ALFS1J-C0 LED Datenblatt - SMD Keramikgehäuse - 425lm @1000mA - 3,25V - 120° Abstrahlwinkel - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die ALFS1J-C0 ist eine Hochleistungs-SMD-LED, die speziell für anspruchsvolle Automotive-Außenbeleuchtungsanwendungen entwickelt wurde. Sie ist in einem robusten Keramikgehäuse untergebracht, das ein ausgezeichnetes Wärmemanagement und hohe Zuverlässigkeit unter rauen Umgebungsbedingungen bietet. Das Bauteil ist gemäß AEC-Q102-Standard qualifiziert, was die Einhaltung der strengen Anforderungen für Automotive-Elektronikkomponenten sicherstellt. Ihre Hauptanwendungen umfassen Scheinwerfer, Tagfahrlichter (DRL) und Nebelscheinwerfer, wo konstante Leistung, hohe Lichtausbeute und langfristige Haltbarkeit entscheidend sind.

Die Kernvorteile dieser LED umfassen einen hohen typischen Lichtstrom von 425 Lumen bei einem Betriebsstrom von 1000mA, einen weiten Abstrahlwinkel von 120° für eine gute Lichtverteilung und einen robusten Aufbau mit ESD-Schutz bis zu 8 kV (HBM). Sie ist außerdem konform mit RoHS, REACH und halogenfreien Vorschriften, was sie für globale Automobilmärkte geeignet macht. Die Schwefelrobustheit des Produkts ist als A1 klassifiziert, was auf einen hohen Widerstand gegen korrosive, schwefelhaltige Atmosphären hinweist, wie sie häufig in Automotive-Umgebungen vorkommen.

2. Tiefgehende objektive Interpretation der technischen Parameter

2.1 Photometrische und elektrische Kenngrößen

Die wesentlichen Betriebsparameter sind unter einer Testbedingung eines Durchlassstroms (I_F) von 1000mA mit dem thermischen Pad auf 25°C definiert. Der typische Lichtstrom (Φ_v) beträgt 425 lm, mit einem Minimum von 400 lm und einem Maximum von 500 lm, abhängig von einer Messtoleranz von ±8%. Die Durchlassspannung (V_F) beträgt typischerweise 3,25V und liegt im Bereich von 2,90V bis 3,80V (±0,05V Toleranz). Die dominante Wellenlänge oder korrelierte Farbtemperatur (CCT) fällt in einen Bereich von 5391K bis 6893K, was sie als kaltweiße LED klassifiziert. Der Abstrahlwinkel ist mit 120 Grad angegeben, mit einer Toleranz von ±5°.

2.2 Absolute Maximalwerte und thermische Eigenschaften

Diese Werte definieren die Grenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden auftreten können. Der absolute maximale Durchlassstrom beträgt 1500 mA. Das Bauteil ist nicht für den Betrieb mit Sperrspannung ausgelegt. Die maximale Sperrschichttemperatur (T_J) beträgt 150°C, mit einem Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +125°C. Der Wärmewiderstand von der Sperrschicht zum Lötpunkt ist ein kritischer Parameter für die Wärmeableitung. Der reale Wärmewiderstand (R_{th JS real}) beträgt typ. 4,0 K/W (max. 4,4 K/W), während der elektrische äquivalente Wert (R_{th JS el}) typ. 3,0 K/W (max. 3,4 K/W) beträgt. Die maximale Verlustleistung beträgt 5700 mW.

3. Erläuterung des Binning-Systems

Um Farb- und Helligkeitskonsistenz in der Produktion sicherzustellen, werden LEDs basierend auf Schlüsselparametern in Bins sortiert.

3.1 Lichtstrom-Binning

Der Lichtstrom wird in Gruppen gebinnt, wobei die bereitgestellten Daten die Gruppe "C" zeigen. Innerhalb dieser Gruppe sind Bins definiert: Bin 6 (400-425 lm), Bin 7 (425-450 lm), Bin 8 (450-475 lm) und Bin 9 (475-500 lm). Der Test wird beim typischen Durchlassstrom mit einem 25ms-Puls durchgeführt, die Messtoleranz beträgt ±8%.

3.2 Durchlassspannungs-Binning

Die Durchlassspannung wird in drei Gruppen kategorisiert: Gruppe 1A (2,90V - 3,20V), Gruppe 1B (3,20V - 3,50V) und Gruppe 1C (3,50V - 3,80V). Dies ermöglicht es Designern, LEDs mit ähnlicher V_Ffür eine bessere Stromanpassung in Multi-LED-Arrays auszuwählen. Die Messtoleranz beträgt ±0,05V.

3.3 Farb- (Chromaticitäts-) Binning

Die Farbkoordinaten im CIE-1931-Farbtafeldiagramm werden in spezifische Regionen gebinnt. Das Datenblatt zeigt Bins für kaltweiße LEDs, einschließlich 63M, 61M, 58M, 56M, 65L, 65H, 61L und 61H. Jedes Bin ist durch einen viereckigen Bereich im x,y-Koordinatendiagramm definiert. Zum Beispiel deckt Bin 63M Koordinaten von etwa (0,3127; 0,3093) bis (0,3212; 0,3175) ab. Die Koordinatenmesstoleranz beträgt ±0,005.

4. Analyse der Leistungskurven

4.1 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (IV-Kurve)

Das Diagramm zeigt die nichtlineare Beziehung zwischen Durchlassstrom und Durchlassspannung bei 25°C. Die Kurve ist typisch für eine Power-LED, wobei die Spannung logarithmisch mit dem Strom ansteigt. Diese Daten sind wesentlich für die Auslegung der Treiberschaltung, um sicherzustellen, dass die LED innerhalb ihres spezifizierten Spannungsbereichs beim gewünschten Strom arbeitet.

4.2 Relativer Lichtstrom vs. Durchlassstrom

Dieses Diagramm veranschaulicht die Lichtleistung relativ zum Wert bei 1000mA als Funktion des Betriebsstroms. Der Lichtstrom steigt mit dem Strom, kann aber bei höheren Strömen aufgrund von Efficiency Droop und erhöhter Sperrschichttemperatur ein sublineares Wachstum zeigen.

4.3 Thermische Leistungsdiagramme

Mehrere Diagramme zeigen die Leistung in Abhängigkeit von der Sperrschichttemperatur (T_J) bei I_F=1000mA. DieKurve "Relativer Lichtstrom vs. Sperrschichttemperatur"zeigt, wie die Lichtleistung mit steigender Temperatur abnimmt, ein als thermisches Quenchen bekannter Effekt. DieKurve "Relative Durchlassspannung vs. Sperrschichttemperatur"zeigt, dass V_Flinear mit steigender Temperatur abnimmt, was zur Schätzung der Sperrschichttemperatur genutzt werden kann. DasDiagramm "Verschiebung der Farbkoordinaten vs. Sperrschichttemperatur"zeigt, wie sich der Farbpunkt (CIE x, y) mit der Temperatur ändert, was für farbkritische Anwendungen entscheidend ist.

4.4 Durchlassstrom-Derating-Kurve

Dies ist ein kritisches Design-Diagramm. Es stellt den maximal zulässigen Durchlassstrom gegen die Lötpad-Temperatur (T_S) dar. Mit steigendem T_Smuss der maximal zulässige Strom reduziert werden, um zu verhindern, dass die Sperrschichttemperatur 150°C überschreitet. Die Kurve gibt spezifische Derating-Punkte an: z.B. bei T_S=110°C darf I_F1500mA betragen; bei T_S=125°C muss I_Fauf 1200mA reduziert werden. Ein Betrieb unter 50mA wird nicht empfohlen.

4.5 Spektrale Verteilung

Das Diagramm der relativen spektralen Leistungsverteilung zeigt die Intensität des emittierten Lichts über Wellenlängen von etwa 400nm bis 800nm bei 25°C und 1000mA. Es charakterisiert das kaltweiße Licht der LED, das typischerweise von einem blauen LED-Chip in Kombination mit einer Phosphorschicht erzeugt wird.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

Die LED verwendet ein SMD-Keramikgehäuse. Keramik bietet im Vergleich zu Kunststoffgehäusen eine überlegene Wärmeleitfähigkeit und erleichtert so einen besseren Wärmetransport von der LED-Sperrschicht zur Leiterplatte (PCB). Dies ist für die Aufrechterhaltung von Leistung und Lebensdauer in Hochleistungsanwendungen wie der Fahrzeugbeleuchtung entscheidend. Die spezifischen mechanischen Abmessungen, einschließlich Länge, Breite, Höhe und Pad-Positionen, sind im mechanischen Zeichnungsteil des Datenblatts detailliert. Das Gehäuse enthält ein thermisches Pad für eine effiziente Verlötung auf ein thermisches Land auf der PCB.

6. Löt- und Montagerichtlinien

6.1 Empfohlene Lötpad-Anordnung

Es wird ein empfohlenes Land Pattern (Footprint) für das PCB-Design bereitgestellt. Dieses Muster gewährleistet eine korrekte Lötstellenbildung, elektrische Verbindung und vor allem einen optimalen Wärmetransport vom thermischen Pad der LED zur Kupferebene der PCB. Die Einhaltung dieser Anordnung ist für die Zuverlässigkeit entscheidend.

6.2 Reflow-Lötprofil

Das Datenblatt spezifiziert ein Reflow-Lötprofil mit einer Spitzentemperatur von 260°C. Dieses Profil definiert die Zeit-Temperatur-Kurve, der die Baugruppe während des Reflow-Prozesses folgen muss. Schlüsselparameter umfassen Vorwärm-, Soak-, Reflow- und Abkühlraten sowie -dauern. Die Einhaltung dieses Profils verhindert thermischen Schock für das Keramikgehäuse und gewährleistet zuverlässige Lötstellen, ohne die interne LED-Struktur zu beschädigen.

6.3 Anwendungshinweise

Allgemeine Handhabungs- und Anwendungshinweise werden umrissen. Dazu gehören Warnungen vor dem Anlegen von Sperrspannung, dem Überschreiten absoluter Maximalwerte und unsachgemäßen Löttechniken. Es wird auch die Bedeutung des elektrostatischen Entladungsschutzes (ESD) während der Handhabung betont, obwohl das Bauteil über einen integrierten ESD-Schutz bis zu 8kV verfügt.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

Das Produkt wird in Tape-and-Reel-Verpackung geliefert, die für automatisierte Pick-and-Place-Montagemaschinen geeignet ist. Die Verpackungsinformationen geben Details zu Reel-Abmessungen, Tape-Breite, Pocket-Abstand und Ausrichtung der Bauteile auf dem Tape an. Die Artikelnummernstruktur (z.B. ALFS1J-C010001H-AM) kodiert spezifische Attribute wie die Serie, Bin-Codes für Lichtstrom und Farbe sowie andere Varianteninformationen. Die Bestellinformationen führen den Benutzer an, wie die gewünschten Bin-Kombinationen bei einer Bestellung spezifiziert werden.

8. Anwendungsvorschläge

8.1 Typische Anwendungsszenarien

Die primär vorgesehenen Anwendungen sindAutomotive-Außenbeleuchtungssysteme. Dazu gehören:
- Scheinwerfer (Abblend-/Fernlicht): Wo hohe Lichtstärke und präzise Lichtlenkung erforderlich sind.
- Tagfahrlichter (DRL): Erfordern hohe Effizienz und Sichtbarkeit.
- Nebelscheinwerfer: Benötigen gute Durchdringung bei widrigen Wetterbedingungen.
Der weite Abstrahlwinkel und der hohe Lichtstrom machen sie sowohl für primäre Lichtquellen als auch für Zusatzbeleuchtungsfunktionen geeignet.

8.2 Designüberlegungen

1. Thermomanagement: Dies ist der kritischste Aspekt. Die PCB muss ein angemessenes thermisches Design aufweisen – unter Verwendung dicker Kupferschichten, thermischer Durchkontaktierungen und möglicherweise eines externen Kühlkörpers – um die Lötpad-Temperatur (T_S) so niedrig wie möglich zu halten. Für Stromgrenzwerte siehe die Derating-Kurve.
2. Betriebsstrom: Obwohl die LED bis zu 1500mA betrieben werden kann, bietet ein Betrieb bei oder unter dem typischen Wert von 1000mA eine bessere Balance aus Lichtleistung, Effizienz und thermischer Belastung und verbessert so die langfristige Zuverlässigkeit.
3. Optisches Design: Der 120°-Abstrahlwinkel erfordert geeignete Sekundäroptik (Linsen, Reflektoren), um den Lichtkegel für die spezifische Anwendung zu formen (z.B. einen fokussierten Strahl für Scheinwerfer).
4. Elektrisches Design: Verwenden Sie einen Konstantstrom-LED-Treiber, der mit dem Durchlassspannungs-Bin kompatibel ist. Für Arrays sollten die Bin-Auswahl und der mögliche Einsatz von Stromausgleichstechniken berücksichtigt werden.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu Standard-LEDs für kommerzielle oder industrielle Anwendungen bietet die ALFS1J-C0 mehrere wesentliche Unterscheidungsmerkmale, die für den Automotive-Einsatz entscheidend sind:
- AEC-Q102-Qualifikation: Dies ist ein verbindlicher Zuverlässigkeitsstandard für Automotive-LEDs, der strenge Tests für Temperaturwechsel, Feuchtigkeit, Lötbarkeit und mehr umfasst.
- Keramikgehäuse: Bietet eine bessere thermische Leistung und langfristige Stabilität unter hoher Temperatur und Feuchtigkeit als Kunststoffgehäuse (z.B. PPA, PCT).
- Schwefelrobustheit (Klasse A1): Speziell getestet und garantiert für Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion durch schwefelhaltige Gase, eine häufige Fehlerursache in Automotive-Umgebungen.
- Hohe ESD-Festigkeit (8kV HBM): Bietet einen größeren Schutz vor elektrostatischer Entladung während Handhabung und Montage.
- Erweiterter Temperaturbereich (-40°C bis +125°C): Garantiert den Betrieb bei den extremen Temperaturen, denen Fahrzeuge ausgesetzt sind.

10. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Welche tatsächliche Lichtleistung kann ich von Bin C7 erwarten?
A: Bin C7 spezifiziert einen Lichtstrombereich von 425-450 lm, gemessen bei I_F=1000mA und T_s=25°C. Unter Berücksichtigung der ±8% Messtoleranz könnte der tatsächlich gemessene Wert für eine spezifische LED unter diesen idealen Testbedingungen zwischen etwa 391 lm und 486 lm liegen. In einer realen Anwendung mit höherer Temperatur wird die Leistung niedriger sein.

F: Wie bestimme ich den benötigten Kühlkörper basierend auf den thermischen Daten?
A: Sie müssen eine thermische Berechnung durchführen. Der Schlüsselparameter ist der reale Wärmewiderstand, R_{th JS real}(typ. 4,0 K/W). Dies ist der Widerstand von der Sperrschicht zum Lötpunkt. Sie müssen den Wärmewiderstand vom Lötpunkt zur Umgebung (durch die PCB, Wärmeleitmaterial und Kühlkörper) addieren, um den Gesamtwiderstand R_{th JA}zu berechnen. Mit der Formel T_J= T_A+ (R_{th JA}× Verlustleistung) können Sie sicherstellen, dass T_Junter 150°C bleibt, vorzugsweise mit einem Sicherheitsabstand. Die Derating-Kurve bietet eine vereinfachte Anleitung basierend auf der Lötpad-Temperatur.

F: Kann ich diese LED mit einer Konstantspannungsquelle betreiben?
A: Dies wird dringend abgeraten. LEDs sind stromgesteuerte Bauteile. Ihre Durchlassspannung hat einen negativen Temperaturkoeffizienten und variiert von Einheit zu Einheit (wie in den Spannungs-Bins zu sehen). Eine Konstantspannungsquelle könnte zu thermischem Durchgehen führen: Wenn die LED sich erwärmt, sinkt V_F, was den Strom erhöht, was mehr Wärme erzeugt, V_Fweiter sinken lässt und den Strom erhöht, bis zum Ausfall. Verwenden Sie immer einen Konstantstromtreiber oder eine Schaltung, die den Strom aktiv regelt.

11. Praktisches Design- und Anwendungsbeispiel

Beispiel: Entwurf eines Tagfahrlicht-Moduls (DRL)
Ein Designer entwickelt ein DRL-Modul für einen Pkw. Das Design erfordert 6 LEDs, um die gewünschte Helligkeit und Bauform zu erreichen.
1. Bin-Auswahl: Um ein einheitliches Erscheinungsbild sicherzustellen, spezifiziert der Designer enge Farb-Bins (z.B. 61M ± 1 Schritt) und ein einziges Lichtstrom-Bin (z.B. C7). Er kann auch ein enges Durchlassspannungs-Bin (z.B. 1A) spezifizieren, um die Stromaufteilung in einer einfachen Reihenschaltung zu verbessern.
2. Thermisches Design: Das Modul wird in einem beengten Raum montiert. Der Designer verwendet eine Metallkern-Leiterplatte (MCPCB) mit einer 2oz-Kupferschicht. Eine thermische Simulation wird durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Lötpad-Temperatur im ungünstigsten Fall der Umgebungstemperatur (z.B. 85°C innerhalb des Scheinwerfergehäuses) 110°C nicht überschreitet. Gemäß der Derating-Kurve ist bei T_S=110°C der volle Strom von 1500mA zulässig, aber der Designer entscheidet sich für einen Betrieb bei 1000mA, um eine bessere Effizienz und Lebensdauer zu erreichen.
3. Elektrisches Design: Die 6 LEDs werden in einer Reihenschaltung angeordnet. Die Gesamt-Durchlassspannung bei 1000mA beträgt etwa 6 × 3,25V = 19,5V (typ.), könnte aber basierend auf dem Binning von ~17,4V bis 22,8V reichen. Ein Buck-Boost-Konstantstrom-LED-Treiber wird ausgewählt, um diesen Spannungsbereich aus einem 12V-Automotive-Batteriesystem (nominal 12V, Betrieb von 9V bis 16V) zu bedienen.
4. Optisches Design: Über jeder LED wird eine Sekundäroptik (eine TIR-Linse) ausgelegt, um die 120°-Emission in einen kontrollierten horizontalen Fächerstrahl zu kollimieren, der für eine DRL-Signatur geeignet ist.

12. Funktionsprinzip-Einführung

Die ALFS1J-C0 ist eine phosphorkonvertierte weiße LED. Das grundlegende Prinzip beinhaltet einen Halbleiterchip (typischerweise aus Indiumgalliumnitrid - InGaN), der bei Durchlasspolung blaues Licht emittiert (Elektrolumineszenz). Dieses blaue Licht wird teilweise von einer über dem Chip aufgebrachten Cer-dotierten Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce)-Phosphorschicht absorbiert. Der Phosphor wandelt einen Teil der blauen Photonen zu längeren Wellenlängen um, hauptsächlich im gelben Bereich. Die Mischung aus dem verbleibenden blauen Licht und dem umgewandelten gelben Licht wird vom menschlichen Auge als weißes Licht wahrgenommen. Das genaue Verhältnis von Blau zu Gelb und die Einbeziehung anderer Phosphore bestimmen die korrelierte Farbtemperatur (CCT) und den Farbwiedergabeindex (CRI). Das Keramikgehäuse dient als robustes Substrat zur Montage von Chip und Phosphor und als effizienter Wärmespreizer.

13. Entwicklungstrends

Die Entwicklung von Automotive-LEDs wie der ALFS1J-C0 folgt mehreren klaren Branchentrends:
1. Erhöhte Lichtausbeute (lm/W): Laufende Verbesserungen im Chip-Design, der Phosphoreffizienz und dem thermischen Management des Gehäuses zielen darauf ab, mehr Lichtleistung bei gleicher elektrischer Eingangsleistung zu liefern, um Energieverbrauch und thermische Belastung zu reduzieren.
2. Höhere Leistungsdichte und Miniaturisierung: Es gibt Bestrebungen, einen höheren Lichtstrom aus kleineren Gehäuseabmessungen zu erzielen, um kompaktere und stilvollere Beleuchtungsdesigns zu ermöglichen.
3. Verbesserte Farbkonsistenz und -stabilität: Fortschritte in der Phosphortechnologie und Binning-Prozessen führen zu engeren Farbtoleranzen und reduzierter Farbverschiebung über Temperatur und Lebensdauer.
4. Erhöhte Zuverlässigkeit und Robustheit: Standards wie AEC-Q102 entwickeln sich kontinuierlich weiter, und neue Tests werden hinzugefügt, um reale Fehlermodi zu adressieren, wie z.B. Schwefelbeständigkeit, die zu einer Schlüsselanforderung geworden ist.
5. Integration und intelligente Beleuchtung: Die Zukunft weist auf integrierte Module hin, die LEDs, Treiber, Sensoren und Kommunikationsschnittstellen für adaptive Frontlichtsysteme (AFS) und Kommunikation über Licht (Li-Fi oder V2X-Signalisierung) kombinieren.
6. Spezialisierte Spektren: Die Entwicklung von Spektren, die für spezifische Zwecke optimiert sind, wie z.B. verbesserte Sichtbarkeit im Nebel oder reduzierte Blendung für den Gegenverkehr, ist ein aktives Forschungsgebiet.