SMD LED 0201 Blau Datenblatt - Abmessungen 0,6x0,3x0,25mm - Spannung 2,4-3,3V - Leistung 99mW - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Dieses Dokument beschreibt die Spezifikationen einer Miniatur-Oberflächenmontage-Leuchtdiode (SMD-LED) im 0201-Gehäuseformat. Das Bauteil ist für die automatisierte Leiterplattenbestückung (PCB) konzipiert und ideal für platzbeschränkte Anwendungen. Es nutzt einen InGaN-Halbleiterwerkstoff (Indiumgalliumnitrid) zur Erzeugung von blauem Licht mit einer wasserklaren Linse und bietet einen breiten Betrachtungswinkel, der sich für verschiedene Anzeige- und Hintergrundbeleuchtungszwecke eignet.

1.1 Merkmale

• Konform mit der RoHS-Richtlinie (Beschränkung gefährlicher Stoffe).
• Verpackt auf 12 mm breitem Trägerband, aufgewickelt auf 7-Zoll-Spulen für die automatisierte Bestückung.
• Standardisierter EIA-Gehäusefußabdruck (Electronic Industries Alliance).
• Eingang kompatibel mit Standard-IC-Logikpegeln (Integrierter Schaltkreis).
• Konzipiert für die Kompatibilität mit automatischen Oberflächenmontage-Bestückungsgeräten.
• Geeignet für die Verwendung in Infrarot-Reflow-Lötprozessen.
• Vorkonditioniert entsprechend JEDEC Feuchtesensitivitätsstufe 3 (Joint Electron Device Engineering Council).

1.2 Anwendungen

Diese LED ist für eine breite Palette elektronischer Geräte vorgesehen, die eine zuverlässige, kompakte Statusanzeige erfordern. Typische Anwendungsbereiche sind:

• Telekommunikationsgeräte (z. B. schnurlose Telefone, Mobiltelefone).
• Büroautomatisierungsgeräte (z. B. Notebook-Computer, Netzwerksysteme).
• Haushaltsgeräte und Unterhaltungselektronik.
• Industrielle Steuerungs- und Überwachungsgeräte.
• Status- und Stromversorgungsanzeigen.
• Signal- und Symbolbeleuchtung.
• Frontplatten- und Tastatur-Hintergrundbeleuchtung.

2. Tiefgehende Interpretation der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Die folgenden Parameter definieren die Grenzwerte, bei deren Überschreitung dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Verlustleistung (Pd):99 mW. Dies ist die maximale Leistung, die das LED-Gehäuse als Wärme abführen kann, ohne seine maximale Sperrschichttemperatur zu überschreiten.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP):100 mA. Dies ist der maximal zulässige momentane Durchlassstrom, typischerweise unter gepulsten Bedingungen spezifiziert (1/10 Tastverhältnis, 0,1 ms Pulsbreite), um Überhitzung zu verhindern.
• DC-Durchlassstrom (I_F):30 mA. Dies ist der maximale empfohlene kontinuierliche Durchlassstrom für einen zuverlässigen Dauerbetrieb.
• Betriebstemperaturbereich (T_opr):-40°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich, in dem das Bauteil korrekt funktionieren soll.
• Lagertemperaturbereich (T_stg):-40°C bis +100°C. Der Temperaturbereich für die Lagerung des Bauteils im stromlosen Zustand.

2.2 Elektrische / Optische Kenngrößen

Diese Parameter werden bei einer Standard-Umgebungstemperatur (T_a) von 25°C gemessen und definieren die typische Leistung des Bauteils.

• Lichtstärke (I_V):400 - 1040 mcd (Millicandela) bei I_F= 20mA. Dies misst die vom menschlichen Auge wahrgenommene Helligkeit der LED, gefiltert entsprechend der CIE photopischen Empfindlichkeitskurve. Der große Bereich deutet auf ein Binning-System hin.
• Betrachtungswinkel (2θ_1/2):110 Grad (typisch). Dies ist der volle Winkel, bei dem die Lichtstärke die Hälfte ihres maximalen axialen Wertes beträgt. Ein Winkel von 110° bietet ein sehr breites Abstrahlmuster.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λ_P):466 nm (typisch). Die Wellenlänge, bei der die optische Ausgangsleistung maximal ist.
• Dominante Wellenlänge (λ_d):466 - 476 nm bei I_F= 20mA. Dies ist die einzelne Wellenlänge, die die wahrgenommene Farbe des Lichts am besten repräsentiert, abgeleitet aus dem CIE-Farbdiagramm.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):35 nm (typisch). Die spektrale Bandbreite, gemessen bei halber maximaler Intensität (Full Width at Half Maximum - FWHM). Ein Wert von 35 nm ist charakteristisch für InGaN-blaue LEDs.
• Durchlassspannung (V_F):2,4 - 3,3 V bei I_F= 20mA. Der Spannungsabfall über der LED beim Betrieb mit dem spezifizierten Strom. Der Bereich deutet auf verschiedene Spannungs-Bins hin.
• Sperrstrom (I_R):10 μA (max.) bei V_R= 5V. Der geringe Leckstrom bei angelegter Sperrspannung. Das Bauteil ist nicht für den Sperrbetrieb ausgelegt; dieser Parameter dient hauptsächlich zur IR-Testvalidierung.

3. Erklärung des Binning-Systems

Um die Konsistenz in der Produktion sicherzustellen, werden LEDs anhand wichtiger Parameter in Bins sortiert. Dies ermöglicht es Konstrukteuren, Bauteile auszuwählen, die spezifische Anforderungen an Farbe, Helligkeit und Durchlassspannung erfüllen.

3.1 Durchlassspannung (V_F) Rang

Sortiert bei einem Prüfstrom von 20mA. Die Toleranz für jedes Bin beträgt ±0,1V.

• Bin F4:2,4V (Min.) bis 2,7V (Max.)
• Bin F5:2,7V (Min.) bis 3,0V (Max.)
• Bin F6:3,0V (Min.) bis 3,3V (Max.)

3.2 Lichtstärke (I_V) Rang

Sortiert bei einem Prüfstrom von 20mA. Die Toleranz für jedes Helligkeits-Bin beträgt ±11%.

• Bin T2:400,0 mcd (Min.) bis 540,0 mcd (Max.)
• Bin U1:540,0 mcd (Min.) bis 750,0 mcd (Max.)
• Bin U2:750,0 mcd (Min.) bis 1040,0 mcd (Max.)

3.3 Farbton (Dominante Wellenlänge) Rang

Sortiert bei einem Prüfstrom von 20mA. Die Toleranz für jedes Bin beträgt ±1nm.

• Bin AC:466,0 nm (Min.) bis 471,0 nm (Max.)
• Bin AD:471,0 nm (Min.) bis 476,0 nm (Max.)

4. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt verweist auf typische Leistungskurven, die für das Verständnis des Bauteilverhaltens unter verschiedenen Bedingungen wesentlich sind. Obwohl spezifische Grafiken nicht im Text wiedergegeben sind, werden ihre Implikationen im Folgenden analysiert.

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

Die I-V-Charakteristik ist nichtlinear, typisch für eine Diode. Die Durchlassspannung (V_F) hat einen positiven Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass sie bei einem gegebenen Strom mit steigender Sperrschichttemperatur leicht abnimmt. Konstrukteure müssen dies bei der Auslegung von strombegrenzenden Schaltungen berücksichtigen, um einen stabilen Betrieb über den gesamten Temperaturbereich sicherzustellen.

4.2 Lichtstärke vs. Durchlassstrom

Die Lichtstärke ist im sicheren Betriebsbereich im Allgemeinen proportional zum Durchlassstrom. Die Effizienz kann jedoch bei sehr hohen Strömen aufgrund erhöhter Wärmeentwicklung (Droop-Effekt) sinken. Ein Betrieb bei oder unterhalb des empfohlenen Wertes von 20mA gewährleistet optimale Effizienz und Langlebigkeit.

4.3 Spektrale Verteilung

Die spektrale Ausgangskurve ist um die Spitzenwellenlänge von 466 nm mit einer FWHM von etwa 35 nm zentriert. Dies definiert die Reinheit der blauen Farbe. Die für das Binning verwendete dominante Wellenlänge wird aus diesem Spektrum gewichtet nach der Empfindlichkeit des menschlichen Auges berechnet.

4.4 Temperaturcharakteristiken

Die LED-Leistung ist temperaturabhängig. Die Lichtstärke nimmt typischerweise mit steigender Sperrschichttemperatur ab. Die Betriebs- und Lagerungstemperaturbereiche (-40°C bis +85°C bzw. -100°C) stellen sicher, dass die Integrität des Halbleitermaterials und des Gehäuses erhalten bleibt.

5. Mechanische und Verpackungsinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil entspricht dem 0201-Gehäusestandard. Wichtige Abmessungen (in Millimetern) sind eine Gehäuselänge von ca. 0,6 mm, eine Breite von 0,3 mm und eine Höhe von 0,25 mm. Alle Maßtoleranzen betragen ±0,2 mm, sofern nicht anders angegeben. Anode und Kathode sind klar gekennzeichnet, um die korrekte Ausrichtung auf der Leiterplatte zu gewährleisten.

5.2 Empfohlener Leiterplatten-Lötpad

Ein Lötflächenmuster (Footprint) wird für Infrarot- oder Dampfphasen-Reflow-Lötung bereitgestellt. Die Einhaltung dieses empfohlenen Pad-Layouts ist entscheidend für zuverlässige Lötstellen, eine korrekte Selbstausrichtung während des Reflow und eine effektive Wärmeableitung vom LED-Chip.

5.3 Band- und Spulenverpackung

Die LEDs werden in geprägter Trägerbandverpackung mit einer Breite von 12 mm geliefert. Das Band ist auf Spulen mit einem Durchmesser von 7 Zoll (178 mm) aufgewickelt. Standardmengen pro Spule sind 4000 Stück, mit einer Mindestpackmenge von 500 Stück für Restposten. Die Verpackung folgt den ANSI/EIA-481-Spezifikationen, um die Kompatibilität mit automatischen Bestückungsgeräten sicherzustellen.

6. Löt- und Bestückungsrichtlinien

6.1 IR-Reflow-Lötprofil

Ein empfohlenes Reflow-Profil, das mit J-STD-020B für bleifreie Prozesse konform ist, wird bereitgestellt. Wichtige Parameter sind:

• Vorwärmen:150-200°C maximal.
• Vorwärmzeit:120 Sekunden maximal.
• Spitzentemperatur:260°C maximal.
• Zeit oberhalb Liquidus:10 Sekunden maximal (empfohlen für maximal zwei Reflow-Zyklen).

Es ist entscheidend zu beachten, dass das optimale Profil vom spezifischen Leiterplattendesign, der Lotpaste und dem Ofen abhängt. Das bereitgestellte Profil dient als generisches Ziel basierend auf JEDEC-Standards.

6.2 Handlötung

Falls Handlötung notwendig ist, ist aufgrund der Miniaturgröße äußerste Vorsicht geboten. Empfehlungen umfassen:

• Lötkolbentemperatur:300°C maximal.
• Lötzeit:3 Sekunden maximal pro Lötstelle.
• Wärme auf den Leiterplatten-Pad, nicht direkt auf das LED-Gehäuse aufbringen.

6.3 Reinigung

Falls eine Nachlötreinigung erforderlich ist, sollten nur spezifizierte Lösungsmittel verwendet werden. Das Eintauchen der LED in Ethylalkohol oder Isopropylalkohol bei Raumtemperatur für weniger als eine Minute ist akzeptabel. Nicht spezifizierte Chemikalien können die Epoxidlinse oder das Gehäuse beschädigen.

6.4 Lagerung und Feuchtesensitivität

Die LEDs sind feuchteempfindlich (MSL 3).

• Verschlossene Verpackung:Lagern bei ≤30°C und ≤70% relativer Luftfeuchtigkeit (RH). Innerhalb eines Jahres nach dem Verpackungsdatum verwenden.
• Geöffnete Verpackung:Lagern bei ≤30°C und ≤60% RH. Es wird empfohlen, die IR-Reflow-Lötung innerhalb von 168 Stunden (7 Tagen) nach dem Öffnen abzuschließen.
• Längere Lagerung (geöffnet):In einem verschlossenen Behälter mit Trockenmittel oder in einem Stickstoff-Exsikkator lagern.
• Exposition >168 Std.:LEDs müssen vor dem Löten bei etwa 60°C für mindestens 48 Stunden getrocknet (gebrannt) werden, um aufgenommene Feuchtigkeit zu entfernen und ein \"Popcorning\" während des Reflow zu verhindern.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsschaltungen

Diese LED benötigt einen Strombegrenzungsmechanismus, wenn sie von einer Spannungsquelle angetrieben wird, die höher als ihre Durchlassspannung ist. Die einfachste Methode ist ein Vorwiderstand. Der Widerstandswert (R_s) kann mit dem Ohmschen Gesetz berechnet werden: R_s= (V_versorgung- V_F) / I_F. Zum Beispiel, mit einer 5V-Versorgung, einer V_Fvon 3,0V (typisch) und einem gewünschten I_Fvon 20mA, R_s= (5V - 3,0V) / 0,020A = 100 Ω. Die Belastbarkeit des Widerstands sollte mindestens I_F²* R_s.

7.2 Konstruktionsüberlegungen

• Stromversorgung:Die LED immer mit einem Konstantstrom oder einer Spannungsquelle mit einem Vorwiderstand betreiben. Ein direkter Anschluss an eine Spannungsquelle, die V_Fübersteigt, führt zu übermäßigem Strom und schnellem Ausfall.
• Thermisches Management:Obwohl die Verlustleistung gering ist, hilft eine ausreichende Kupferfläche auf der Leiterplatte um die Pads herum bei der Wärmeableitung, insbesondere in Umgebungen mit hoher Umgebungstemperatur oder bei Betrieb mit höheren Strömen.
• ESD-Schutz:Obwohl nicht explizit als empfindlich angegeben, ist der Umgang mit allen Halbleiterbauelementen unter angemessenen ESD-Vorsichtsmaßnahmen (Elektrostatische Entladung) eine gute Praxis.
• Optisches Design:Der breite 110°-Betrachtungswinkel macht sie für Anwendungen geeignet, die eine große Sichtbarkeit erfordern. Für fokussiertes Licht können externe Linsen oder Lichtleiter notwendig sein.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die primären Unterscheidungsmerkmale dieser LED sind ihr extrem kompakter 0201-Fußabdruck und ihr spezifischer Blauton (466-476 nm dominante Wellenlänge). Im Vergleich zu größeren Gehäusen (z. B. 0603, 0805) bietet das 0201-Gehäuse erhebliche Platzersparnis auf der Leiterplatte und ermöglicht höhere Packungsdichten. Die InGaN-Technologie ermöglicht eine effiziente blaue Lichtemission. Die Kombination aus breitem Betrachtungswinkel und klarer Linse ergibt eine helle, diffuse Lichtquelle, ideal für Statusanzeigen, bei denen der Betrachtungswinkel nicht eingeschränkt ist. Das detaillierte Binning-System ermöglicht eine präzise Auswahl in Anwendungen, die eine enge Farb- oder Helligkeitsabstimmung über mehrere LEDs hinweg erfordern.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

9.1 Was ist der Unterschied zwischen Spitzenwellenlänge und dominanter Wellenlänge?

Spitzenwellenlänge (λ_P) ist die physikalische Wellenlänge, bei der die LED die meiste optische Leistung emittiert. Dominante Wellenlänge (λ_d) ist ein berechneter Wert, der die einzelne Wellenlänge von monochromatischem Licht repräsentiert, die für das menschliche Auge die gleiche Farbe wie die LED-Ausgabe zu haben scheint. λ_dist daher relevanter für die Farbspezifikation und das Binning.

9.2 Kann ich diese LED dauerhaft mit 30mA betreiben?

Obwohl der absolute Maximalwert für den DC-Durchlassstrom 30 mA beträgt, ist der typische Testzustand und empfohlene Betriebspunkt für die veröffentlichten optischen Spezifikationen 20 mA. Ein Betrieb bei 30 mA kann eine höhere Lichtausbeute erzeugen, erzeugt aber auch mehr Wärme, was möglicherweise die Lebensdauer verringert und die Farbe verschiebt. Für einen zuverlässigen Dauerbetrieb ist es ratsam, die Schaltung für 20 mA oder weniger auszulegen.

9.3 Warum gibt es eine Sperrstromspezifikation, wenn das Bauteil nicht für den Sperrbetrieb ausgelegt ist?

Die Sperrstromspezifikation (I_R) ist ein Qualitätskontrollparameter, der während der Produktionstests (IR-Test) gemessen wird. Sie stellt die Integrität des Halbleiterübergangs sicher. In der Anwendung sollte niemals absichtlich eine Sperrspannung angelegt werden, da das Bauteil nicht dafür ausgelegt ist, signifikante Sperrspannungen zu blockieren, und beschädigt werden könnte.

9.4 Wie interpretiere ich die Bin-Codes bei der Bestellung?

Um sicherzustellen, dass Sie LEDs mit konsistenter Leistung erhalten, sollten Sie die Bin-Codes für Durchlassspannung (F4/F5/F6), Lichtstärke (T2/U1/U2) und dominante Wellenlänge (AC/AD) basierend auf Ihren Konstruktionsanforderungen angeben. Eine Bestellung könnte beispielsweise Bauteile aus Bin F5, U1, AC für mittlere Spannung, mittlere bis hohe Helligkeit und einen bläulicheren Farbton spezifizieren.

10. Praktischer Anwendungsfall

Szenario: Entwurf einer kompakten Statusanzeige für ein Wearable-Gerät.Das Gerät hat eine kleine Leiterplatte mit begrenztem Platz. Eine blaue Einschaltanzeige ist erforderlich. Die 0201-LED wird aufgrund ihres minimalen Platzbedarfs ausgewählt. Das Design verwendet einen 3,3V-Mikrocontroller-GPIO-Pin zur Steuerung der LED. Ein Vorwiderstand wird unter Verwendung der maximalen V_Faus dem gewählten Spannungs-Bin (z. B. Bin F6 max. 3,3V) berechnet, um auch im ungünstigsten Fall von V_Fausreichend Strom sicherzustellen: R_s= (3,3V - 3,3V) / 0,020A = 0 Ω. Dies ist nicht realisierbar. Daher muss ein niedrigeres V_F-Bin (F4 oder F5) gewählt oder die Versorgungsspannung erhöht werden. Die Wahl von Bin F5 (max. V_F=3,0V) und das Hinzufügen eines kleinen Aufwärtswandlers, der 3,6V liefert, ermöglicht R_s= (3,6V - 3,0V) / 0,020A = 30 Ω. Das Leiterplattenlayout sieht moderate Kupferflächen auf den LED-Pads zur Wärmeableitung vor. Die LED wird mit automatischer Bestückung vom 12-mm-Trägerband auf die Platine gesetzt.

11. Funktionsprinzip

Diese LED ist ein Halbleiter-Photonikbauteil. Sie basiert auf einer Heterostruktur aus Indiumgalliumnitrid (InGaN). Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, werden Elektronen und Löcher aus den n- bzw. p-dotierten Halbleiterschichten in die aktive Region injiziert. Diese Ladungsträger rekombinieren strahlend und setzen Energie in Form von Photonen frei. Die spezifische Zusammensetzung der InGaN-Legierung bestimmt die Bandlückenenergie, die wiederum die Wellenlänge (Farbe) des emittierten Lichts bestimmt – in diesem Fall blau. Die wasserklare Epoxidlinse verkapselt den Halbleiterchip, bietet mechanischen Schutz und formt das Lichtaustrittsmuster, um den spezifizierten 110-Grad-Betrachtungswinkel zu erreichen.

12. Entwicklungstrends

Der Trend bei SMD-LEDs für Anzeigeanwendungen geht weiterhin in Richtung Miniaturisierung, erhöhter Effizienz und höherer Zuverlässigkeit. Die Gehäusegrößen haben sich von 0603 über 0402 bis hin zu 0201 und sogar noch kleineren metrischen Äquivalenten wie 01005 entwickelt. Effizienzsteigerungen (höhere Lumen pro Watt) ermöglichen ausreichende Helligkeit bei niedrigeren Betriebsströmen, was den Stromverbrauch und die thermische Belastung reduziert. Fortschritte bei Verpackungsmaterialien und Chip-Bonding-Technologien verbessern die Langzeitzuverlässigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Zyklen. Darüber hinaus liegt ein wachsender Schwerpunkt auf engeren Binning-Toleranzen und anspruchsvolleren Farbmischfähigkeiten für Anwendungen, die eine präzise Farbwiedergabe oder einstellbares Weißlicht erfordern, obwohl dieses spezielle Bauteil ein einfarbiger blauer Emitter ist.