Infrarot-LED RE30A0-IPX-FR Spezifikation - 3.0x3.0x2.53mm - 1.5V - 0.85W - 950nm - Technisches Datenblatt

1. Produktübersicht

Dieses Dokument beschreibt detailliert die Spezifikationen einer Hochleistungs-Infrarot (IR)-Leuchtdiode (LED), die für anspruchsvolle Anwendungen entwickelt wurde, die zuverlässige, unsichtbare Beleuchtung erfordern. Das Bauteil nutzt ein Epoxid-Formmassen-Gehäuse (EMC), das im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffgehäusen eine verbesserte thermische Leistung und Langzeitzuverlässigkeit bietet. Seine Hauptemission liegt im Wellenlängenbereich von 950nm, was es ideal für den Einsatz mit CCD- und CMOS-Bildsensoren macht, die im nahen Infrarotspektrum empfindlich sind.

Der Kernvorteil dieses Produkts liegt in der Kombination aus einem robusten EMC-Gehäuse, einer für gängige Kamerassensoren optimierten Spitzenwellenlänge und einem auf Oberflächenmontagetechnik (SMT) ausgelegten Design. Es ist für Anwendungen konzipiert, bei denen konstante Leistung, Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse und effiziente Wärmeableitung entscheidend sind.

Der Zielmarkt für diese LED ist in erster Linie die Sicherheits- und Überwachungsindustrie, wo sie in Nachtsichtkameras und Infrarot-Strahlern eingesetzt wird. Sie eignet sich auch hervorragend für Machine-Vision-Systeme, Industrieautomation und andere Sensoranwendungen, die kontrollierte Infrarotbeleuchtung erfordern.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Elektrische & Optische Eigenschaften

Die Leistung des Bauteils wird unter Standardtestbedingungen (Ts=25°C) charakterisiert. Schlüsselparameter definieren seinen Betriebsbereich und die erwartete Ausgangsleistung.

• Durchlassspannung (V_F)): Beim typischen Betriebsstrom von 500mA beträgt die Durchlassspannung 1,5V (min: 1,4V). Diese relativ niedrige Spannung trrägt durch geringere Leistungsverluste an der LED selbst zu einer höheren Systemeffizienz bei.
• Spitzenwellenlänge (λ_p)): Die dominante Emissionswellenlänge beträgt 950nm (min: 942nm). Diese Wellenlänge ist für das menschliche Auge unsichtbar, liegt aber im hohen Empfindlichkeitsbereich von siliziumbasierten Bildsensoren und bietet so effektive Beleuchtung, ohne ein sichtbares rotes Leuchten ("Red Leak") zu verursachen.
• Gesamte Strahlungsleistung (Φ_e)): Die gesamte optische Ausgangsleistung beträgt 224mW (min: 140mW) bei einem Betriebsstrom von 500mA. Dieser Parameter ist entscheidend für die Bestimmung der Beleuchtungsstärke und der Abdeckungsfläche der IR-Quelle.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2)): Der Halbwertswinkel beträgt 120 Grad und bietet damit ein breites Beleuchtungsfeld, das für die allgemeine Flächenabdeckung in Überwachungsanwendungen geeignet ist.
• Wärmewiderstand (R_THJ-S)): Der thermische Widerstand von der Sperrschicht zum Lötpunkt beträgt 14°C/W. Dieser Wert ist entscheidend für das Wärmemanagement-Design, da er bestimmt, wie stark die Sperrschichttemperatur bei einer bestimmten Verlustleistung ansteigt.
• Sperrstrom (I_R)): Bei einer angelegten Sperrspannung von 5V beträgt der Leckstrom maximal 10µA.

2.2 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb außerhalb dieser Grenzen ist nicht garantiert.

• Verlustleistung (P_D)): 0,85W. Die gesamte in Wärme und Licht umgewandelte elektrische Leistung darf diesen Wert nicht überschreiten.
• Durchlassstrom (I_F)): 500mA (DC).
• Sperrspannung (V_R)): 5V.
• Elektrostatische Entladung (ESD): 2000V (Human Body Model). ESD-sichere Handhabungsverfahren sind zwingend erforderlich.
• Betriebstemperatur (T_OPR)): -40°C bis +85°C.
• Lagertemperatur (T_STG)): -40°C bis +100°C.
• Sperrschichttemperatur (T_J)): 95°C (maximal). Dies ist die kritischste Temperaturgrenze für die Lebensdauer der LED.

3. Erklärung des Binning-Systems

Das Produkt verwendet ein Binning-System für Schlüsselparameter, um die Konsistenz innerhalb einer Produktionscharge sicherzustellen und eine präzise Auswahl basierend auf den Anwendungsanforderungen zu ermöglichen. Die primär gebinnten Parameter sind die Durchlassspannung (V_F) und die gesamte Strahlungsleistung (Φ_e), beide gemessen bei I_F= 500mA.

Dieses Binning ermöglicht es Entwicklern, LEDs mit eng gruppierten elektrischen und optischen Eigenschaften auszuwählen, was für Anwendungen mit gleichmäßiger Beleuchtung oder spezifischen Treiberschaltungs-Parametern wesentlich ist. Die bereitgestellte Spezifikation listet typische Werte auf; für spezifische Bin-Codes und deren Bereiche konsultieren Sie die detaillierte Binning-Dokumentation des Herstellers.

4. Analyse der Kennlinien

Die Kennlinien geben Aufschluss über das Verhalten des Bauteils unter verschiedenen Bedingungen.

• Durchlassspannung vs. Durchlassstrom (IV-Kennlinie): Diese Kurve zeigt den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Spannung und Strom. Sie ist für die Auslegung der Stromtreiberschaltung (z.B. Konstantstromtreiber) wesentlich, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten.
• Durchlassstrom vs. Relative Intensität: Diese Kurve zeigt die Abhängigkeit der optischen Ausgangsleistung vom Betriebsstrom. Sie zeigt typischerweise bei sehr hohen Strömen aufgrund von Efficiency Droop und thermischen Effekten einen sublinearen Zusammenhang.
• Gehäusetemperatur vs. Relative Intensität: Diese Grafik veranschaulicht den thermischen Quenching-Effekt. Mit steigender Gehäusetemperatur der LED nimmt ihre optische Ausgangsleistung im Allgemeinen ab. Eine ordnungsgemäße Wärmesenke ist entscheidend, um eine konstante Lichtleistung aufrechtzuerhalten.
• Spektrale Verteilung: Das Spektrum bestätigt die Spitzenemission bei 950nm und zeigt die spektrale Bandbreite (typischerweise 40nm FWHM). Ein schmaleres Spektrum kann für Anwendungen von Vorteil sein, die eine spezifische Wellenlängenfilterung erfordern.

5. Mechanische & Gehäuseinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil ist in einem Oberflächenmontagegehäuse mit den Abmessungen 3,00mm (Länge) x 3,00mm (Breite) x 2,53mm (Höhe) untergebracht. Der Gehäusefußabdruck und das Lötpad-Layout sind für standardmäßige SMT-Montageprozesse ausgelegt. Alle Maßtoleranzen betragen ±0,2mm, sofern nicht anders angegeben.

5.2 Polaritätskennzeichnung & Pad-Design

Eine klare Polaritätsmarkierung auf der Oberseite des Gehäuses verhindert eine falsche Platzierung während der Montage. Das empfohlene Lötpad-Muster (Land Pattern) wird bereitgestellt, um eine zuverlässige Lötstellenbildung und eine ordnungsgemäße thermische Verbindung zur Leiterplatte (PCB) sicherzustellen. Die Einhaltung dieses empfohlenen Footprints ist entscheidend für die mechanische Stabilität und den optimalen Wärmetransport von der LED-Sperrschicht zur Leiterplatte.

6. Löt- & Montagerichtlinien

6.1 SMT Reflow-Löten

Das Produkt ist mit bleifreien (Pb-free) Reflow-Lötprozessen kompatibel. Es ist als Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe (MSL) 3 klassifiziert. Das bedeutet, das Bauteil kann bis zu 168 Stunden (7 Tage) vor dem Reflow-Löten den Bedingungen auf der Werkstattfläche ausgesetzt werden, ohne gebacken werden zu müssen. Wird die Expositionszeit überschritten, müssen die Bauteile gemäß den Standardrichtlinien IPC/JEDEC J-STD-033 gebacken werden, um aufgenommene Feuchtigkeit zu entfernen und "Popcorning" (Gehäuserissbildung) während des Hochtemperatur-Reflow-Prozesses zu verhindern.

Spezifische Reflow-Profilparameter (Vorwärmen, Einweichen, Reflow-Spitzentemperatur, Zeit oberhalb der Liquidus-Temperatur) sollten basierend auf der verwendeten Lötpaste und den allgemeinen Anforderungen der Leiterplattenbestückung entwickelt werden, wobei sicherzustellen ist, dass die maximale Gehäusetemperatur die Maximalwerte nicht überschreitet.

6.2 Handhabungs- & Lagerungsvorsichtsmaßnahmen

• Befolgen Sie stets ESD-sichere (Elektrostatische Entladung) Handhabungsverfahren. Verwenden Sie geerdete Arbeitsplätze und Handgelenkbänder.
• Lagern Sie in einer trockenen, kontrollierten Umgebung innerhalb des spezifizierten Lagertemperaturbereichs.
• Halten Sie die MSL-3-Handhabungsanforderungen ein, um feuchtigkeitsbedingte Schäden während des Reflow-Lötens zu vermeiden.
• Vermeiden Sie mechanische Belastungen der Linse oder des Gehäusekörpers.
• Stellen Sie während des Betriebs durch geeignetes thermisches Management, wie die Verwendung einer Leiterplatte mit Wärmedurchkontaktierungen oder einem externen Kühlkörper, sicher, dass die maximale Sperrschichttemperatur (T_J) nicht überschritten wird.

7. Verpackungs- & Bestellinformationen

Die LEDs werden in industrieüblicher Verpackung für die automatisierte Bestückung geliefert.

• Trägerband: Die Bauteile werden in ein geprägtes Trägerband eingelegt, um sie zu schützen und für Pick-and-Place-Maschinen handhabbar zu machen. Die Bandabmessungen (Taschengröße, Teilung) sind spezifiziert.
• Rolle: Das Trägerband wird auf eine Rolle aufgewickelt. Die Rollenabmessungen (Durchmesser, Breite, Nabenmaß) werden angegeben.
• Feuchtigkeitssperrbeutel: Die Rollen sind in feuchtigkeitsbeständigen Sperrbeuteln mit einer Feuchtigkeitsindikatorkarte verpackt, um die MSL-3-Bauteile während der Lagerung und des Versands zu schützen.
• Etikettierung: Die Rolle und der Karton enthalten Etiketten mit Produktidentifikation, Menge, Losnummer und anderen Rückverfolgbarkeitsinformationen gemäß dem spezifizierten Etikettenformular.

Die Artikelnummer "RE30A0-IPX-FR" folgt der internen Namenskonvention des Herstellers und kodiert typischerweise Informationen über den Gehäusetyp, die Chip-Technologie, die Wellenlänge und das Leistungs-Bin.

8. Anwendungsempfehlungen

8.1 Typische Anwendungsszenarien

• IR-Strahler für Überwachungskameras: Bereitstellung unsichtbarer Nachtbeleuchtung für Sicherheitskameras. Die 950nm-Wellenlänge ist ideal, da sie außerhalb des menschlichen Sehvermögens, aber innerhalb der Kamerasensitivität liegt.
• Machine-Vision-Beleuchtung: Verwendung für Inspektions-, Sortier- oder Führungssysteme, bei denen kontrollierte IR-Beleuchtung den Kontrast verbessern oder Störungen durch Umgebungslicht eliminieren kann.
• Industrielle Sensoren: Annäherungssensoren, Objekterkennung und optische Encoder.

8.2 Designüberlegungen

• Thermisches Management: Dies ist von größter Bedeutung. Bei einer Verlustleistung von bis zu 0,85W und einem Wärmewiderstand von 14°C/W kann der Temperaturanstieg erheblich sein. Verwenden Sie eine Leiterplatte mit ausreichender Kupferfläche (Thermal Pad), Wärmedurchkontaktierungen unter dem Gehäuse und gegebenenfalls einen externen Kühlkörper, um die Sperrschichttemperatur unter 95°C zu halten, um maximale Zuverlässigkeit und Lichtleistungsstabilität zu gewährleisten.
• Treiberschaltung: Verwenden Sie einen Konstantstromtreiber, keine Konstantspannungsquelle, um eine stabile optische Ausgangsleistung sicherzustellen und thermisches Durchgehen zu verhindern. Der Treiber sollte für mindestens 500mA ausgelegt sein. Erwägen Sie bei Bedarf die Implementierung von Pulsweitenmodulation (PWM) zur Helligkeitssteuerung.
• Optisches Design: Der 120-Grad-Abstrahlwinkel bietet eine breite Abdeckung. Für größere Reichweiten oder spezifische Strahlprofile können Sekundäroptiken (Linsen) erforderlich sein.
• ESD-Schutz: Integrieren Sie Transientenspannungsunterdrückungsdioden (TVS) oder andere Schutzschaltungen am Leiterplatteneingang, wenn die Montageumgebung oder der Endanwendung ein ESD-Risiko darstellt.

9. Technischer Vergleich & Differenzierung

Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale dieser LED sind ihr EMC-Gehäuse und die 950nm-Wellenlänge.

• EMC vs. Standard-Kunststoff (PPA/PCT): EMC-Gehäuse bieten eine überlegene Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Feuchtigkeit, was zu einer besseren Langzeitzuverlässigkeit (Lumen-Erhaltung) und Beständigkeit gegen Schwefelung führt, die bei Standard-Kunststofflinsen mit der Zeit zu einer Verdunkelung führen kann. Dies macht sie ideal für raue Außen- oder Industrieumgebungen.
• 950nm vs. 850nm: Während 850nm-LEDs häufiger sind und oft eine höhere Strahlungseffizienz aufweisen, emittieren sie ein schwaches rotes Leuchten, das in der Dunkelheit sichtbar ist. Die 950nm-Wellenlänge ist vollständig unsichtbar, was sie für verdeckte Überwachungsanwendungen bevorzugt. Allerdings ist die Kamerasensitivität bei 950nm im Allgemeinen geringer als bei 850nm, was möglicherweise eine höhere Leistung oder empfindlichere Kameras erfordert.

10. Häufig gestellte Fragen (FAQs)

10.1 Warum ist die Durchlassspannung so niedrig (1,5V)?

Infrarot-LEDs, insbesondere solche, die auf bestimmten Halbleitermaterialien wie GaAlAs basieren, haben von Natur aus eine niedrigere Durchlassspannung als sichtbare LEDs (die typischerweise bei etwa 3,0V für weiß/blau liegen). Dies liegt an der geringeren Bandlückenenergie des Halbleitermaterials, das zur Erzeugung von Infrarotlicht verwendet wird.

10.2 Wie steuere ich die Helligkeit?

Die Helligkeit (Strahlungsleistung) wird primär durch den Durchlassstrom (I_F) gesteuert. Die stabilste und empfohlene Methode ist die Verwendung eines Konstantstromtreibers und die Anpassung seines Strom-Sollwerts. Für eine dynamische Steuerung ist PWM-Dimmung der Konstantstromquelle effektiv und vermeidet Farbverschiebungen.

10.3 Was bedeutet "frei von Rot"?

"Frei von Rot" oder "kein Red Leak" bedeutet, dass die LED sehr wenig bis gar kein sichtbares rotes Licht (um 650-700nm) emittiert. Eine reine 950nm-LED sollte bei direkter Betrachtung vollständig dunkel erscheinen, was ein entscheidendes Merkmal für verdeckte Beleuchtung ist.

10.4 Wie kritisch ist die MSL-3-Einstufung?

Sehr kritisch für die Ausbeute bei der Bestückung. Wenn die Bauteile zu viel Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen und dann der hohen Hitze des Reflow-Lötens ausgesetzt werden, kann die schnelle Verdampfung der Feuchtigkeit zu innerer Delamination oder Rissbildung ("Popcorning") führen. Befolgen Sie stets die Handhabungsanweisungen im Zusammenhang mit der MSL-Einstufung.

11. Praktische Design-Fallstudie

Szenario: Entwicklung eines kompakten IR-Strahlers für eine Außen-Überwachungskamera.

1. Anforderungen: Bereitstellung einer gleichmäßigen Beleuchtung über ein 90-Grad-Horizontalfeld in einer Entfernung von 15 Metern. Der Strahler muss wetterfest sein und eine Lebensdauer von mehreren Jahren haben.
2. LED-Auswahl: Diese 950nm-EMC-gehäuste LED wird aufgrund ihrer unsichtbaren Ausgabe, ihres breiten Abstrahlwinkels (120°) und ihres robusten, für den Außeneinsatz geeigneten Gehäuses ausgewählt.
3. Thermisches Design: Eine 2-lagige FR4-Leiterplatte wird mit einer großen Kupferfläche auf der obersten Lage verwendet, die mit dem Thermal Pad der LED verbunden ist. Eine Anordnung von Wärmedurchkontaktierungen leitet die Wärme zu einer Kupferebene auf der Unterseite, die als Kühlkörper dient. Eine thermische Simulation wird durchgeführt, um sicherzustellen, dass T_J <85°C unter ungünstigsten Umgebungstemperaturen bleibt.
4. Elektrisches Design: Ein schaltender Konstantstrom-LED-Treiber-IC wird ausgewählt, konfiguriert für 450mA (leicht unterhalb von 500mA für zusätzliche Zuverlässigkeit). Ein PWM-Eingang wird für das Kamerasystem bereitgestellt, um die IR-LEDs zu synchronisieren oder zu dimmen.
5. Optisches/Mechanisches Design: Mehrere LEDs sind in einem Array angeordnet. Eine Diffusorlinse wird über dem Array platziert, um die einzelnen Strahlen zu mischen und das gewünschte 90-Grad-Strahlprofil zu erreichen. Das Gehäuse ist mit einer IP67-zertifizierten Dichtung abgedichtet.

12. Einführung in das Technologieprinzip

Diese LED ist ein Halbleiterbauteil, das Licht durch Elektrolumineszenz emittiert. Wenn eine Durchlassspannung an den p-n-Übergang angelegt wird, werden Elektronen und Löcher in den aktiven Bereich injiziert, wo sie rekombinieren. Die bei dieser Rekombination freigesetzte Energie wird als Photonen (Licht) emittiert. Die Wellenlänge des emittierten Lichts wird durch die Bandlückenenergie des im aktiven Bereich verwendeten Halbleitermaterials bestimmt. Für eine 950nm-Ausgabe werden typischerweise Materialien aus der Gallium-Aluminium-Arsenid (GaAlAs)-Familie verwendet. Das EMC-Gehäuse umschließt den Halbleiterchip, bietet mechanischen Schutz, beherbergt die Primärlinse, die den Strahl formt, und enthält einen Leadframe, der sowohl als elektrische Verbindung als auch als primärer Weg für die Wärmeleitung vom Chip weg dient.

13. Branchentrends & Entwicklungen

Der Infrarot-LED-Markt wird durch die wachsende Nachfrage in den Bereichen Sicherheit, Automobil (LiDAR, Fahrerüberwachung) und Unterhaltungselektronik (Gesichtserkennung) angetrieben. Zu den wichtigsten Trends gehören:

• Höhere Leistung & Effizienz: Kontinuierliche Entwicklung von Chip- und Gehäusetechnologien, um mehr Strahlungsleistung pro Flächeneinheit (W/mm²) und einen höheren Gesamtwirkungsgrad (optische Leistung / elektrische Leistung) zu liefern.
• Fortschrittliche Gehäusetechnik: Einführung von Chip-Scale-Packages (CSP), Flip-Chip-Designs und verbesserten thermischen Schnittstellen, um die Wärme von immer leistungsstärkeren Bauteilen zu managen.
• Multi-Wellenlängen & VCSELs: Wachstum von Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasern (VCSELs) für strukturierte Licht- und Time-of-Flight-Anwendungen, die im Vergleich zu herkömmlichen kantenemittierenden LED-Chips unterschiedliche Strahleigenschaften bieten.
• Integration: Bewegung hin zu integrierten Modulen, die die LED, den Treiber, die Optik und manchmal einen Sensor in einer einzigen kompakten Einheit kombinieren, um das Design für Endanwender zu vereinfachen.