IRR60-48C/TR8 LED Datenblatt - Abmessungen 6,0x4,8x1,1mm - Spannung 1,4-2,1V - Leistung 50-70mW - Dual-Wellenlänge 660nm/905nm - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die IRR60-48C/TR8 ist eine miniaturisierte Infrarot-Leuchtdiode für die Oberflächenmontage (SMD). Es handelt sich um eine Zwei-Farben-Komponente mit zwei separaten Halbleiterchips in einem einzigen Gehäuse: einer emittiert bei 660nm (rot, AlGaInP-Material) und ein weiterer bei 905nm (Infrarot, AlGaAs-Material). Das Bauteil ist in einem wasserklaren Kunststoffgehäuse mit Flachlinse gekapselt, das für die Kompatibilität mit automatischen Bestückungssystemen und Standard-Infrarot- oder Dampfphasen-Reflow-Lötprozessen ausgelegt ist.

Das primäre Designziel dieser Komponente ist die spektrale Anpassung an siliziumbasierte Fotodetektoren wie Fotodioden und Fototransistoren. Diese Eigenschaft macht sie besonders geeignet für Sensoranwendungen, bei denen eine präzise optische Kopplung erforderlich ist. Das Bauteil entspricht modernen Umweltstandards, ist halogenfrei und erfüllt die RoHS- und EU-REACH-Verordnungen.

2. Detaillierte technische Spezifikationen

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Dauer-Vorwärtsstrom (I_F): 30 mA für beide Wellenlängen. Dies ist der maximale Gleichstrom, der kontinuierlich angelegt werden kann.
• Spitzen-Vorwärtsstrom (I_FP): 150 mA. Dieser Wert gilt nur unter gepulsten Bedingungen mit einer Pulsbreite ≤10μs und einem Tastverhältnis ≤1%.
• Sperrspannung (V_R): 5 V. Das Überschreiten dieser Spannung in Sperrrichtung kann zum Sperrschichtdurchbruch führen.
• Verlustleistung (P_d): 70 mW für den 660nm-Chip und 50 mW für den 905nm-Chip, gemessen bei oder unter 25°C Umgebungstemperatur. Dieser Unterschied spiegelt die typische Effizienz und thermischen Eigenschaften der verschiedenen Halbleitermaterialien wider.
• Thermischer Widerstand, Sperrschicht-Umgebung (R_θj-a): 550 K/W. Dieser Parameter gibt an, wie effektiv Wärme von der Halbleitersperrschicht an die Umgebung abgeführt wird. Ein niedrigerer Wert bedeutet eine bessere Wärmeableitung.
• Betriebs- und Lagertemperaturbereich: -25°C bis +85°C.
• Löttemperatur (T_sol): maximal 260°C für eine Dauer von nicht mehr als 5 Sekunden, typisch für bleifreie Reflow-Prozesse.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Dies sind die typischen Leistungsparameter, gemessen bei 25°C mit einem Vorwärtsstrom von 20mA, sofern nicht anders angegeben.

• Strahlstärke (I_E): Dies ist die abgegebene optische Leistung pro Raumwinkeleinheit (Steradiant). Für den 660nm (Rot)-Chip beträgt der typische Wert 2,3 mW/sr (min. 1,0). Für den 905nm (IR)-Chip beträgt der typische Wert 1,0 mW/sr (min. 0,5).
• Gesamte Strahlungsleistung (P_o): Die gesamte in alle Richtungen abgegebene optische Leistung. Typische Werte sind 7,0 mW für Rot und 3,0 mW für IR.
• Spitzenwellenlänge (λ_p): Die Wellenlänge, bei der die emittierte Strahlung am stärksten ist. Der Rot-Chip ist auf 660nm zentriert (Bereich 657-663nm). Der IR-Chip ist auf 905nm zentriert (Bereich 895-915nm).
• Spektrale Bandbreite (Δλ): Die Breite des Emissionsspektrums bei halber Maximalintensität (Full Width at Half Maximum - FWHM). Typische Werte sind 20nm für Rot und 60nm für IR. Die größere Bandbreite des IR-Chips ist charakteristisch für AlGaAs-Materialien.
• Flussspannung (V_F): Der Spannungsabfall über der Diode im leitenden Zustand. Der Rot-Chip benötigt typischerweise 2,10V (Bereich 1,80-2,50V). Der IR-Chip benötigt typischerweise 1,40V (Bereich 1,10-1,60V). Dieser Unterschied ist entscheidend für den Schaltungsentwurf, insbesondere wenn beide Chips von einer gemeinsamen Quelle angesteuert werden.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2): Der Winkelbereich, in dem die Strahlstärke mindestens die Hälfte ihres Spitzenwertes beträgt. Der Rot-Chip hat einen typischen Abstrahlwinkel von 140°, während der IR-Chip 130° aufweist. Die Flachlinse trägt zu diesem weiten Abstrahlwinkel bei.

3. Analyse der Leistungskennlinien

3.1 Vorwärtsstrom vs. Umgebungstemperatur

Die Derating-Kurven zeigen, wie der maximal zulässige Dauer-Vorwärtsstrom mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt. Dies ist eine kritische Überlegung im Design, um thermisches Durchgehen zu verhindern. Die Kurven für beide Chips folgen einer ähnlichen negativen Steigung, was die Notwendigkeit einer angemessenen Wärmemanagement in Hochtemperaturumgebungen oder Hochstromanwendungen unterstreicht.

3.2 Spektrale Verteilung

Die Spektraldiagramme zeigen die relative Strahlstärke über die Wellenlängen. Die 660nm-Rot-Emission zeigt einen scharfen, schmalen Peak, charakteristisch für AlGaInP-Materialien. Die 905nm-IR-Emission zeigt eine breitere, gaußähnliche Verteilung, typisch für AlGaAs. Diese spektrale Reinheit (für Rot) und Bandbreite (für IR) sind Schlüsselfaktoren für das Design von Sensorsystemen und beeinflussen die Filterauswahl und das Signal-Rausch-Verhältnis.

3.3 Strahlstärke vs. Vorwärtsstrom

Diese Diagramme zeigen für beide Chips im Standardbetriebsbereich einen nahezu linearen Zusammenhang zwischen Treiberstrom und optischer Ausgangsleistung. Diese Linearität vereinfacht die Steuerung der optischen Ausgangsleistung in Analog-Modulationsanwendungen. Die Steigung der Linie (Effizienz) unterscheidet sich zwischen den beiden Wellenlängen.

3.4 Vorwärtsstrom vs. Flussspannung (I-V-Kennlinie)

Die I-V-Kennlinien zeigen den für Dioden typischen exponentiellen Zusammenhang. Die Schwellspannung ist deutlich sichtbar und unterscheidet sich zwischen den beiden Chips (höher für Rot). Die Kurven werden unter gepulsten Bedingungen (100μs Puls, 1/100 Tastverhältnis) gemessen, um Selbsterwärmungseffekte zu minimieren und die Sperrschichtcharakteristik möglichst genau darzustellen.

3.5 Relative Strahlstärke vs. Winkelabweichung

Diese Polardiagramme stellen den Abstrahlwinkel visuell dar. Die Intensitätsverteilung ist für beide Chips annähernd lambertisch (kosinusähnlich), wobei die des Rot-Chips etwas breiter ist. Diese Information ist entscheidend für den Entwurf optischer Systeme, um eine ausreichende Ausleuchtung oder eine korrekte Ausrichtung auf einen Detektor sicherzustellen.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

Das Bauteil ist in einem kompakten SMD-Gehäuse mit den Abmessungen 6,0mm Länge, 4,8mm Breite und 1,1mm Höhe untergebracht. Die Gehäuseumrisszeichnung liefert kritische Maße für das Leiterplatten-Layout, einschließlich Pad-Größe, Platzierung und Freihaltebereichen. Die Komponente verfügt über einen wasserklaren, spritzgegossenen Kunststoffkörper mit flacher Oberseite, die als Linse fungiert. Die Polarität ist durch die Gehäusemarkierung angegeben und muss beim Bestücken beachtet werden, um einen korrekten elektrischen Betrieb sicherzustellen.

5. Löt- und Bestückungsrichtlinien

5.1 Reflow-Löten

Die Komponente ist kompatibel mit bleifreien (Pb-free) Reflow-Lötprofilen mit einer Spitzentemperatur von 260°C. Es ist entscheidend, das empfohlene Temperatur-Zeit-Profil einzuhalten, um thermischen Schock oder Schäden am Kunststoffgehäuse zu vermeiden. Reflow-Löten sollte nicht mehr als zweimal am selben Bauteil durchgeführt werden. Spannungen am LED-Körper während der Erwärmung und Verzug der Leiterplatte nach dem Löten müssen vermieden werden.

5.2 Handlöten

Falls Handlöten für Reparaturen notwendig ist, ist äußerste Vorsicht geboten. Die Temperatur der Lötspitze sollte unter 350°C liegen, und die Kontaktzeit pro Anschluss sollte 3 Sekunden nicht überschreiten. Ein Lötkolben mit geringer Leistung (≤25W) wird empfohlen. Zwischen dem Löten jedes Anschlusses sollte ein Mindestintervall von 2 Sekunden eingehalten werden. Zur Demontage wird die Verwendung eines Doppelspitzen-Lötkolbens empfohlen, um thermische Belastung zu minimieren, dessen Auswirkung auf die Bauteileigenschaften sollte jedoch vorab geprüft werden.

5.3 Lagerung und Feuchtigkeitssensitivität

Das Bauteil ist feuchtigkeitsempfindlich. Vorsichtsmaßnahmen umfassen:

• Die feuchtigkeitsdichte Verpackung erst unmittelbar vor der Verwendung öffnen.
• Ungeöffnete Beutel bei ≤30°C und ≤90% r.F. lagern. Innerhalb eines Jahres verwenden.
• Nach dem Öffnen bei ≤30°C und ≤60% r.F. lagern. Innerhalb von 24 Stunden verwenden.
• Wird die Lagerzeit überschritten oder zeigt der Trockenmittelbeutel Feuchtigkeitseintritt an, ist vor dem Reflow eine Trocknung bei 60±5°C für mindestens 24 Stunden erforderlich.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

Das Bauteil wird auf geprägter Trägerfolie für die automatische Handhabung geliefert. Die Standardrolle enthält 1000 Stück. Die Abmessungen der Trägerfolie sind spezifiziert, um die Kompatibilität mit Standard-Zuführsystemen sicherzustellen. Die feuchtigkeitsbeständige Verpackung besteht aus einem Aluminium-Laminatbeutel mit Trockenmittel und einer Feuchtigkeitsindikatorkarte. Das Beuteletikett enthält Felder für Kundenteilenummer (CPN), Produktionsnummer (P/N), Menge, Rangcodes (CAT, HUE), Referenz, Losnummer und Herkunftsland.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

• Optische Sensoren: Die dualen Wellenlängen ermöglichen den Einsatz in reflektiven oder transmissiven Sensoren für Objekterkennung, Zählung oder Positionserfassung. Die 905nm-Wellenlänge wird oft dort verwendet, wo sichtbares Licht unerwünscht ist, während das 660nm-Rot als sichtbarer Indikator oder für spezifische photometrische Erfassung dienen kann.
• Medizinische Pulsoximetrie: Die Wellenlängen 660nm und 905nm (oder 940nm) sind Standard in Pulsoximetern zur Messung der Sauerstoffsättigung im Blut (SpO2). Die spektrale Anpassung des Bauteils an Siliziumdetektoren ist für diese Anwendung wesentlich.
• Industrielle Automatisierung: Verwendung in optischen Encodern, Kantenerkennungssystemen und Lichtschranken.

7.2 Design-Überlegungen

• Strombegrenzung: Ein externer Vorwiderstand ist für den Betrieb an einer Spannungsquelle zwingend erforderlich. Die steile Flanke der I-V-Kennlinie bedeutet, dass eine kleine Spannungsänderung eine große Stromänderung verursacht, die die LED sofort zerstören kann.
• Thermisches Management:** Der spezifizierte thermische Widerstand (550 K/W) ist relativ hoch. Für Dauerbetrieb bei hohen Strömen oder in warmen Umgebungen wird ein Leiterplattenlayout mit ausreichender Kupferfläche zur Wärmeableitung empfohlen, um die Sperrschichttemperatur innerhalb der Grenzwerte zu halten.
• Optisches Design: Der weite Abstrahlwinkel kann sekundäre Optiken (Linsen, Blenden) erfordern, um das Licht für spezifische Sensoraufgaben zu kollimieren oder zu fokussieren. Die wasserklare Linse ist geeignet für Anwendungen, bei denen das genaue Abstrahlmuster nicht kritisch ist oder externe Optiken verwendet werden.
• Ansteuerschaltung: Die unterschiedlichen Flussspannungen der beiden Chips müssen berücksichtigt werden, wenn sie unabhängig oder gemultiplext angesteuert werden sollen. Konstantstromtreiber sind Konstantspannungstreibern für eine stabile optische Ausgangsleistung vorzuziehen.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die primäre Differenzierung der IRR60-48C/TR8 liegt in ihrem Dual-Wellenlängen-, Einzelgehäuse-Design. Im Vergleich zur Verwendung von zwei separaten SMD-LEDs bietet dies erhebliche Vorteile:

• Platzersparnis: Reduziert den Leiterplattenbedarf um 50%.
• Vereinfachte Bestückung: Nur eine Komponente muss platziert werden, was den Fertigungsdurchsatz erhöht und die Bestückungskosten senkt.
• Verbesserte Ausrichtung: Die beiden Emissionspunkte befinden sich gemeinsam im selben Gehäuse, was eine perfekte räumliche Ausrichtung für Anwendungen gewährleistet, bei denen beide Wellenlängen denselben Punkt beleuchten müssen. Dies ist in Geräten wie Pulsoximetern entscheidend.
• Materialkompatibilität: Die Verwendung von AlGaInP für Rot bietet eine höhere Effizienz und bessere spektrale Reinheit im Vergleich zu älteren Technologien wie GaAsP, während der AlGaAs-IR-Chip eine starke Ausgangsleistung im nahen Infrarotbereich liefert.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Kann ich beide LED-Chips gleichzeitig mit ihrem maximalen Dauerstrom von jeweils 30mA betreiben?

A: Nein. Die gesamte Verlustleistung muss berücksichtigt werden. Ein gleichzeitiger Betrieb mit 30mA würde wahrscheinlich die Wärmeableitfähigkeit des Gehäuses überschreiten und zu Überhitzung führen. Ein Derating basierend auf Umgebungstemperatur und anwendungsspezifischem Tastverhältnis ist notwendig.

F: Warum ist die Strahlstärke des IR-Chips bei gleichem Strom niedriger als die des Rot-Chips?

A: Dies liegt hauptsächlich am Unterschied in der Augenempfindlichkeit (photopische vs. radiometrische Messung) und der inhärenten Konversionseffizienz der verschiedenen Halbleitermaterialien (AlGaAs vs. AlGaInP) bei ihren jeweiligen Wellenlängen. Die Metrik der gesamten Strahlungsleistung bietet einen besseren Vergleich der gesamten optischen Ausgangsleistung.

F: Im Datenblatt ist eine Löttemperatur von 260°C angegeben, aber mein Reflow-Profil hat einen Peak bei 245°C. Ist das akzeptabel?

A: Ja, eine Spitzentemperatur von 245°C ist akzeptabel und möglicherweise sogar vorzuziehen, da sie das Bauteil weniger thermischer Belastung aussetzt, vorausgesetzt die Zeit oberhalb der Liquidustemperatur (TAL) ist für eine ordnungsgemäße Lötstellenbildung ausreichend.

F: Wie kritisch ist das 24-Stunden-Fenster nach dem Öffnen?

A: Es ist kritisch für zuverlässiges Reflow-Löten. In das Kunststoffgehäuse aufgenommene Feuchtigkeit kann während des Reflow verdampfen und zu innerer Delamination, Rissen ("Popcorning") oder Bonddrahtschäden führen. Die Einhaltung dieser Richtlinie ist für eine hohe Ausbeute in der Fertigung wesentlich.

10. Design- und Anwendungsfallstudie

Szenario: Entwurf eines reflektierenden Objektsensors

In einer typischen Anwendung zur Erkennung eines weißen Objekts auf einem schwarzen Förderband würde die IRR60-48C/TR8 mit einem Silizium-Fototransistor gepaart werden. Der 905nm-IR-Chip würde für die primäre Erfassung verwendet, um Störungen durch Umgebungslicht zu vermeiden. Eine Konstantstromquelle, eingestellt auf 20mA, würde die LED ansteuern. Das Licht reflektiert am Objekt und wird vom Fototransistor erfasst, dessen Ausgangssignal durch eine Verstärker-/Komparatorschaltung aufbereitet wird. Der weite 130°-Abstrahlwinkel des IR-Chips gewährleistet ein großzügiges Erfassungsfeld und reduziert die Anforderungen an die Ausrichtungsgenauigkeit. Der Konstrukteur muss einen strombegrenzenden Widerstand einplanen, wenn eine Spannungsquelle verwendet wird, sicherstellen, dass das Leiterplattenlayout eine gewisse Wärmeableitung bietet, und die strengen Feuchtigkeitshandhabungsverfahren einhalten, bevor die Platine durch den Reflow-Lötprozess geht.

11. Funktionsprinzip

Die Lichtemission in der IRR60-48C/TR8 basiert auf Elektrolumineszenz in Halbleitermaterialien. Wenn eine Flussspannung angelegt wird, die die Bandlückenenergie des Chips übersteigt, werden Elektronen und Löcher in den aktiven Bereich des Halbleiters injiziert, wo sie rekombinieren. Diese Rekombination setzt Energie in Form von Photonen (Licht) frei. Die Wellenlänge (Farbe) des emittierten Lichts wird durch die Bandlückenenergie des Halbleitermaterials bestimmt: AlGaInP für 660nm (rot) und AlGaAs für 905nm (infrarot). Das wasserklare Epoxidharzgehäuse verkapselt den Chip, bietet mechanischen Schutz, und seine geformte Oberseite fungiert als Primärlinse zur Steuerung des Abstrahlmusters.

12. Technologietrends

Die Entwicklung von SMD-LEDs wie der IRR60-48C/TR8 folgt mehreren Branchentrends:

• Miniaturisierung: Fortlaufende Verkleinerung der Gehäusegröße (z.B. von 0603 auf 0402), um dichtere elektronische Baugruppen zu ermöglichen.
• Multi-Chip-Integration: Kombination mehrerer Wellenlängen oder sogar verschiedener Bauteiltypen (LEDs und Fotodioden) in einzelnen Gehäusen für intelligentere, kompaktere Sensormodule.
• Erhöhte Effizienz: Fortlaufende Verbesserungen der internen Quanteneffizienz und der Lichteinkopplung aus dem Halbleitermaterial und dem Gehäuse, was zu einer höheren optischen Ausgangsleistung bei gleichem elektrischem Eingang führt.
• Verbesserte Zuverlässigkeit: Fortschritte bei Gehäusematerialien und -prozessen, um höheren Reflow-Temperaturen, härteren Umweltbedingungen standzuhalten und längere Betriebslebensdauern zu bieten.
• Standardisierung: Breitere Einführung standardisierter Footprints und optischer Eigenschaften, um die Austauschbarkeit zu verbessern und das Design für Ingenieure zu vereinfachen.

Diese Trends treiben die Entwicklung von Komponenten hin zu kleineren, intelligenteren, effizienteren und zuverlässigeren Lösungen für eine wachsende Palette optoelektronischer Anwendungen.