ورقة بيانات LED أبيض LTW-008ZDCG - إن-غا-ن أبيض - 20mA - 3.6V - 120mW - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

تشرح هذه الوثيقة المواصفات التقنية لصمام ثنائي باعث للضوء (LED) أبيض عالي السطوع، مُصمم لتطبيقات تقنية التركيب السطحي (SMT). يستخدم الجهاز مادة أشباه الموصلات من نيترايد الغاليوم الإنديوم (InGaN) لإنتاج الضوء الأبيض، والذي يتم ترشيحه عبر عدسة صفراء. يتم تغليفه على شريط بعرض 8 مم وتوريده على بكرات قطرها 7 بوصات، مما يجعله متوافقًا تمامًا مع معدات التجميع الآلي (pick-and-place). يُصنف المنتج على أنه "أخضر" ومتوافق مع توجيهية تقييد المواد الخطرة (RoHS)، مما يشير إلى خلوه من الرصاص. يتمحور تصميمه الأساسي حول التطبيقات التي تتطلب إضاءة بيضاء موثوقة ومتسقة في شكل مضغوط.

2. التفسير الموضوعي العميق للمعايير التقنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد هذه القيم حدود الإجهاد التي إذا تم تجاوزها قد يحدث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل تحت هذه الظروف.

• تبديد الطاقة (Pd):120 ملي واط. هذه هي أقصى قدرة يمكن لحزمة الـ LED تبديدها كحرارة دون تجاوز حدودها الحرارية.
• تيار الذروة الأمامي (I_FP):100 ملي أمبير. هذا هو أقصى تيار أمامي لحظي مسموح به، يُحدد عادةً تحت ظروف النبض (دورة عمل 1/10، عرض نبضة 0.1 مللي ثانية) لمنع ارتفاع درجة الحرارة.
• تيار المستمر الأمامي (I_F):30 ملي أمبير. هذا هو أقصى تيار أمامي مستمر موصى به للتشغيل الموثوق على المدى الطويل.
• الجهد العكسي (V_R):5 فولت. تطبيق جهد عكسي يتجاوز هذه القيمة يمكن أن يسبب انهيارًا ويُتلف وصلة الـ LED. يُمنع التشغيل بجهد عكسي مستمر.
• نطاق درجة حرارة التشغيل (T_opr):من -30°C إلى +85°C. نطاق درجة الحرارة المحيطة الذي صُمم الـ LED ليعمل فيه بشكل صحيح.
• نطاق درجة حرارة التخزين (T_stg):من -40°C إلى +100°C. نطاق درجة الحرارة للتخزين في حالة عدم التشغيل.
• شرط لحام إعادة التدفق (Reflow):يتحمل 260°C لمدة 10 ثوانٍ، وهو ما يتماشى مع منحنيات لحام إعادة التدفق الخالي من الرصاص النموذجية (مثل J-STD-020D).

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم قياس هذه المعلمات في حالة الاختبار القياسية Ta=25°C و I_F= 20 ملي أمبير، ما لم يُذكر خلاف ذلك.

• الشدة الضوئية (I_V):تتراوح من حد أدنى 860 ملي كانديلا إلى قيمة نموذجية 1720 ملي كانديلا. يقيس هذا القدرة المُدرَكة للضوء المنبعث في اتجاه محدد. القيمة الفعلية يتم تصنيفها (انظر القسم 3). يتبع القياس منحنى استجابة العين CIE.
• زاوية الرؤية (2θ_1/2):110 درجة. هذه هي الزاوية الكاملة التي تنخفض عندها الشدة الضوئية إلى نصف قيمتها القصوى (على المحور). تشير إلى نمط حزمة ضوئية واسع نسبيًا.
• إحداثيات اللون (x, y):القيم النموذجية هي x=0.295, y=0.280 على مخطط لونية CIE 1931، لتحديد نقطة اللون الأبيض. يُطبق تفاوت ±0.01 على هذه الإحداثيات.
• الجهد الأمامي (V_F):يتراوح من 2.9 فولت إلى 3.6 فولت عند 20 ملي أمبير. هذا هو انخفاض الجهد عبر الـ LED أثناء التشغيل. القيم الفعلية يتم تصنيفها (انظر القسم 3).
• جهد تحمل الكهرباء الساكنة (ESD):2000 فولت (نموذج جسم الإنسان، HBM). يحدد هذا حساسية الجهاز للتفريغ الكهروستاتيكي، مما يشير إلى مستوى قياسي من الحماية. يُوصى بشدة بالتعامل مع احتياطات ESD المناسبة (أساور المعصم، معدات مؤرضة).

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

لضمان اتساق اللون والأداء في الإنتاج، يتم فرز مصابيح LED إلى مجموعات (Bins) بناءً على معايير رئيسية.

3.1 تصنيف الجهد الأمامي (V_F) Binning

يتم تصنيف مصابيح LED إلى مجموعات (من V0 إلى V6) بناءً على جهدها الأمامي عند I_F= 20 ملي أمبير. كل مجموعة لها نطاق 0.1 فولت، من V0 (2.9-3.0 فولت) إلى V6 (3.5-3.6 فولت). يُطبق تفاوت ±0.10 فولت داخل كل مجموعة. هذا يسمح للمصممين باختيار مصابيح LED ذات انخفاض جهد متطابق تقريبًا لتطبيقات تقاسم التيار في الدوائر المتوازية.

3.2 تصنيف الشدة الضوئية (I_V) Binning

يتم تصنيف مصابيح LED (S, T, A, B, C, D) وفقًا لشدة ضوئيتها عند I_F= 20 ملي أمبير. تتراوح المجموعات من S (860-1000 ملي كانديلا) إلى D (1580-1720 ملي كانديلا). يُحدد تفاوت ±10% لكل مجموعة. هذا يتيح الاختيار للتطبيقات التي تتطلب مستويات سطوع محددة أو تجانس عبر عدة مصابيح LED.

3.3 تصنيف إحداثيات اللون (رتب الألوان)

توفر الوثيقة جدول رتب الألوان التفصيلي (مثل A52, A53, BE1, BG3) الذي يحدد أشكالًا رباعية أو مثلثات محددة على مخطط لونية CIE 1931. تحدد كل "رتبة" الحدود المسموح بها لإحداثيات (x, y) لإخراج الضوء الأبيض. هذا التصنيف الدقيق حاسم للتطبيقات التي يكون فيها اتساق اللون أمرًا بالغ الأهمية، مثل الإضاءة الخلفية أو اللافتات. بدل القياس لهذه الإحداثيات هو ±0.01.

4. تحليل منحنيات الأداء

4.1 الشدة النسبية مقابل الطول الموجي

يوضح الشكل 1 في ورقة البيانات توزيع القدرة الطيفية (SPD) للضوء المنبعث. بالنسبة لـ LED أبيض يستخدم شريحة إن-غا-ن زرقاء مع فسفور أصفر، يُظهر المنحنى عادةً ذروة مهيمنة في المنطقة الزرقاء (حوالي 450-460 نانومتر) من الشريحة وذروة أو انتفاخ أوسع في المنطقة الصفراء/الخضراء (حوالي 550-600 نانومتر) ينتجها الفسفور. يؤدي مزيج هذه الأطياف إلى إدراك الضوء الأبيض. يغطي العرض الكامل للمنحنى تقريبًا من 400 نانومتر إلى 750 نانومتر، مُغطيًا الطيف المرئي.

5. معلومات الميكانيكا والتغليف

5.1 أبعاد الغلاف والتفاوتات المسموح بها

يتوافق الـ LED مع مخطط غلاف قياسي SMD تابع لـ EIA. يتم توفير جميع الأبعاد الحرجة بالمليمترات، مع تفاوت قياسي ±0.05 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. تشمل التعريفات الميكانيكية الرئيسية:

• المسافة A:المسافة الرأسية بين أسفل وسادة اللحام والعاكس. الحد الأدنى هو 0.05 مم.
• التفاوت B:تفاوت المحاذاة بين وسادتي اللحام اليمنى واليسرى. الحد الأقصى هو 0.03 مم.
• المسافة C:المسافة الجانبية بين وسادة اللحام وجدار العاكس. الحد الأدنى هو 0.05 مم.

هذه الأبعاد حاسمة لتصميم وسادات اللوحة المطبوعة (PCB) وضمان تكوين وصلة لحام صحيحة واستخراج ضوئي مناسب.

5.2 أبعاد التغليف بالشريط والبكرة

تحدد الرسومات التفصيلية أبعاد الشريط الحامل (حجم الجيب، المسافة بين المركبات، إلخ) وأبعاد البكرة (قطر 7 بوصات). يتبع التغليف مواصفات EIA-481-1-B. تشمل الملاحظات الرئيسية: 2000 قطعة لكل بكرة، يُسمح بحد أقصى مكونين مفقودين متتاليين، وأطوال شريط البداية والنهاية المحددة (20 سم كحد أدنى في البداية، 50 سم في النهاية).

6. إرشادات اللحام والتركيب

6.1 منحنى لحام إعادة التدفق (Reflow)

الـ LED متوافق مع عمليات لحام إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء (IR) والطور البخاري. يتم الإشارة إلى منحنى إعادة تدفق خالي من الرصاص موصى به، متوافق مع J-STD-020D. المعيار الحاسم هو قدرة الجهاز على تحمل درجة حرارة ذروية تبلغ 260°C لمدة 10 ثوانٍ. اتباع معدلات التسخين والنقع والتبريد الموصى بها أمر ضروري لمنع الصدمة الحرارية وضمان وصلات لحام موثوقة.

6.2 التنظيف

إذا كان التنظيف بعد اللحام ضروريًا، فيجب استخدام مواد كيميائية محددة فقط لتجنب إتلاف حزمة الـ LED. توصي ورقة البيانات بالغمر في كحول الإيثيل أو كحول الأيزوبروبيل في درجة الحرارة العادية لأقل من دقيقة واحدة. يُمنع استخدام سوائل كيميائية غير محددة.

6.3 التخزين وحساسية الرطوبة

يتم تصنيف المنتج على أنه مستوى حساسية الرطوبة (MSL) 3 وفقًا لـ JEDEC J-STD-020.

• الحزمة المغلقة:قم بالتخزين عند ≤30°C و ≤90% رطوبة نسبية. العمر الافتراضي هو سنة واحدة عند التخزين في الكيس المضاد للرطوبة الأصلي مع مجفف.
• الحزمة المفتوحة:قم بالتخزين عند ≤30°C و ≤60% رطوبة نسبية. يجب لحام المكونات خلال 168 ساعة (7 أيام) من تعرضها للبيئة المحيطة.
• التجفيف (Baking):إذا تحولت بطاقة مؤشر الرطوبة إلى اللون الوردي (مشيرة إلى >10% رطوبة نسبية) أو تم تجاوز مدة التعرض البالغة 168 ساعة، يُوصى بالتجفيف عند 60°C لمدة 48 ساعة على الأقل قبل إعادة الإغلاق أو الاستخدام.

7. اقتراحات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

هذا الـ LED الأبيض للتركيب السطحي مناسب لمجموعة واسعة من التطبيقات التي تتطلب إضاءة بيضاء مضغوطة وفعالة، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر:

• مؤشرات الحالة والإضاءة الخلفية للإلكترونيات الاستهلاكية (مثل الأجهزة المنزلية، معدات الصوت).
• مؤشرات اللوحات والإضاءة الخلفية للمفاتيح في أنظمة التحكم الصناعية.
• الإضاءة العامة في الأجهزة المحمولة.
• الإضاءة الزخرفية واللافتات.

ملاحظة هامة:تنص ورقة البيانات صراحةً على أن هذه المصابيح LED مخصصة للمعدات الإلكترونية العادية. بالنسبة للتطبيقات ذات متطلبات الموثوقية الاستثنائية أو حيث قد يعرض الفشل الحياة أو الصحة للخطر (الطيران، الأجهزة الطبية، أنظمة السلامة)، يلزم التشاور مع الشركة المصنعة قبل التصميم.

7.2 اعتبارات التصميم

• تحديد التيار:استخدم دائمًا مقاومة تحديد تيار على التوالي أو دائرة قيادة تيار ثابت. لا تصل مباشرة بمصدر جهد. شغل عند أو أقل من تيار المستمر الأمامي الموصى به البالغ 30 ملي أمبير.
• الإدارة الحرارية:تأكد من أن اللوحة المطبوعة (PCB) توفر تخفيفًا حراريًا كافيًا، خاصة عند التشغيل بتيارات عالية أو في درجات حرارة محيطة مرتفعة، للبقاء ضمن حد تبديد الطاقة البالغ 120 ملي واط.
• الحماية من الكهرباء الساكنة (ESD):نفذ إجراءات التعامل القياسية مع ESD أثناء التجميع. فكر في إضافة ثنائيات قمع الجهد العابر (TVS) أو حماية أخرى على لوحة الدائرة إذا كان الـ LED في موقع مكشوف.
• التصميم البصري:توفر زاوية الرؤية البالغة 110 درجة حزمة ضوئية واسعة. للحصول على ضوء أكثر تركيزًا، قد تكون البصريات الثانوية (عدسات) مطلوبة.

8. المقارنة والتمييز التقني

بينما لا يتم تقديم مقارنة مباشرة جنبًا إلى جنب مع أرقام قطع أخرى في ورقة البيانات هذه، يمكن استنتاج ميزات التمييز الرئيسية لهذا الـ LED:

• زاوية رؤية واسعة (110°):توفر إضاءة أوسع مقارنة بمصابيح LED ذات زوايا رؤية أضيق، مما يجعلها مناسبة للإضاءة المساحية بدلاً من الإضاءة البقعية.
• التصنيف التفصيلي:يوفر التصنيف الواسع للجهد الأمامي (V_F) والشدة الضوئية (I_V) وإحداثيات اللون اتساقًا عاليًا للتطبيقات التي تتطلب أداءً متطابقًا عبر وحدات متعددة.
• التغليف القوي:التوافق مع التركيب الآلي ومنحنيات إعادة التدفق الخالية من الرصاص القياسية (ذروة 260°C) يسهل التصنيع الموثوق على نطاق واسع.
• تقنية إن-غا-ن (InGaN):توفر توليد ضوء أبيض فعال نموذجي لتصميمات LED عالية السطوع الحديثة.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

9.1 ما الفرق بين تيار الذروة الأمامي (100mA) والتيار المستمر الأمامي (30mA)؟

تيار المستمر الأمامي (30mA) هو أقصى تيار للتشغيل المستمر والمستقر. تيار الذروة الأمامي (100mA) هو تيار أعلى بكثير يمكن للـ LED تحمله فقط لنبضات قصيرة جدًا (عرض 0.1 مللي ثانية) عند دورة عمل منخفضة (10%). هذا مفيد لتطبيقات مثل التعدد (Multiplexing) أو تخفيف عرض النبضة (PWM) حيث تحقق النبضات عالية التيار القصيرة سطوعًا لحظيًا أعلى دون ارتفاع درجة حرارة الـ LED. تجاوز تصنيف تيار المستمر باستمرار سيسبب حرارة مفرطة وتدهور سريع.

9.2 كيف أفسر إحداثيات اللون (x=0.295, y=0.280)؟

ترسم هذه الإحداثيات لون الضوء الأبيض على مخطط لونية CIE 1931. تتوافق هذه النقطة المحددة عادةً مع درجة حرارة لون "أبيض بارد" أو "أبيض نهار"، غالبًا في نطاق 6000K-7000K. يحدد التفاوت ±0.01 مساحة صغيرة على المخطط يجب أن يقع ضمنها لون أي LED فردي من هذه الدفعة، مما يضمن تجانس اللون.

9.3 لماذا تكون شروط التخزين صارمة جدًا (MSL 3)؟ ماذا يحدث إذا تجاوزت مدة التعرض البالغة 168 ساعة؟

يمكن لحزم التركيب السطحي (SMD) امتصاص الرطوبة من الهواء. أثناء عملية لحام إعادة التدفق عالية الحرارة، يمكن أن تتحول هذه الرطوبة المحتبسة بسرعة إلى بخار، مما يسبب انفصالًا داخليًا أو تشققًا أو "انتفاشًا" (popcorning) للغلاف البلاستيكي، مما قد يدمر الـ LED. يحدد MSL 3 وحد 168 ساعة وقت تعرض آمن لمعدل الامتصاص الرطوبي المحدد لهذه الحزمة. إذا تم تجاوز ذلك، فإن التجفيف (60°C لمدة 48 ساعة) يزيل الرطوبة الممتصة، ويعيد المكون إلى حالة جافة مناسبة لإعادة التدفق.

10. مثال على تصميم وحالة استخدام

10.1 تصميم لوحة مؤشرات الحالة

السيناريو:تصميم لوحة تحكم تحتوي على 10 مؤشرات حالة LED بيضاء موحدة.

خطوات التصميم:

1. ضبط التيار:اختر نقطة تشغيل، على سبيل المثال I_F= 20 ملي أمبير، للتشغيل الموثوق واستخدام بيانات التصنيف من ورقة البيانات مباشرة.
2. حساب الجهد:افترض مصدر جهد 5 فولت (V_CC). اختر مصابيح LED من نفس مجموعة تصنيف الجهد الأمامي (V_F)، على سبيل المثال V3 (3.2-3.3 فولت). استخدم القيمة النموذجية (3.25 فولت) للحساب. المقاومة التسلسلية المطلوبة R = (V_CC- V_F) / I_F= (5 - 3.25) / 0.020 = 87.5 أوم. يمكن استخدام مقاومة قياسية 91 أوم أو 82 أوم، مع تعديل التيار قليلاً.
3. تجانس السطوع:حدد مصابيح LED من نفس مجموعة تصنيف الشدة الضوئية (I_V) (على سبيل المثال، المجموعة C: 1440-1580 ملي كانديلا) لضمان أن يكون لجميع المؤشرات سطوع مُدرَك متشابه.
4. تجانس اللون:حدد مصابيح LED من نفس رتبة اللون (على سبيل المثال، A63) لضمان أن تنبعث جميع الأضواء بدرجة متطابقة من اللون الأبيض، وهو أمر بالغ الأهمية لاتساق الجماليات.
5. تخطيط اللوحة المطبوعة (PCB):اتبع أبعاد الوسادات الموصى بها من ورقة البيانات. تأكد من أن تصميم الوسادة يحترم المسافات الدنيا (A, C) إلى جسم/عاكس الـ LED لمنع حدوث قصر كهربائي والسماح بتكوين حشوة لحام صحيحة.
6. التجميع:استخدم منحنى إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء الموصى به. احتفظ بمصابيح LED في أكياس مغلقة حتى تصبح جاهزة للتجميع. إذا تم فتح الكيس، أكمل لحام جميع مصابيح LED العشرة خلال 168 ساعة.

11. مقدمة عن مبدأ التشغيل

يعمل هذا الـ LED الأبيض على مبدأ الإضاءة الكهربائية (electroluminescence) في أشباه الموصلات. الأساس هو شريحة مصنوعة من نيترايد الغاليوم الإنديوم (InGaN)، والتي تبعث ضوءًا أزرقًا عندما تتحد الإلكترونات مع الفجوات عبر فجوة النطاق الخاصة بها عند تطبيق جهد أمامي (عادة 2.9-3.6 فولت). لإنتاج الضوء الأبيض، تُطلى الشريحة الباعثة للون الأزرق بطبقة من فسفور الإيتريوم ألومنيوم الجارنت المشوب بالسيريوم (YAG:Ce). يتم امتصاص جزء من الفوتونات الزرقاء عالية الطاقة من الشريحة بواسطة الفسفور، والذي يعيد بعد ذلك إصدار ضوء أصفر أقل طاقة من خلال عملية تسمى الإضاءة الضوئية (photoluminescence). يختلط الضوء الأزرق المتبقي غير الممتص مع الضوء الأصفر المنبعث، وتدرك العين البشرية هذا المزيج على أنه أبيض. تعمل العدسة الصفراء على مزيد من نشر وتشكيل إخراج الضوء النهائي.

12. اتجاهات التكنولوجيا

تمثل التكنولوجيا الموضحة في ورقة البيانات هذه نهجًا ناضجًا ومعتمدًا على نطاق واسع لتوليد الضوء الأبيض باستخدام مصابيح LED. تشمل الاتجاهات الرئيسية المستمرة في صناعة LED الأوسع نطاقًا والمتعلقة بمثل هذه المكونات:

• زيادة الكفاءة (لومن/واط):تؤدي التحسينات المستمرة في تصميم شريحة إن-غا-ن، وكفاءة الفسفور، وهندسة الغلاف إلى كفاءة ضوئية أعلى، مما يعني إخراج ضوئي أكبر لنفس قدرة الإدخال الكهربائي.
• تحسين جودة اللون:تطوير خلطات فسفور متعددة (مثل إضافة فسفور أحمر) لتعزيز مؤشر تجسيد اللون (CRI)، مما يوفر إعادة إنتاج لون أكثر دقة وإرضاءً تحت ضوء الـ LED.
• التصغير:يدفع السعي نحو أجهزة أصغر في الإلكترونيات الاستهلاكية نحو مصابيح LED في مساحات غلاف أصغر مع الحفاظ على إخراج الضوء أو زيادته.
• موثوقية وعمر تشغيلي أعلى:تطوير المواد (الإيبوكسي، الفسفور، الركائز) وتصاميم الإدارة الحرارية يطيل العمر التشغيلي (L70, L90) لمصابيح LED، مما يقلل تكاليف الصيانة طويلة المدى.
• الإضاءة الذكية والمتصلة:بينما هذا مكون أساسي، فإن النظام البيئي يتحرك نحو مصابيح LED التي تعد جزءًا لا يتجزأ من الأنظمة الذكية، وغالبًا ما تتطلب برامج تشغيل متوافقة للتخفيف، وضبط اللون، والتوصيل.