Technisches Datenblatt für Hochleistungs-Infrarot-LED HIR-C19D-1N90/L649-P03/TR - SMD-Gehäuse - 850nm - 3,5V - 3W

1. Produktübersicht

Die HIR-C19D-1N90/L649-P03/TR ist eine Hochleistungs-Infrarot-Emissionsdiode für anspruchsvolle Anwendungen, die robuste und effiziente Infrarotbeleuchtung erfordern. Sie ist in einem kompakten Oberflächenmontagegehäuse (SMD) untergebracht, was sie für automatisierte Bestückungsprozesse geeignet macht. Das Bauteil ist mit einem wasserklaren Silikonmaterial mit sphärischer Oberlinse vergossen, was zur Erreichung des spezifizierten Abstrahlwinkels und des Strahlstärkeprofils beiträgt.

Der Kernvorteil dieser LED liegt in der Kombination aus kompakter Bauform und hoher optischer Ausgangsleistung. Sie ist aus einem GaAlAs-Chipmaterial (Galliumaluminiumarsenid) aufgebaut, das für die Emission im nahen Infrarotspektrum optimiert ist. Ein Schlüsselmerkmal ist die spektrale Übereinstimmung mit Silizium-Fotodioden und Fototransistoren, was sie zu einer idealen Lichtquelle für Sensor- und Bildgebungssysteme macht, die diese gängigen siliziumbasierten Detektoren nutzen. Dies gewährleistet maximale Empfindlichkeit und ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis in der Zielanwendung.

Die primären Zielmärkte und Anwendungen umfassen Überwachungs- und Sicherheitssysteme, insbesondere CCD-basierte Kameras für Nachtsicht, sowie verschiedene Infrarot-Anwendungssysteme wie Annäherungssensoren, Industrieautomatisierung und Maschinelles Sehen. Die Einhaltung von Umweltstandards wie RoHS, REACH und halogenfreien Anforderungen macht sie für den Einsatz in Produkten mit strengen regulatorischen Anforderungen geeignet.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Das Bauteil ist für einen Dauer-Vorwärtsstrom (I_F) von 1500 mA ausgelegt. Für gepulsten Betrieb kann es unter bestimmten Bedingungen (Pulsbreite ≤100μs, Tastverhältnis ≤1%) einen Spitzen-Vorwärtsstrom (I_FP) von 5000 mA verkraften. Die maximale Sperrspannung (V_R) beträgt 5V, ein typischer Wert für LEDs, der anzeigt, dass das Bauteil keiner signifikanten Sperrvorspannung ausgesetzt werden sollte. Der Betriebs- und Lagertemperaturbereich ist von -40°C bis +100°C spezifiziert, mit einer maximalen Sperrschichttemperatur (T_j) von 125°C. Das Überschreiten dieser Werte kann zu dauerhaften Schäden führen.

Der Wärmewiderstand von der Sperrschicht zum Leadframe (R_th(j-L)) beträgt 18 K/W. Dieser Parameter ist für das Wärmemanagement entscheidend. Er definiert, wie stark die Sperrschichttemperatur pro Watt Verlustleistung ansteigt. Bei einer spezifizierten Verlustleistung (P_d) von 3W bei I_F=700mA ist eine effektive Wärmeableitung unerlässlich, um die Sperrschichttemperatur innerhalb sicherer Grenzen zu halten, insbesondere bei höheren Treiberströmen.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Die primären optischen Parameter werden bei einer Standard-Umgebungstemperatur von 25°C gemessen. Die Spitzenwellenlänge (λ_p) beträgt 850 nm, was im nahen Infrarotbereich liegt und für das menschliche Auge unsichtbar ist, aber von Siliziumsensoren gut detektiert werden kann. Die spektrale Bandbreite (Δλ) beträgt typischerweise 25 nm und gibt Aufschluss über die spektrale Reinheit des emittierten Lichts.

Die Strahlungsleistung skaliert mit dem Treiberstrom:

• Bei I_F=350 mA: Gesamte Strahlungsleistung (P_o) ist 500 mW (typ.), Strahlstärke (I_E) ist 200 mW/sr (typ.).
• Bei I_F=700 mA: P_oist 900 mW (typ.), I_Eist 400 mW/sr (typ.).
• Bei I_F=1 A: P_oist 1300 mW (typ.), I_Eist 560 mW/sr (typ.).

Die Durchlassspannung (V_F) steigt mit dem Strom aufgrund des inhärenten Widerstands der Diode:

• 3,0V (typ.) bei 350 mA.
• 3,3V (typ.) bei 700 mA.
• 3,5V (typ.) bei 1 A.
• 3,8V (typ.) bei 5 A (gepulst).

Der Sperrstrom (I_R) beträgt maximal 10 μA bei V_R=5V. Der Abstrahlwinkel (2θ_1/2), definiert als der volle Winkel bei halber Intensität, beträgt 90 Grad und bietet ein relativ breites Strahlprofil, das für die Flächenbeleuchtung geeignet ist.

3. Erläuterung des Binning-Systems

Das Produkt verwendet ein Binning-System für die Gesamte Strahlungsleistung, gemessen bei einem Treiberstrom von 1000 mA (1A). Dieses System kategorisiert LEDs basierend auf ihrer optischen Ausgangsleistung, um Konsistenz in der Anwendungsleistung sicherzustellen. Die Bin-Codes und ihre entsprechenden Leistungsbereiche (inkl. einer ±10% Testtoleranz) sind:

• Bin G:Minimum 800 mW, Maximum 1260 mW.
• Bin H:Minimum 1000 mW, Maximum 1600 mW.
• Bin I:Minimum 1260 mW, Maximum 2000 mW.

Dies ermöglicht es Entwicklern, Bauteile auszuwählen, die spezifische Mindesthelligkeitsanforderungen für ihr System erfüllen. Das Datenblatt zeigt für diese spezifische Artikelnummer keine separaten Bins für Wellenlänge oder Durchlassspannung an, was auf eine enge Kontrolle dieser Parameter in der Fertigung schließen lässt.

4. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt verweist auf mehrere typische Kennlinien, die für das Verständnis des Bauteilverhaltens unter verschiedenen Betriebsbedingungen entscheidend sind.

Vorwärtsstrom vs. Durchlassspannung (Abb.1):Diese IV-Kennlinie zeigt die für eine Diode typische exponentielle Beziehung. Sie ist wesentlich für die Auslegung der Stromtreiberschaltung und die Berechnung des Leistungsverbrauchs (V_F* I_F). Die Kurve verschiebt sich mit der Temperatur.

Vorwärtsstrom vs. Strahlstärke / Gesamtleistung (Abb.2 & Abb.3):Diese Diagramme veranschaulichen die Lichtausgabe in Abhängigkeit vom Treiberstrom. Die Beziehung ist bei niedrigeren Strömen im Allgemeinen linear, kann aber bei sehr hohen Strömen aufgrund thermischer und elektrischer Effekte Anzeichen von Effizienzeinbruch (sublinearer Anstieg) zeigen. Dies hilft bei der Auswahl des optimalen Arbeitspunkts für einen Ausgleich zwischen Ausgangsleistung und Effizienz/Wärme.

Relative Strahlstärke vs. Winkelabweichung (Abb.4):Dieses Polardiagramm definiert das räumliche Abstrahlverhalten. Der 90-Grad-Abstrahlwinkel wird hier bestätigt. Die Form der Kurve (z.B. Lambert'sch, Fledermausflügel) beeinflusst, wie das Licht über die Zielfläche verteilt wird.

Vorwärtsstrom vs. Umgebungstemperatur (Abb.5):Diese Derating-Kurve ist eine der kritischsten für die Zuverlässigkeit. Sie zeigt den maximal zulässigen Vorwärtsstrom, um die Sperrschichttemperatur unter 125°C zu halten, während die Umgebungstemperatur steigt. Bei 100°C Umgebungstemperatur ist der zulässige Dauerstrom deutlich reduziert. Dieses Diagramm muss für jedes Design verwendet werden, das nicht in einer 25°C-Umgebung arbeitet.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen

Die LED ist in einem Oberflächenmontagegehäuse untergebracht. Wichtige Abmessungen aus der Zeichnung sind die Gehäusegröße, die Linsenhöhe und der Anschlussabstand. Toleranzen betragen typischerweise ±0,1 mm, sofern nicht anders angegeben. Ein wichtiger Handhabungshinweis warnt davor, Kraft auf die Linse auszuüben, da dies die interne Struktur beschädigen und zum Ausfall des Bauteils führen kann. Das Bauteil sollte während der Montage am Gehäuse oder an den Anschlüssen gehandhabt werden.

5.2 Pad-Konfiguration und Polarität

Das Bauteil verfügt über drei elektrische Pads: Pad 1 ist die Anode (+), Pad 2 ist die Kathode (-) und Pad P ist ein dediziertes Wärmeableit-Pad. Das Wärmeableit-Pad ist entscheidend für die Ableitung von Wärme von der LED-Sperrschicht zur Leiterplatte (PCB). Für eine optimale thermische und elektrische Leistung muss das PCB-Layout eine ausreichend dimensionierte Kupferfläche enthalten, die mit diesem Pad verbunden ist, ggf. mit Wärme-Durchkontaktierungen zu inneren oder unteren Lagen. Für den Betrieb ist die korrekte Polung (Anode an positive Versorgung) zwingend erforderlich.

6. Löt- und Montagerichtlinien

6.1 Reflow-Lötprofil

Das Bauteil ist für Standard-SMT-Reflow-Prozesse geeignet. Ein bleifreies Reflow-Profil wird angegeben:

• Aufheizrate:2~3 °C/Sek.
• Vorwärmen:150~200°C für 60~120 Sekunden.
• Liquidus-Temperatur (T_L):217°C.
• Zeit über T_L:60~90 Sekunden.
• Spitzentemperatur (T_P):240 ±5°C.
• Zeit auf Spitzentemperatur (t_P):Maximal 20 Sekunden.
• Abkühlrate:3~5 °C/Sek.

Es wird empfohlen, das Reflow-Löten nicht öfter als zweimal durchzuführen, um die thermische Belastung des Gehäuses und der internen Bondverbindungen zu minimieren. Spannungen auf die LED während des Erhitzens sollten vermieden werden, und die Leiterplatte sollte nach dem Löten nicht gebogen werden, um mechanische Schäden an den Lötstellen oder der LED selbst zu verhindern.

6.2 Lagerbedingungen

Das Bauteil wird in feuchtigkeitsbeständiger Verpackung geliefert, einschließlich einer Aluminium-Feuchtigkeitsschutztüte mit Trockenmittel. Wenn die Verpackung geöffnet wurde, sind die Bauteile feuchtigkeitsempfindlich und sollten innerhalb einer bestimmten Zeit verwendet oder gemäß Standard-MSL-Verfahren (Moisture Sensitivity Level) vor dem Reflow getrocknet werden, um "Popcorning"-Schäden während des Lötens zu verhindern. Der spezifische MSL-Level wird im vorliegenden Auszug nicht angegeben.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

Das Bauteil wird auf Trägerband und Rolle für die automatisierte Pick-and-Place-Montage geliefert. Jede Rolle enthält 400 Stück. Die Abmessungen des Trägerbands sind angegeben, um die Kompatibilität mit Bestückungsautomaten sicherzustellen. Das Verpackungsetikett enthält Standardinformationen wie Artikelnummer (P/N), Menge (QTY) und Losnummer (LOT No.) für die Rückverfolgbarkeit. Der Bin-Code für die Strahlungsleistung (CAT) wird hier ebenfalls angegeben.

8. Anwendungshinweise und Design-Überlegungen

8.1 Typische Anwendungsschaltungen

Diese Infrarot-LED benötigt für einen stabilen Betrieb eine Konstantstromquelle, keine Konstantspannung. Ein einfacher Vorwiderstand kann für Niedrigstromanwendungen verwendet werden, aber für die hohen Ströme, die dieses Bauteil bewältigen kann, wird ein dedizierter LED-Treiber-IC oder ein transistorbasierter Stromregler empfohlen, um eine konstante Lichtausgabe zu gewährleisten und die LED vor Stromspitzen zu schützen. Der Treiber muss in der Lage sein, den erforderlichen Vorwärtsstrom bereitzustellen und den Durchlassspannungsabfall zu bewältigen.

8.2 Wärmemanagement

Dies ist der kritischste Aspekt bei der Verwendung dieser Hochleistungs-LED. Das Datenblatt schlägt ausdrücklich den Einsatz eines Kühlkörpers vor. Das PCB-Design muss eine signifikante Wärmeableitfläche enthalten, die mit dem Wärmeableit-Pad der LED verbunden ist und über eine ausreichende Kupferfläche verfügt. Die Verwendung von Wärme-Durchkontaktierungen zur Ableitung von Wärme auf andere PCB-Lagen oder einen externen Kühlkörper wird dringend empfohlen. Die maximale Sperrschichttemperatur von 125°C darf nicht überschritten werden; daher sollten thermische Berechnungen oder Messungen basierend auf dem tatsächlichen Betriebsstrom, der Umgebungstemperatur und den thermischen Eigenschaften der Leiterplatte durchgeführt werden.

8.3 Optisches Design

Für Anwendungen wie Kamerabeleuchtung können Sekundäroptiken (Linsen oder Reflektoren) verwendet werden, um den 90-Grad-Strahl zu einem fokussierteren Muster zu kollimieren oder zu formen, um die Reichweite oder Effizienz zu erhöhen. Die wasserklare Linse gewährleistet eine minimale Absorption des Infrarotlichts. Entwickler sollten bei der Auslegung für die Beleuchtung über Entfernung die Strahlstärke (mW/sr) und nicht nur die Gesamtleistung berücksichtigen.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu Standard-5mm- oder 3mm-Durchsteck-Infrarot-LEDs bietet dieses SMD-Bauteil eine deutlich höhere optische Ausgangsleistung (bis zu 1300+ mW gegenüber einigen zehn mW) in einem kompakteren und fertigungsfreundlicheren Gehäuse. Sein Wärmewiderstand von 18 K/W ist für eine SMD-LED relativ niedrig und deutet auf einen guten Wärmeleitpfad hin, erfordert aber im Vergleich zu LEDs auf Metallkern-Leiterplatten oder mit integrierten Kühlkörpern dennoch eine sorgfältige Handhabung. Die 850nm-Wellenlänge ist ein gängiger Standard und bietet einen guten Kompromiss zwischen der Empfindlichkeit von Siliziumdetektoren und einer geringeren Sichtbarkeit im Vergleich zu 940nm-LEDs (die nahezu unsichtbar sind, aber eine geringere Sensorantwort erzeugen).

10. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Kann ich diese LED direkt mit einem Widerstand an einer 5V-Versorgung betreiben?

A: Möglich, aber es erfordert eine sorgfältige Berechnung. Bei 1A beträgt V_F~3,5V. Ein Vorwiderstand müsste 1,5V bei 1A abfallen, d.h. R = 1,5Ω und würde 1,5W verbrauchen. Dies ist ineffizient und erzeugt mehr Wärme. Ein dedizierter Stromregler wird für Ströme über 350mA dringend empfohlen.

F: Warum ist ein Kühlkörper notwendig?

A: Bei 700mA beträgt die Verlustleistung etwa 3,3V * 0,7A = 2,31W. Mit einem Wärmewiderstand von 18 K/W würde die Sperrschicht um 2,31W * 18 K/W = ~41,6°C über der Anschlusstemperatur ansteigen. Wenn die PCB/Anschlüsse nicht gekühlt werden, kann die Sperrschicht leicht 125°C überschreiten, was zu schnellem Leistungsabfall oder Ausfall führt.

F: Was ist der Unterschied zwischen Gesamter Strahlungsleistung (mW) und Strahlstärke (mW/sr)?

A: Die Gesamte Strahlungsleistung ist die integrierte optische Leistung, die in alle Richtungen abgestrahlt wird. Die Strahlstärke ist die pro Raumwinkeleinheit in eine bestimmte Richtung (typischerweise auf der Achse) abgestrahlte Leistung. Die Strahlstärke ist für gerichtete Anwendungen relevanter, während die Gesamtleistung für den Gesamtwirkungsgrad des Systems wichtig ist.

F: Ist diese LED sicher für die Augenexposition?

A: Infrarot-LEDs, insbesondere Hochleistungs-LEDs, können für die Augen gefährlich sein. Sie emittieren unsichtbare Strahlung, die Netzhautschäden verursachen kann, bevor der Lidschlussreflex einsetzt. Es sollten stets relevante Laser-/Infrarot-Produktsicherheitsnormen (wie IEC 62471) befolgt und geeignete Schutzmaßnahmen (Diffusoren, Gehäuse, Intensitätsbegrenzungen) im Endprodukt implementiert werden.

11. Design- und Anwendungsfallstudie

Szenario: Nachtsichtbeleuchtung für eine Sicherheitskamera.

Ein Entwickler erstellt eine kompakte IP-Kamera mit Nachtsichtfunktion unter Verwendung eines siliziumbasierten Bildsensors. Er wählt diese 850nm-LED aufgrund ihrer hohen Ausgangsleistung und spektralen Übereinstimmung. Vier LEDs werden um das Kameraobjektiv platziert. Jede wird mit 700mA von einem kompakten Schalt-LED-Treiber-IC angesteuert, um eine stabile Ausgabe bei sich ändernder Batteriespannung zu gewährleisten. Die Leiterplatte ist ein 4-Lagen-Board, bei dem die innere Masseebene über mehrere Wärme-Durchkontaktierungen mit der großen Kupferfläche unter jeder LED zur Wärmeverteilung verbunden ist. Ein leichtes Diffusorfolie wird über den LEDs angebracht, um die Strahlen zu mischen und Hotspots im Bild zu reduzieren. Das thermische Design wird mit einer Wärmebildkamera validiert, wobei bestätigt wird, dass die LED-Gehäusetemperatur in einer 40°C-Umgebung unter 85°C bleibt und die Sperrschicht sicher unter ihrer Grenze bleibt. Das resultierende System liefert klare, gleichmäßig beleuchtete Nachtsichtaufnahmen bis zu 30 Metern.

12. Einführung in das technische Prinzip

Infrarot-LEDs arbeiten nach dem gleichen grundlegenden Prinzip wie sichtbare LEDs: Elektrolumineszenz in einem Halbleiter-p-n-Übergang. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, werden Elektronen und Löcher in den aktiven Bereich injiziert, wo sie rekombinieren und Energie in Form von Photonen freisetzen. Die Wellenlänge (Farbe) des emittierten Lichts wird durch die Bandlückenenergie des Halbleitermaterials bestimmt. GaAlAs (Galliumaluminiumarsenid) ist ein Verbindungshalbleiter, dessen Bandlücke durch Variation des Aluminiumgehalts so eingestellt werden kann, dass er im nahen Infrarotbereich, speziell um 850nm, emittiert. Die wasserklare Silikonverkappung ist für diese Wellenlänge transparent und wird zu einer Linse geformt, um den Ausgangsstrahl zu formen. Die Hochleistungsfähigkeit wird durch die Verwendung eines größeren Halbleiterchips und eines effizienten Gehäuses erreicht, das für die Wärmeableitung ausgelegt ist.

13. Technologietrends

Der Trend bei Infrarot-LEDs, insbesondere für Sensorik und Bildgebung, geht zu höherer Effizienz (mehr Strahlungsleistung pro elektrischem Watt), was die Wärmeentwicklung und den Stromverbrauch reduziert. Dies wird durch Fortschritte im Design der Epitaxieschichten und bei der Lichtauskopplungstechnik erreicht. Es gibt auch einen Trend zu engerer Integration, z.B. LEDs mit integrierten Treibern oder kombiniert mit Fotodetektoren in einem einzigen Gehäuse. Wellenlängen wie 940nm gewinnen für "verdeckte" Beleuchtung an Beliebtheit, da sie für das menschliche Auge weniger sichtbar sind als 850nm, obwohl sie Sensoren mit höherer Empfindlichkeit erfordern. Darüber hinaus schreitet die Miniaturisierung voran, was Hochleistung in immer kleineren SMD-Gehäusen erfordert und damit die Bedeutung fortschrittlicher Wärmemanagement-Lösungen auf PCB- und Systemebene erhöht.