種類に応じて選択された蛍光体を混入する。色温度は、例えば、2700〜6500Kの範囲で設定する。 The translucent resin 23 is filled in the area surrounded by the dam material 22 and seals the LED chip 11 and the wire 14. This protects the LED chip 11, the wires 14 and their junctions, and adjusts the light emitted from the LED chip 11 to a desired color. In the translucent resin 23, for example, a phosphor for obtaining white is mixed. As a system for obtaining white light, a system in which a phosphor of three primary colors is excited by an ultraviolet LED, a system in which a two-color phosphor of green and red is excited by a blue LED, and a system in which a yellow phosphor is excited by a blue LED Wherein, the phosphors selected according to the type of the LED chip 11 are mixed. The color temperature is set, for example, in the range of 2700 to 6500K.
[高密度実装]
図7を用いて、実装領域10に実装されたLEDチップ11の配列および電気接続について説明する。
図7は、図5の第1実装領域10aに実装されたLEDチップ11と、配線12a、12bを抜き出した簡略図である。第2反射領域10bに実装されたLEDチップ11も同様の配列である。
[High density mounting]
The arrangement and electrical connection of the LED chips 11 mounted in the mounting area 10 will be described using FIG. 7.
FIG. 7 is a simplified view of the LED chip 11 mounted in the first mounting area 10a of FIG. 5 and the wirings 12a and 12b. The LED chips 11 mounted in the second reflective area 10b are also arranged in the same manner.
LEDチップ11は、第1実装領域10a内の上下方向と左右方向にそれぞれ実質上等ピッチで千鳥状に配置される。LEDチップ11は、奇数番目の行に32個、偶数番目の行に33個並べられ、合計34行の行をなしている。奇数番目の行における左端のLEDチップ11同士は、その左右方向の位置が同じである。また、偶数番目の行における左端のLEDチップ11同士も、その左右方向の位置が同じである。さらに、奇数番目の行における左端のLEDチップ11は、偶数番目の行における左端のLEDチップ11に対して実質上半ピッチ分右にずれている。 The LED chips 11 are arranged in a zigzag at substantially equal pitches in the vertical and horizontal directions in the first mounting area 10a. The LED chips 11 are arranged in 32 odd-numbered rows and 33 in even-numbered rows, forming a total of 34 rows. The leftmost LED chips 11 in the odd-numbered rows have the same position in the left-right direction. Further, the leftmost LED chips 11 in the even-numbered rows also have the same position in the left-right direction. Furthermore, the leftmost LED chips 11 in the odd-numbered rows are offset to the right substantially by a half pitch with respect to the leftmost LED chips 11 in the even-numbered rows.
ここで、LEDチップ11の位置を定義する。図7に示すように、左上のLEDチップ11を基準として、右方向にX方向、下方向にY方向を規定する。そして、基準からY番目の行に属し、左端からX番目にあるLEDチップ11にインデックス(X,Y)を割り当てる。
例えば、1行目に属するLEDチップ11は、左端からインデックス(1,1)、(2,1)、(3,1)、・・・、(32,1)が割り当てられ、下端の行に属するLEDチップ11は、左端からインデックス(1,34)、(2,34)、(3,34)、・・・、(33,34)が割り当てられる。
以下、インデックス(X,Y)を割り当てられたLEDチップ11を「LEDチップ11(X,Y)」と表記することとする。
Here, the position of the LED chip 11 is defined. As shown in FIG. 7, an X direction is defined to the right and a Y direction is defined to the lower, with reference to the upper left LED chip 11. Then, the index (X, Y) is assigned to the LED chip 11 that belongs to the Y-th row from the reference and is the X-th from the left end.
For example, the LED chips 11 belonging to the first row are assigned indexes (1, 1), (2, 1), (3, 1),..., (32, 1) from the left end and Indexes (1, 34), (2, 34), (3, 34),..., (33, 34) are assigned from the left end to the LED chips 11 to which they belong.
Hereinafter, the LED chip 11 to which the index (X, Y) is assigned is referred to as “LED chip 11 (X, Y)”.
LEDチップ11(X,Y)は、下記のように配線12a、12bに対してワイヤボンドにより直列に電気接続される。
Y=1または2の場合、LEDチップ11(X,Y)のチップ上端にある一対の電極(図示せず)は配線12aとワイヤボンドされる。
3≦Y≦32の場合、LEDチップ11(X,Y−2)のチップ下端にある一対の電極(図示せず)は、LEDチップ11(X,Y)のチップ上端にある一対の電極(図示せず)とワイヤボンドされる。また、LEDチップ11(X,Y)のチップ下端にある一対の電極(図示せず)は、LEDチップ11(X,Y+2)のチップ下端にある一対の電極(図示せず)とワイヤボンドされる。
Y=33または34の場合、LEDチップ11(X,Y)のチップ下端にある一対の電極(図示せず)は配線12bとワイヤボンドされる。
The LED chips 11 (X, Y) are electrically connected in series to the wirings 12 a, 12 b by wire bonding as described below.
When Y = 1 or 2, a pair of electrodes (not shown) at the upper end of the LED chip 11 (X, Y) is wire-bonded to the wiring 12 a.
In the case of 3 ≦ Y ≦ 32, the pair of electrodes (not shown) at the lower end of the LED chip 11 (X, Y-2) is the pair of electrodes (upper end) of the LED chip 11 (X, Y) Wire bonded to (not shown). Also, a pair of electrodes (not shown) at the lower end of the LED chip 11 (X, Y) is wire-bonded to a pair of electrodes (not shown) at the lower end of the LED chip 11 (X, Y + 2) Ru.
When Y = 33 or 34, a pair of electrodes (not shown) at the lower end of the LED chip 11 (X, Y) is wire-bonded to the wiring 12 b.
以上のように、LEDチップ11同士が上下に1行おきに電気接続されるため、配線12a、12bに対して17個直列に電気接続される。これら17個直列に電気接続されたLEDチップ11を「単位LEDチップ群」と定義すると、単位LEDチップ群は、奇数行群で同一のインデックスXが割り当てられたLEDチップ11、または偶数行群で同一のインデックスXが割り当てられたLEDチップ11により構成される。インデックスXの値は、奇数行においてはX=1〜32、偶数行においてはX=1〜33をとるため、単位LEDチップ群は、奇数行群で32個形成され、偶数行群で33個形成される。第1実装領域10aに形成される単位LEDチップ群を合計すると、32+33=65個である。各単位LEDチップ群は、配線12a、12bに対して並列に電気接続されているので、第1実装領域10aには、1105個のLEDチップ11が17直列×65並列の配線パターンで実装されていることになる。
第2実装領域10bも第1実装領域10aと同様の構成であるので、両領域合わせた実装領域10には、2210個のLEDチップが17直列×130並列で実装されていることになる。
As described above, since the LED chips 11 are electrically connected to each other at every other line in the vertical direction, 17 pieces of the LED chips 11 are electrically connected in series to the wirings 12a and 12b. When the LED chips 11 electrically connected in series are defined as a “unit LED chip group”, the unit LED chip groups are the LED chips 11 to which the same index X is assigned in the odd row group or the even row group The LED chip 11 is assigned the same index X. Since the value of index X is X = 1 to 32 in the odd rows and X = 1 to 33 in the even rows, 32 unit LED chip groups are formed in the odd row group and 33 in the even row group It is formed. A total of unit LED chip groups formed in the first mounting area 10 a is 32 + 33 = 65. Since each unit LED chip group is electrically connected in parallel to the wirings 12a and 12b, 1105 LED chips 11 are mounted in a 17 series × 65 parallel wiring pattern in the first mounting area 10a. It will be.
Since the second mounting area 10b has the same configuration as the first mounting area 10a, 2210 LED chips are mounted in 17 series × 130 parallel in the mounting area 10 in which both areas are combined.
[解析結果]
熱設計プログラムに入力した本実施例の各設計パラメータを、表2に示す。未知パラメータは基板温度分布Tであるため、従属する基板最高温度Tmaxと温度ムラTmax−Tminは未知パラメータとしてプログラムに入力していない。
Table 2 shows each design parameter of the present embodiment input to the thermal design program. Since the unknown parameter is the substrate temperature distribution T, the dependent substrate maximum temperature T max and the temperature unevenness T max −T min are not inputted into the program as the unknown parameter.
図8は、本実施例のLED照明モジュール1における、定常状態での基板20の温度分布をサーモグラフィにより実測した結果である。図8(a)は、基板20の温度分布をコンター表示した図であり、(b)は(a)の2つのパスA、Bの温度分布をグラフにプロットしたもの(上段:パスA、下段:パスB)である。図8(b)を見て分かるように、基板20の中心を通るパスAとBとで、温度分布に差異はなく、設計検討に用いるパスはパスA、Bのいずれでもよい。したがって、設計検討に用いるパスとして、便宜のため、パスBを用いることにし、基板最高温度Tmaxは、パスBにおける基板20の温度の最大値と定義する。
図9に、本実施例のLED照明モジュール1の基板温度分布Tを熱解析プログラムによって求めた結果(点線)を、実機の実測結果(実線)とともに示す。座標0≦r*<0.1付近において、実機では図5のA−A線付近に一定間隔を空けているものの、解析プログラムでは均一に発熱すると近似しているため、実機の温度分布を再現できていない。しかし、実機の測定結果に対する解析結果の平均誤差は2.6%であり、その他の領域においては精度よく再現できていることが分かる。
FIG. 8 shows the result of measurement of the temperature distribution of the substrate 20 in the steady state in the LED lighting module 1 of the present example by thermography. FIG. 8 (a) is a diagram in which the temperature distribution of the substrate 20 is displayed on a contour, and FIG. 8 (b) is a plot of the temperature distribution of two paths A and B in FIG. : Path B). As can be seen from FIG. 8B, there is no difference in temperature distribution between the paths A and B passing through the center of the substrate 20, and the path used for design study may be either path A or B. Therefore, for convenience, the path B is used as a path used for design study, and the substrate maximum temperature T max is defined as the maximum value of the temperature of the substrate 20 in the path B.
The result (dotted line) which asked for substrate temperature distribution T of LED lighting module 1 of this example by a thermal analysis program is shown in Drawing 9 with the measurement result (solid line) of a real machine. In the vicinity of coordinates 0 ≦ r * <0.1, although the actual machine has a constant interval in the vicinity of the line A-A in FIG. 5, since the analysis program approximates uniform heat generation, the temperature distribution of the actual machine is reproduced Not done. However, the average error of the analysis result with respect to the measurement result of the actual machine is 2.6%, and it can be seen that the reproduction is accurately performed in other regions.
実施例2は、LED照明モジュール1の基板20を、FGHPで構成した場合のシミュレーション結果を示すものである。以下では、実施例1との相違点を中心に説明し、共通する構成についての説明は割愛する場合がある。 Example 2 shows a simulation result in the case where the substrate 20 of the LED lighting module 1 is configured by FGHP. In the following, differences from the first embodiment will be mainly described, and description of the common configuration may be omitted.
[構造]
基板20は、特許文献1のFGHPを直径120mm、厚さ2mmの大きさとしたものである。FGHP内部にはヒートパイプを有し、高い熱伝導率が得られるため、熱の拡散を生じやすく、温度ムラの低減を狙っている。
[Construction]
The substrate 20 is the FGHP of Patent Document 1 with a diameter of 120 mm and a thickness of 2 mm. Since a heat pipe is provided inside the FGHP and high thermal conductivity can be obtained, heat diffusion is apt to occur, aiming to reduce temperature unevenness.
[解析結果]
熱設計プログラムに入力した本実施例の各設計パラメータを、表3に示す。未知パラメータは基板温度分布Tであるため、従属する基板最高温度Tmaxと温度ムラTmax−Tminは未知パラメータとしてプログラムに入力していない。
Table 3 shows each design parameter of the present embodiment input to the thermal design program. Since the unknown parameter is the substrate temperature distribution T, the dependent substrate maximum temperature T max and the temperature unevenness T max −T min are not inputted into the program as the unknown parameter.
温度ムラの解析結果を実施例1と実施例2で比較すると、実施例1では16Kに対し、実施例2では2Kであった。実施例2は実施例1に対して、温度ムラは1/8に低減していることが分かる。実施例1と実施例2の設計パラメータの実質的な違いは基板面方向熱伝導率krであることから、温度ムラは基板面方向熱伝導率krに影響されているものと推測される。
そこで、実施例3では、簡略化のために基板面方向熱伝導率krおよび基板厚さ方向熱伝導率kzに代えて基板有効熱伝導率keを用いるとともに、同様に放熱に影響する総括伝熱係数(基板裏面冷却強度)hを用い、これらの設計パラメータを変更して温度ムラに対する影響を調べた。具体的には、図10(a)に示す水中高輝度LED照明装置60を用い、形状および物性値を変更しながら熱解析シミュレーションを行い、温度ムラの解析を行った。
When the analysis result of the temperature non-uniformity is compared between Example 1 and Example 2, it was 2 K in Example 2 with respect to 16 K in Example 1. It can be seen that the temperature unevenness is reduced to 1/8 that of Example 1 compared to Example 1. Since the substantial difference between the design parameters of the first embodiment and the second embodiment is the thermal conductivity k r in the substrate surface direction, it is presumed that the temperature unevenness is affected by the thermal conductivity k r in the substrate surface direction. .
Therefore, in the third embodiment, the substrate effective thermal conductivity k e is used instead of the substrate surface direction thermal conductivity k r and the substrate thickness direction thermal conductivity k z for simplification, and heat radiation is similarly affected. Using the overall heat transfer coefficient (substrate backside cooling strength) h, these design parameters were changed to investigate the influence on temperature unevenness. Specifically, using the underwater high-brightness LED lighting device 60 shown in FIG. 10A, thermal analysis simulation was performed while changing the shape and the physical property values to analyze temperature unevenness.
[構造]
図10に水中高輝度LED照明装置60の(b)平面図、(c)断面図を示す。水中高輝度LED照明装置60は、筐体61、基板62、レンズ63、および2つのOリング64を主な構成要素とする。
筐体61は、真鍮製の直径111mm、高さ71mmの略円筒形状であり、受熱部61a、側面部61b、複数のフィン61c、キャップ部61d、およびソケット部61eを備えて構成される。受熱部61aは、その表面側に基板62が固着され、基板62より熱を受ける。側面部61bは、その外周に複数のフィン61cを備え、受熱部61aで受けた熱をフィン61cに伝導し、フィン61cはその熱を水中に放熱する。キャップ61dは、レンズ63を筐体61に固定する。ソケット部61eは、図示しない電源ケーブルを筐体61内部へ案内する。
基板62は、図示しない高密度実装された多数個のLEDチップを実装する。基板62に実装されるLEDチップの数は、例えば、172個である。基板62は、多数個のLEDチップから発せられた熱を受熱部62aに伝導する。
レンズ63は、基板62に実装されたLEDチップから発せられた光を集光し、透過させる。
Oリング64は、側面部61bとレンズ63間、および側面部61bとソケット部61e間に挟まれ、水の侵入を防ぐ。
[Construction]
FIG. 10 shows (b) a plan view and (c) a cross-sectional view of the underwater high-intensity LED lighting device 60. The underwater high-brightness LED lighting device 60 mainly includes a housing 61, a substrate 62, a lens 63, and two O-rings 64.
The housing 61 is a substantially cylindrical shape having a diameter of 111 mm and a height of 71 mm made of brass, and is configured to include a heat receiving portion 61a, a side surface portion 61b, a plurality of fins 61c, a cap portion 61d, and a socket portion 61e. The substrate 62 is fixed to the surface side of the heat receiving portion 61 a, and receives heat from the substrate 62. The side surface portion 61b is provided with a plurality of fins 61c on the outer periphery thereof, and conducts the heat received by the heat receiving portion 61a to the fins 61c, and the fins 61c dissipate the heat into water. The cap 61 d fixes the lens 63 to the housing 61. The socket 61e guides a power cable (not shown) into the housing 61.
The substrate 62 mounts a large number of high density mounted LED chips (not shown). The number of LED chips mounted on the substrate 62 is, for example, 172. The substrate 62 conducts the heat generated from the large number of LED chips to the heat receiving portion 62a.
The lens 63 condenses and transmits light emitted from the LED chip mounted on the substrate 62.
The O-ring 64 is sandwiched between the side surface 61 b and the lens 63 and between the side surface 61 b and the socket 61 e to prevent water from entering.
受熱部61aと基板62の詳細な構造について、図11を用いて説明する。図11は、受熱部61aと基板62の(a)上面図、(b)側面図、(c)下面図を示す。
受熱部61aは、半径Do、厚さtの円盤状をしている。開口穴65が形成されており、開口穴65の有無、穴径(半径)Diの変更によって受熱部61aの表面に固着される基板62との接触面積が変化し、総括伝熱係数hを変化させることが可能となる。また、厚さtが変わることにより、側面部61bとの接続断面積が変化し、総括伝熱係数hを変化させることが可能となる。すなわち、受熱部61aの半径Do、穴径(半径)Di、および厚さtを総括伝熱係数hの代用とすることができる。ちなみに、穴径(半径)Diが大きくなるほど、受熱部61aと基板62の接触面積が小さくなり、総括伝熱係数hは小さくなる。また、厚さtが大きくなるほど、側面部61bとの接続断面積が大きくなり、総括伝熱係数hは大きくなる。
The detailed structure of the heat receiving part 61a and the board | substrate 62 is demonstrated using FIG. FIG. 11 shows (a) top view, (b) side view, and (c) bottom view of the heat receiving portion 61 a and the substrate 62.
The heat receiving portion 61a has a disk shape having a radius D o and a thickness t. The open hole 65 is formed, and the contact area with the substrate 62 fixed to the surface of the heat receiving portion 61a is changed by the presence or absence of the open hole 65 and the change of the hole diameter (radius) D i. It is possible to change. Further, by changing the thickness t, the connection cross-sectional area with the side surface portion 61b changes, and it becomes possible to change the overall heat transfer coefficient h. That is, the radius D o of the heat receiving portion 61 a, the hole diameter (radius) D i , and the thickness t can be used as a substitute for the overall heat transfer coefficient h. Incidentally, as the hole diameter (radius) D i increases, the contact area between the heat receiving portion 61 a and the substrate 62 decreases, and the overall heat transfer coefficient h decreases. Further, as the thickness t increases, the cross-sectional area of connection with the side surface portion 61b increases, and the overall heat transfer coefficient h increases.
基板62は半径Lhs、厚さdの円盤状の銅板またはFGHPである。基板62の表面には、複数個のLEDチップが高密度実装され、均一に発熱するものと近似可能した実装領域66が形成されている。実装領域66は直径Rの円形状をなしている。実装領域66が発した熱は入熱量Qinとして基板62の実装領域66との接触部分に入熱する。入熱量Qinは、例えば、実装領域66を形成するLEDチップの数が172個の場合、1チップあたりの消費電力を3.2V×0.32A=1.12Wと仮定し、総消費電力の80%が熱となることを仮定すると、1.12W×172×0.8=154Wである。 The substrate 62 is a disk-shaped copper plate or FGHP of radius L hs and thickness d. On the surface of the substrate 62, a plurality of LED chips are mounted at a high density, and a mounting area 66 which can be approximated to one which generates heat uniformly is formed. The mounting area 66 has a circular shape of diameter R. Heat mounting region 66 is emitted is incident heat in the contact portion between the mounting region 66 of the substrate 62 as a heat input Q in. Assuming that the power consumption per chip is 3.2 V × 0.32 A = 1.12 W, for example, when the number of LED chips forming the mounting area 66 is 172, the heat input Q in is Assuming that 80% is heat, it is 1.12W × 172 × 0.8 = 154W.
以下、総括伝熱係数hおよび基板有効熱伝導率keを変化させて行った熱解析シミュレーションの結果を説明する。本実施例の構成で登場する設計パラメータのうち、言及していない設計パラメータについては前述の説明のとおりであり、説明を省略する。
解析モデルの設計パラメータを表4〜6に示す。
Design parameters of the analysis model are shown in Tables 4 to 6.
図12に実施例3−1〜18の解析結果を示す。グラフの縦軸は温度ムラ、横軸はビオ数Biを示す。ビオ数Biは、数11〜13に従って、熱解析シミュレーションで求めた実装領域66の中心温度T66を用いて算出した熱抵抗Rth(all)および括熱伝達係数hによって求めた。ここで、被冷却体面積Aは、基板42と受熱部41aの接触面積が受熱部41aの穴径(半径)Diによって変化するため、共通するフィン43の放熱面積を用いて算出した。
T66:熱解析シミュレーションで求めた実装領域66の中心温度[K]
T∞:環境温度[K]
Qin:入熱量[W]
A:被冷却体面積(フィン61cの放熱面積)[m2]
R:被冷却体サイズ[m]
ke:基板有効熱伝導率[W/(m・K)]
The analysis results of Examples 3-1 to 18 are shown in FIG. The vertical axis of the graph indicates temperature unevenness, and the horizontal axis indicates biot number Bi. The Biot number Bi is determined by the thermal resistance R th (all) and the heat transfer coefficient h calculated using the center temperature T 66 of the mounting region 66 determined by the thermal analysis simulation according to Equations 11-13. Here, the cooling body area A, the contact area of the substrate 42 and the heat receiving portion 41a is changed by diameter (radius) D i of the heat receiving portion 41a, it is calculated using the heat radiation area of the common fins 43.
T 66 : Center temperature of mounting area 66 obtained by thermal analysis simulation [K]
T :: Environmental temperature [K]
Q in : Heat input [W]
A: Area to be cooled (heat radiation area of fins 61c) [m 2 ]
k e : Effective thermal conductivity of substrate [W / (m · K)]
図12を見て分かるように、各実施例3−1〜3−18とも、図12の点線で示す一つの近似曲線上に沿っている傾向が見られる。すなわち、温度ムラはビオ数Biによって一義的に求めることが可能である。したがって、温度ムラの仕様が決まれば、図12中の(1)から(2)の矢印のように近似曲線を辿り、放熱システムのBiを決定することが可能である。
ビオ数は、数13のように、総括伝熱係数、サイズおよび基板有効熱伝導率で決まる値である。上記の考え方によれば、放熱システムの設計において筐体の構成が先に決定される場合、筐体に関する定常熱伝導方程式の解析解あるいは数値解によって総括伝熱係数がまず決定され、その結果として、基板に要求される有効熱伝導率を決定することができる。逆に、基板の構成が先に決定される場合、基板の有効熱伝導率がまず決定され、その結果として、筐体に要求される総括伝熱係数を決定することができる。
As can be seen from FIG. 12, in each of the examples 3-1 to 3-18, a tendency is observed along one approximate curve shown by a dotted line in FIG. That is, it is possible to uniquely determine the temperature unevenness by the bionumber Bi. Therefore, if the specification of the temperature unevenness is determined, it is possible to determine the Bi of the heat dissipation system by following the approximate curve as shown by the arrows (1) to (2) in FIG.
The Biot number is a value determined by the overall heat transfer coefficient, the size, and the substrate effective thermal conductivity, as in Equation 13. According to the above concept, when the configuration of the casing is determined first in the design of the heat dissipation system, the overall heat transfer coefficient is first determined by the analytical solution or numerical solution of the steady heat conduction equation for the casing, and as a result thereof The effective thermal conductivity required of the substrate can be determined. Conversely, if the configuration of the substrate is determined first, then the effective thermal conductivity of the substrate can be determined first, and as a result, the overall heat transfer coefficient required for the housing can be determined.
以上に説明した実施例3によれば、放熱システムの設計パラメータを迅速に決定することができる。 According to the third embodiment described above, the design parameters of the heat dissipation system can be determined quickly.
1 LED照明モジュール
10 実装領域
11 LEDチップ
12、12a、12b 配線
13、13a、13b 外部電極端子
14 ワイヤ
15 保護ダイオード
20 基板
20B 裏面
21 無機系白色絶縁層
22 ダム材
23 透光性樹脂
24 無機系白色絶縁層
30〜33 液冷クーラー
30 金属ブロック
30A 表面
31 循環流路
32 入口
33 出口
40 入出力画面
41 設計パラメータ名称欄
42 設計パラメータ入出力欄
43 設定欄
44 計算結果表示欄
45 計算実行ボタン
60 水中高輝度LED照明装置
61 筐体
61a 受熱部
61b 側面部
61c フィン
61d キャップ部
61e ソケット部
62 基板
63 レンズ
64 Oリング
65 開口穴
66 実装領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 LED illumination module 10 Mounting area 11 LED chip 12, 12a, 12b Wiring 13, 13a, 13b External electrode terminal 14 Wire 15 Protection diode 20 Substrate 20B Back surface 21 Inorganic white insulating layer 22 Dam material 23 Translucent resin 24 Inorganic system White insulating layer 30 to 33 Liquid cooler 30 Metal block 30A Surface 31 Circulation flow path 32 Inlet 33 Exit 40 Input / output screen 41 Design parameter name column 42 Design parameter input / output column 43 Setting column 44 Calculation result display column 45 Calculation execution button 60 Underwater high-brightness LED lighting device 61 housing 61a heat receiving portion 61b side surface portion 61c fin 61d cap portion 61e socket portion 62 substrate 63 lens 64 O ring 65 opening hole 66 mounting area
Claims (5)
設計パラメータが、基板温度分布、基板面方向熱伝導率、基板厚さ方向熱伝導率、基板サイズ、基板厚さ、被冷却体サイズ、入熱量、および総括伝熱係数を含み、
前記設計パラメータの中から選択された一の未知パラメータを除く設計パラメータに値を入力し、
下記式1により算出される前記基板のビオ数Bir、計算用パラメータa、および無次元座標r*を算出し、下記式2により前記計算用パラメータaおよび前記無次元座標r*を用いて無次元温度Θを算出し、既知のデータから算出したS mod を含む下記式3により前記無次元座標r * =1における温度T R を算出し、下記式4により前記基板の温度分布T[K]を算出することを特徴とする電子部品実装基板の放熱設計方法。
[式1]
[式2]
ここで、各係数は、以下に示すとおりである。
h:総括伝熱係数[W/(m2・K)]
kr:基板面方向熱伝導率[W/(m・K)]
R:被冷却体サイズ[m]
d:基板厚さ[m]
I0:第1種変形ベッセル関数
[式3]
T R :被冷却体端位置における温度[K]
k z :基板厚さ方向熱伝導率[W/(m・K)]
A:被冷却体面積[m 2 ]
h:基板裏面冷却強度[W/(m 2 ・K)]
S mod :形状係数[−]
[式4]
T ∞ :環境温度[K]
Q in :入熱量[W]
A:被冷却体面積[m 2 ]
h:基板裏面冷却強度[W/(m 2 ・K)] In a method of designing an electronic component mounting substrate including a substrate and a large number of semiconductor elements integrated and mounted on the substrate,
Design parameters include substrate temperature distribution, substrate surface thermal conductivity, substrate thickness thermal conductivity, substrate size, substrate thickness, cooled body size, heat input, and overall heat transfer coefficient,
Input values to design parameters excluding one unknown parameter selected from the design parameters,
The bionumber Bi r of the substrate, the calculation parameter a, and the dimensionless coordinate r * calculated by the following equation 1 are calculated, and the following equation 2 is used without the calculation parameter a and the dimensionless coordinate r *: The dimensional temperature 算出 is calculated, and the temperature T R at the dimensionless coordinate r * = 1 is calculated by the following equation 3 including S mod calculated from known data, and the temperature distribution T [K] of the substrate by the following equation 4 A heat dissipation design method of an electronic component mounting board characterized by calculating.
[Equation 1]
[Formula 2]
Here, each coefficient is as shown below.
h: Overall heat transfer coefficient [W / (m 2 · K)]
k r : Thermal conductivity in the substrate surface direction [W / (m · K)]
R: Size of cooled object [m]
d: Substrate thickness [m]
I 0 : Modified Bessel function of the first kind
[Equation 3]
T R : Temperature at end of object to be cooled [K]
k z : thermal conductivity in the substrate thickness direction [W / (m · K)]
A: Cooled body area [m 2 ]
h: Substrate backside cooling strength [W / (m 2 · K)]
S mod : shape factor [-]
[Equation 4]
T :: Environmental temperature [K]
Q in : Heat input [W]
A: Cooled body area [m 2 ]
h: Substrate backside cooling strength [W / (m 2 · K)]
基板有効熱伝導率k e [W/(m・K)]は一定のまま総括熱伝達係数h[W/(m 2 ・K)]を変えた第1モデル、または、総括熱伝達係数h[W/(m 2 ・K)]は一定のまま基板有効熱伝導率k e [W/(m・K)]を変えた第2モデルについて、有効熱伝導率k e [W/(m・K)]の範囲または筐体の総括伝熱係数h[W/(m 2 ・K)]の範囲を算出する方法であって、
前記第1モデルまたは前記第2モデルに基づきビオ数に対する基板の温度ムラの近似曲線を算出し、
前記近似曲線および基板の温度ムラの狙い範囲からビオ数の範囲を算出し、
算出したビオ数の範囲に基づき下記式5により基板の有効熱伝導率ke[W/(m・K)]の範囲または筐体の総括伝熱係数h[W/(m2・K)]の範囲を算出することを特徴とする電子部品実装基板の放熱設計方法。
[式5]
ここで、各係数は、以下に示すとおりである。
h:総括伝熱係数[W/(m2・K)]
ke:基板有効熱伝導率[W/(m・K)]
R:被冷却体サイズ[m] In a method of designing an electronic component mounting substrate including a substrate and a large number of semiconductor elements integrated and mounted on the substrate,
The first model in which the overall heat transfer coefficient h [W / (m 2 · K)] is changed while the substrate effective thermal conductivity k e [W / (m · K)] remains constant , or the overall heat transfer coefficient h W / (m 2 · K) ] for the second model changed remains constant substrate effective thermal conductivity k e [W / (m · K)], effective thermal conductivity k e [W / (m · K ) Or the range of the overall heat transfer coefficient h [W / (m 2 · K)] of the case,
An approximate curve of temperature unevenness of the substrate with respect to the bionumber is calculated based on the first model or the second model ,
The range of the bionumber is calculated from the aim curve of the approximate curve and the temperature unevenness of the substrate,
Calculated effective thermal conductivity of the substrate by the following equation 5 based on the range of Biot number k e [W / (m · K)] of the range or the housing of the overall heat transfer coefficient h [W / (m 2 · K)] A method of heat dissipation design of an electronic component mounting board, characterized in that the range of
[ Equation 5 ]
Here, each coefficient is as shown below.
h: Overall heat transfer coefficient [W / (m 2 · K)]
k e : Effective thermal conductivity of substrate [W / (m · K)]
R: Size of cooled object [m]
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015118280A JP6539862B2 (en) | 2015-06-11 | 2015-06-11 | Heat dissipation design method and program of electronic component mounting substrate |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015118280A JP6539862B2 (en) | 2015-06-11 | 2015-06-11 | Heat dissipation design method and program of electronic component mounting substrate |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2017005135A JP2017005135A (en) | 2017-01-05 |
| JP6539862B2 true JP6539862B2 (en) | 2019-07-10 |
Family
ID=57752307
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2015118280A Active JP6539862B2 (en) | 2015-06-11 | 2015-06-11 | Heat dissipation design method and program of electronic component mounting substrate |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6539862B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023199944A1 (en) * | 2022-04-13 | 2023-10-19 | 株式会社モナテック | Method for preparing refrigerant, and refrigerant |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7837521B2 (en) * | 2022-11-28 | 2026-03-31 | 国立大学法人 鹿児島大学 | Design method for temperature control device and temperature control device |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10222492A (en) * | 1997-02-10 | 1998-08-21 | Sony Corp | Analysis method of plate-type loop-shaped thin tube heat pipe |
| JP2006291725A (en) * | 2005-04-05 | 2006-10-26 | Tokyo Electric Power Co Inc:The | Thermal fluid device operating condition calculation device, thermal fluid device operating condition calculation method, and computer program |
-
2015
- 2015-06-11 JP JP2015118280A patent/JP6539862B2/en active Active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023199944A1 (en) * | 2022-04-13 | 2023-10-19 | 株式会社モナテック | Method for preparing refrigerant, and refrigerant |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2017005135A (en) | 2017-01-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1647766B1 (en) | Light emitting device package and back light unit for liquid crystal display using the same | |
| US20080296589A1 (en) | Solid-State Lighting Device Package | |
| WO2007106336A2 (en) | Liquid crystal display systems including leds | |
| JP2010508653A (en) | Light emitting device light source and temperature management system for light emitting device light source | |
| Ying et al. | Thermal analysis of high-power multichip COB light-emitting diodes with different chip sizes | |
| Rammohan et al. | A review on effect of thermal factors on performance of high power light emitting diode (HPLED) | |
| Luo et al. | Chip packaging: Encapsulation of nitride LEDs | |
| Colaco et al. | Thermal characterization of multicolor LED luminaire | |
| US20090283788A1 (en) | Light-Emitting Diode Chip Package Body and Method for Manufacturing Same | |
| JP6539862B2 (en) | Heat dissipation design method and program of electronic component mounting substrate | |
| Arik et al. | Chip to system levels thermal needs and alternative thermal technologies for high brightness LEDs | |
| Liu et al. | Optimal design of heat dissipation modules for high-power LED based on the Taguchi method | |
| CN112885820A (en) | Light emitting device and method for manufacturing the same | |
| US8643032B2 (en) | Light emitting diode package array and method for fabricating light emitting diode package | |
| Camacho-Arriaga et al. | New Tunable LED With Improved Heat Dissipation on Chip-on-Board | |
| US7741650B2 (en) | Illuminating equipment of high-power and clustered light-emitting diodes coupled to high efficiency heat-spreading and heat-dissipating module | |
| JP6537410B2 (en) | Method of manufacturing light emitting device | |
| JP2017050344A (en) | Light emitting device | |
| JP2017050342A (en) | Light-emitting device | |
| JP6643831B2 (en) | Light emitting device | |
| Lee et al. | Color quality improvement of micro LED display image by TMP LED design | |
| EP2834559B1 (en) | Led light structure | |
| TWI513051B (en) | Led wafer and manufacturing method thereof | |
| JP2006269078A (en) | LED light source module | |
| CN101782624B (en) | Method and system for estimating specifications of solid-state light-emitting element modules |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180605 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20180605 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20190116 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190129 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190401 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190423 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190517 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6539862 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |