T12 Serie Flip-Chip LED Datenblatt - 10W Weiß - 9 LEDs in Serie - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die T12-Serie repräsentiert ein Hochleistungs-Oberflächenmontage-LED-Modul, das Flip-Chip-Technologie nutzt. Dieses Dokument detailliert die Spezifikationen für eine 10W-Weißlicht-Variante, konfiguriert mit 9 in Serie geschalteten LED-Chips. Das Flip-Chip-Design bietet durch direkte Befestigung des Halbleiterchips auf dem Substrat eine verbesserte thermische Leistung und Zuverlässigkeit, verbessert die Wärmeableitung und reduziert den thermischen Widerstand.

Dieses LED-Modul ist für Anwendungen konzipiert, die hohe Lichtausbeute und robuste Leistung erfordern, wie Industriebeleuchtung, Hallenstrahler, Außenbereichsbeleuchtung und spezielle Leuchten. Seine Serienschaltung vereinfacht das Treiberdesign, da eine höhere Durchlassspannung bei einem geregelten Strom erforderlich ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte (T_s=25°C)

Die folgenden Parameter definieren die Betriebsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden an der LED auftreten können. Dies sind keine empfohlenen Betriebsbedingungen.

• Durchlassstrom (I_F):700 mA (DC)
• Durchlass-Pulsstrom (I_FP):700 mA (Pulsbreite ≤10ms, Tastverhältnis ≤1/10)
• Verlustleistung (P_D):20300 mW (20,3W)
• Betriebstemperatur (T_opr):-40°C bis +100°C
• Lagertemperatur (T_stg):-40°C bis +100°C
• Sperrschichttemperatur (T_j):125°C (Maximal)
• Löttemperatur (T_sld):Reflow-Lötung bei 230°C oder 260°C für maximal 10 Sekunden.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften (T_s=25°C)

Dies sind die typischen und maximalen Werte unter spezifizierten Testbedingungen, die die erwartete Leistung darstellen.

• Durchlassspannung (V_F):Typisch 27V, Maximal 29V (bei I_F=350mA). Die hohe Spannung ist auf die 9er-Serienschaltung zurückzuführen.
• Sperrspannung (V_R):5V (Maximal)
• Sperrstrom (I_R):100 µA (Maximal) bei V_R=5V.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):130° (Typisch). Dies deutet auf ein breites Strahlprofil hin, das für die Flächenbeleuchtung geeignet ist.

3. Erklärung des Binning-Systems

3.1 Binning der Farbtemperatur (CCT)

Das Produkt wird in Standard-CCT-Bins angeboten. Jedes Bin entspricht einem spezifischen Farbortbereich im CIE-Diagramm und gewährleistet Farbkonstanz innerhalb einer Charge. Die Standardbestelloptionen sind:

• 2700K:Farbortbereiche 8A, 8B, 8C, 8D (Warmweiß)
• 3000K:Farbortbereiche 7A, 7B, 7C, 7D (Warmweiß)
• 3500K:Farbortbereiche 6A, 6B, 6C, 6D (Neutralweiß)
• 4000K:Farbortbereiche 5A, 5B, 5C, 5D (Neutralweiß)
• 4500K:Farbortbereiche 4A, 4B, 4C, 4D, 4R, 4S, 4T, 4U (Kaltweiß)
• 5000K:Farbortbereiche 3A, 3B, 3C, 3D, 3R, 3S, 3T, 3U (Kaltweiß)
• 5700K:Farbortbereiche 2A, 2B, 2C, 2D, 2R, 2S, 2T, 2U (Tageslichtweiß)
• 6500K:Farbortbereiche 1A, 1B, 1C, 1D, 1R, 1S, 1T, 1U (Tageslichtweiß)

Hinweis: Das Binning definiert den zulässigen Farbkoordinatenbereich, nicht einen einzelnen Punkt.

3.2 Binning des Lichtstroms

Der Lichtstrom wird basierend auf Mindestwerten bei einem Prüfstrom von 350mA gebinnt. Der tatsächliche Lichtstrom kann den bestellten Mindestwert überschreiten, bleibt jedoch innerhalb des spezifizierten CCT-Bins.

• Warmweiß (2700K-3700K), CRI ≥70:
  • Code 3H: 800 lm (Min), 900 lm (Typ)
  • Code 3J: 900 lm (Min), 1000 lm (Typ)
• Neutralweiß (3700K-5000K), CRI ≥70:
  • Code 3H: 800 lm (Min), 900 lm (Typ)
  • Code 3J: 900 lm (Min), 1000 lm (Typ)
• Kaltweiß (5000K-10000K), CRI ≥70:
  • Code 3J: 900 lm (Min), 1000 lm (Typ)
  • Code 3K: 1000 lm (Min), 1100 lm (Typ)

Toleranzen:Lichtstrom: ±7%; Farbwiedergabeindex (CRI): ±2; Farbkoordinaten: ±0,005.

4. Analyse der Leistungskurven

4.1 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I-V-Kurve)

Die I-V-Kurve ist nichtlinear, typisch für eine Diode. Beim empfohlenen Betriebsstrom von 350mA beträgt die typische Durchlassspannung 27V. Die Kurve zeigt, dass ein kleiner Spannungsanstieg über den Knickpunkt hinaus zu einem schnellen Anstieg des Stroms führt, was die Bedeutung einer Konstantstrom-Ansteuerung für stabilen Betrieb und lange Lebensdauer unterstreicht.

4.2 Durchlassstrom vs. relativer Lichtstrom

Diese Kurve zeigt die Beziehung zwischen Treiberstrom und Lichtausbeute. Der Lichtstrom steigt im normalen Betriebsbereich annähernd linear mit dem Strom. Das Betreiben der LED mit Strömen über den empfohlenen Werten (z.B. 700mA) kann jedoch zu abnehmenden Erträgen in der Effizienz (lm/W) führen und die Sperrschichttemperatur deutlich erhöhen, was den Lichtstromrückgang beschleunigt und die Lebensdauer verkürzt.

4.3 Sperrschichttemperatur vs. relative spektrale Leistung

As the junction temperature (T_j) steigt, kann sich die spektrale Leistungsverteilung einer weißen LED (typischerweise ein blauer Chip mit Leuchtstoff) verschieben. Dies äußert sich oft als Abnahme der Strahlungsleistung bei bestimmten Wellenlängen und einer möglichen Änderung der Farbtemperatur (CCT). Effektives Wärmemanagement ist entscheidend, um stabile Farbe und Lichtausbeute über die Zeit zu erhalten.

4.4 Relative spektrale Leistungsverteilung

Das Spektrum einer weißen LED zeigt einen dominanten Peak im blauen Bereich (vom InGaN-Chip) und ein breiteres Emissionsband im gelben/grünen/roten Bereich (von der Leuchtstoffbeschichtung). Die genaue Form bestimmt CCT und CRI. Ein breiteres und glatteres Leuchtstoffemissionsband trägt zu einem höheren CRI bei.

5. Mechanische und Verpackungsinformationen

5.1 Gehäuseumrisszeichnung

Die physikalischen Abmessungen des LED-Moduls sind im Datenblattdiagramm angegeben. Wichtige mechanische Merkmale sind Gesamtlänge, -breite und -höhe sowie Lage und Größe der Lötpads. Das Gehäuse ist für die Oberflächenmontage (SMT) konzipiert.

5.2 Empfohlenes Pad-Layout und Schablonendesign

Detaillierte Zeichnungen für das PCB-Land Pattern (Footprint) und die Lötpastenschablone sind bereitgestellt. Die Einhaltung dieser Empfehlungen ist entscheidend für die Bildung korrekter Lötstellen, Ausrichtung und zuverlässige mechanische Befestigung. Das Pad-Design gewährleistet die korrekte elektrische Verbindung und unterstützt den Wärmetransport von der LED zur Leiterplatte. Die Toleranz für diese Abmessungen beträgt typischerweise ±0,10mm.

Polaritätskennzeichnung:Die Anode (+) und Kathode (-) sind auf dem Gehäuse klar markiert oder im Footprint-Diagramm angegeben. Die korrekte Polarität ist für den Betrieb essentiell.

6. Löt- und Montagerichtlinien

6.1 Reflow-Lötparameter

Die LED ist mit Standard-Infrarot- oder Konvektions-Reflow-Lötverfahren kompatibel. Die maximal zulässige Bauteiltemperatur während des Lötens beträgt 230°C oder 260°C, wobei die Verweilzeit bei Spitzentemperatur 10 Sekunden nicht überschreiten darf. Es ist entscheidend, ein Temperaturprofil einzuhalten, das die Baugruppe ausreichend vorwärmt, um thermischen Schock zu minimieren.

6.2 Handhabungs- und Lagerungsvorsichtsmaßnahmen

• ESD-Empfindlichkeit:LEDs sind statikempfindliche Bauteile. Verwenden Sie geeignete ESD-Vorsichtsmaßnahmen während Handhabung und Montage.
• Feuchtigkeitssensitivität:Das Gehäuse kann einen Feuchtigkeitssensitivitätslevel (MSL) haben. Falls spezifiziert, halten Sie sich vor dem Reflow an die Back- und Standzeit-Anforderungen.
• Lagerbedingungen:Lagern Sie in einer trockenen, dunklen Umgebung innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs (-40°C bis +100°C). Vermeiden Sie Kontakt mit korrosiven Gasen.
• Reinigung:Falls nach dem Löten eine Reinigung erforderlich ist, verwenden Sie kompatible Lösungsmittel und Methoden, die die LED-Linse oder das Silikonmaterial nicht beschädigen.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

• Hallen- und Industriebeleuchtung:Nutzt hohe Lichtstromausbeute und robuste Bauweise.
• Außenbereichsbeleuchtung:Straßenlaternen, Parkplatzleuchten, Stadionbeleuchtung.
• Hochleistungs-Spezialleuchten:Pflanzenlampen, Projektoren, Bühnenbeleuchtung.
• Architektur- und Gewerbebeleuchtung:Wo hohe Effizienz und lange Lebensdauer priorisiert werden.

7.2 Designüberlegungen

• Wärmemanagement:Dies ist der wichtigste Faktor für Leistung und Lebensdauer. Gestalten Sie die Leiterplatte und den Kühlkörper so, dass die Sperrschichttemperatur (T_j) deutlich unter dem Maximalwert von 125°C bleibt, idealerweise unter 85°C für optimale Lebensdauer. Verwenden Sie nach Bedarf Wärmedurchkontaktierungen, Metallkern-Leiterplatten (MCPCB) oder aktive Kühlung.
• Treiberstrom:Verwenden Sie einen Konstantstrom-LED-Treiber, der für den erforderlichen Spannungsbereich (basierend auf V_F) ausgelegt ist. Der Betrieb bei oder unter dem typischen Strom von 350mA wird für eine Balance aus Ausgangsleistung, Effizienz und Lebensdauer empfohlen. Eine Reduzierung des Stroms erhöht die Lebensdauer erheblich.
• Optisches Design:Der breite Abstrahlwinkel von 130° kann Sekundäroptik (Linsen, Reflektoren) erfordern, um das gewünschte Strahlprofil für die Anwendung zu erreichen.
• Elektrischer Schutz:Erwägen Sie Schutzmaßnahmen gegen Verpolung, Überspannungstransienten und elektrostatische Entladung (ESD) auf den Eingangsleitungen.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Flip-Chip vs. traditionelle drahtgebondete LED:

• Thermische Leistung:Die Flip-Chip-Montage bietet einen kürzeren, direkteren Wärmepfad vom aktiven Übergang zum Substrat/Kühlkörper, was zu einem niedrigeren thermischen Widerstand (R_th) führt. Dies ermöglicht höhere Treiberströme oder eine verbesserte Lebensdauer bei gleichem Strom.
• Zuverlässigkeit:Beseitigt Drahtbonds, die aufgrund von thermischem Zyklieren, Vibration oder Elektromigration Ausfallpunkte sein können.
• Stromverteilung:Oft wird eine bessere Stromverteilungsschicht unter dem Chip integriert, was zu gleichmäßigerer Lichtemission und potenziell höherer Effizienz führt.
• Optisches Design:Kann ein kompakteres Gehäuse oder andere Lichtauskopplungsmerkmale ermöglichen.

Serienschaltung (9 in Serie):Vereinfacht das Treiberdesign für Hochspannungs-/Niedrigstromanwendungen und verbessert oft die Treibereffizienz im Vergleich zum Betrieb mehrerer paralleler Strings.

9. Häufig gestellte Fragen (FAQs)

9.1 Was ist der empfohlene Betriebsstrom?

Das Datenblatt spezifiziert die Eigenschaften bei 350mA, was der typische empfohlene Betriebspunkt ist. Sie kann bis zum absoluten Maximum von 700mA betrieben werden, was jedoch die Sperrschichttemperatur deutlich erhöht und die Lebensdauer reduziert. Für optimale Lebensdauer und Effizienz wird ein Betrieb bei oder unter 350mA empfohlen.

9.2 Warum ist die Durchlassspannung so hoch (~27V)?

Das Modul enthält 9 einzelne in Serie geschaltete LED-Chips. Die Durchlassspannungen jedes Chips addieren sich. Ein typischer weißer LED-Chip hat eine V_F von etwa 3V; 9 * 3V = 27V.

9.3 Wie wähle ich das korrekte CCT-Bin?

Wählen Sie die nominelle CCT (z.B. 4000K) basierend auf der für Ihre Anwendung erforderlichen Atmosphäre und Farbwiedergabe. Die zugehörigen Farbortbereiche (z.B. 5A-5D) gewährleisten Farbkonstanz. Für kritische Farbabgleich-Anwendungen fordern Sie engere Binning-Toleranzen an oder wählen Sie aus einer einzelnen Produktionscharge.

9.4 Welcher Kühlkörper ist erforderlich?

Der erforderliche Kühlkörper hängt von Ihrem Betriebsstrom, der Umgebungstemperatur, der gewünschten T_j und dem thermischen Widerstand Ihrer Leiterplatte und Schnittstellenmaterialien ab. Sie müssen eine thermische Berechnung basierend auf der gesamten Verlustleistung (V_F* I_F) und dem Ziel-Wärmewiderstand von Sperrschicht zu Umgebung (R_θJA) durchführen.

9.5 Kann ich PWM zum Dimmen verwenden?

Ja, Pulsweitenmodulation (PWM) ist eine effektive Dimm-Methode für LEDs. Stellen Sie sicher, dass die PWM-Frequenz ausreichend hoch ist (typischerweise >100Hz), um sichtbares Flackern zu vermeiden. Der Treiber sollte für PWM-Eingang ausgelegt sein oder eine dedizierte Dimm-Schnittstelle haben.

10. Praktische Design-Fallstudie

Szenario:Entwurf einer 100W-Hallenleuchte unter Verwendung mehrerer T12-Module.

Designschritte:

1. Modulanzahl:Ziel 100W Gesamtleistung. Jedes Modul verbraucht bei 350mA ~9,45W (27V * 0,35A). Verwenden Sie 10 Module für ~94,5W.
2. Treiberauswahl:Benötigt wird ein Konstantstrom-Treiber für 10 in Serie geschaltete Module. Erforderlicher Ausgangsspannungsbereich: 10 * (27V bis 29V) = 270V bis 290V. Erforderlicher Strom: 350mA. Wählen Sie einen Treiber mit einer Nennleistung von >290V, 350mA.
3. Thermisches Design:Gesamtverlustleistung ~94,5W. Verwenden Sie eine Metallkern-Leiterplatte (MCPCB), die auf einem großen Aluminiumkühlkörper montiert ist. Berechnen Sie den erforderlichen R_θSA(Kühlkörper zu Umgebung) basierend auf der maximalen Umgebungstemperatur (z.B. 50°C) und der Ziel-T_j(z.B. 90°C) unter Berücksichtigung von R_θJC und R_θCS von der LED und der Schnittstelle.
4. Optik:Für eine Hallenleuchte ist oft ein mittlerer Abstrahlwinkel (z.B. 60°-90°) gewünscht. Wählen Sie Sekundärlinsen oder Reflektoren, die mit dem Footprint des Moduls kompatibel sind, um den Strahl vom nativen 130° zu verengen.
5. PCB-Layout:Folgen Sie dem empfohlenen Pad-Layout. Stellen Sie dicke Kupferbahnen für die Stromführung sicher. Implementieren Sie Wärmeentlastungsmuster für das Löten, maximieren Sie aber die Kupferfläche für die Wärmeverteilung.

11. Einführung in das Technologieprinzip

Flip-Chip-LED-Technologie:Bei einer konventionellen LED werden die Halbleiterschichten auf einem Substrat aufgewachsen, und elektrische Verbindungen werden über Drahtbonds zur Oberseite des Chips hergestellt. Bei einem Flip-Chip-Design wird der Chip nach dem Aufwachsen "umgedreht" und direkt mit Lötkugeln auf ein Trägersubstrat (wie Keramik oder Silizium) gebondet. Dies bringt den aktiven lichtemittierenden Bereich näher an den Wärmepfad. Licht wird durch das Substrat (das transparent sein muss, wie Saphir) oder seitlich emittiert, wenn das Substrat entfernt wird. Diese Struktur verbessert die Wärmeableitung, ermöglicht höhere Stromdichten und erhöht die Zuverlässigkeit durch den Wegfall empfindlicher Drahtbonds.

Weißlicht-Erzeugung:Die meisten weißen LEDs verwenden einen blau emittierenden Indiumgalliumnitrid (InGaN)-Chip. Ein Teil des blauen Lichts wird von einer auf oder um den Chip aufgebrachten Schicht aus Leuchtstoffmaterial (typischerweise mit Cer dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat, YAG:Ce) absorbiert. Der Leuchtstoff wandelt einen Teil des blauen Lichts in gelbes Licht um. Die Mischung aus dem verbleibenden blauen Licht und dem erzeugten gelben Licht wird vom menschlichen Auge als weiß wahrgenommen. Die Anpassung der Leuchtstoffzusammensetzung und -dicke steuert CCT und CRI.

12. Branchentrends und Entwicklung

Effizienzsteigerung (lm/W):Der primäre Trend bleibt die Steigerung der Lichtausbeute, um den Energiebedarf pro Lichteinheit zu reduzieren. Dies wird durch Verbesserungen der internen Quanteneffizienz (IQE), der Lichtauskopplungseffizienz und der Leuchtstoffkonversionseffizienz erreicht.

Hohe Leistungsdichte & Miniaturisierung:Es gibt einen Trend, mehr Lumen in kleinere Gehäuse zu packen, angetrieben durch Anwendungen wie Autoscheinwerfer, Mikroprojektoren und ultra-kompakte Leuchten. Flip-Chip- und Chip-Scale-Package (CSP)-Technologien sind wichtige Enabler.

Verbesserte Farbqualität und Konstanz:Die Nachfrage nach hohem CRI (Ra >90, R9 >50) und konstantem Farbpunkt über Chargen und Lebensdauer hinweg steigt, insbesondere im Einzelhandel, in Museen und im Gesundheitswesen.

Zuverlässigkeit und Lebensdauer:Fokus liegt auf dem Verständnis und der Minderung von Ausfallmechanismen unter Hochtemperatur-, Hochfeuchte- und Hochstrom-Belastungsbedingungen, um längere L70/B50-Lebensdauern (Zeit bis zu 70% Lichtstromerhalt für 50% der Population) zu garantieren.

Intelligente und vernetzte Beleuchtung:Die Integration von Steuerelektronik, Sensoren und Kommunikationsschnittstellen direkt in LED-Module wird immer häufiger und ermöglicht IoT-basierte Beleuchtungssysteme.

Spezialspektren:Entwicklung von LEDs mit maßgeschneiderten spektralen Ausgängen für Human Centric Lighting (HCL), Pflanzenanbau (Wachstumslampen) und medizinische Anwendungen.