SMD-LED 23-21B Brilliant Orange Datenblatt - Gehäuse 2.0x1.25x0.8mm - Spannung 1.75-2.35V - Leistung 60mW - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die 23-21B ist eine oberflächenmontierbare (SMD) LED, die für Anwendungen konzipiert ist, die eine leuchtend orange Anzeige- oder Hintergrundbeleuchtungsquelle erfordern. Sie nutzt einen AlGaInP-Chip (Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid), um ihre charakteristische orange Farbe mit einer wasserklaren Harzverkapselung zu erzeugen. Diese Komponente ist deutlich kleiner als herkömmliche LEDs mit Anschlussrahmen, ermöglicht eine höhere Packungsdichte auf Leiterplatten (PCBs), reduziert die Gerätegröße und verringert das Gesamtgewicht des Produkts, was sie ideal für platzbeschränkte und miniaturisierte Anwendungen macht.

Zu den Hauptvorteilen dieser LED gehören ihre Kompatibilität mit Standard-Automatikbestückungsanlagen und gängigen Lötverfahren wie Infrarot- und Dampfphasenreflow. Es handelt sich um ein bleifreies Produkt, das der RoHS-Richtlinie, den EU-REACH-Verordnungen und halogenfreien Anforderungen (Br <900 ppm, Cl <900 ppm, Br+Cl < 1500 ppm) entspricht. Das Bauteil wird auf 8-mm-Trägerband geliefert, das auf 7-Zoll-Spulen (178 mm) aufgewickelt ist, um eine effiziente Fertigungshandhabung zu gewährleisten.

2. Technische Spezifikationen und objektive Interpretation

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.

• Sperrspannung (VR):5V. Das Überschreiten dieser Spannung in Sperrrichtung kann zum Durchbruch des pn-Übergangs führen.
• Dauer-Vorwärtsstrom (IF):25 mA. Der maximale Gleichstrom für einen zuverlässigen Dauerbetrieb.
• Spitzen-Vorwärtsstrom (IFP):50 mA. Dieser Impulsstrom (1/10 Tastverhältnis bei 1 kHz) ist für kurzzeitigen, nicht kontinuierlichen Betrieb ausgelegt.
• Verlustleistung (Pd):60 mW. Die maximale Leistung, die das Gehäuse bei einer Umgebungstemperatur (Ta) von 25°C abführen kann. Dieser Wert verringert sich mit steigender Umgebungstemperatur.
• Elektrostatische Entladung (ESD) Human Body Model (HBM):2000V. Dies weist auf ein mittleres Maß an ESD-Robustheit hin. Standard-ESD-Handhabungsvorkehrungen (z.B. geerdete Arbeitsplätze, Handgelenkbänder) werden während der Montage dennoch empfohlen.
• Betriebstemperatur (Topr):-40°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich, für den der Betrieb des Bauteils spezifiziert ist.
• Lagertemperatur (Tstg):-40°C bis +90°C.
• Löttemperatur (Tsol):Reflow-Löten: 260°C Spitzentemperatur für maximal 10 Sekunden. Handlöten: 350°C Lötspitzentemperatur für maximal 3 Sekunden pro Anschluss.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Diese Parameter werden unter Standardtestbedingungen von Ta=25°C und IF=20mA gemessen, sofern nicht anders angegeben. Sie definieren die typische Leistung des Bauteils.

• Lichtstärke (Iv):45,0 bis 112,0 mcd (Millicandela). Die tatsächliche Ausgabe fällt in spezifische Bins (P1, P2, Q1, Q2). Es gilt eine Toleranz von ±11%.
• Abstrahlwinkel (2θ1/2):130 Grad (typisch). Dies ist der volle Winkel, bei dem die Lichtstärke die Hälfte der Spitzenlichtstärke (auf der Achse) beträgt. Er zeigt ein breites Abstrahlverhalten an, das für Anzeigeanwendungen geeignet ist.
• Spitzenwellenlänge (λp):611 nm (typisch). Die Wellenlänge, bei der die spektrale Leistungsverteilung maximal ist.
• Dominante Wellenlänge (λd):600,5 bis 612,5 nm. Dies ist die einzelne Wellenlänge, die das menschliche Auge als Farbe des Lichts wahrnimmt. Sie wird in die Bereiche D8 bis D11 mit einer Toleranz von ±1nm eingeteilt.
• Spektrale Bandbreite (Δλ):17 nm (typisch). Die Breite des emittierten Spektrums bei halber Maximalintensität (FWHM). Eine schmalere Bandbreite deutet auf eine gesättigtere, reine Farbe hin.
• Flussspannung (VF):1,75 bis 2,35 V bei IF=20mA. Diese wird in drei Bereiche (0, 1, 2) mit einer Toleranz von ±0,1V eingeteilt. Eine niedrigere VF führt im Allgemeinen zu höherer Effizienz und geringerer Wärmeentwicklung.
• Sperrstrom (IR):10 μA (max) bei VR=5V. Dies ist ein Leckstrom-Messparameter; das Bauteil ist nicht für den Betrieb in Sperrrichtung ausgelegt.

3. Erklärung des Binning-Systems

Um Farb- und Helligkeitskonsistenz in der Produktion sicherzustellen, werden LEDs anhand wichtiger Parameter in Bins sortiert. Die 23-21B verwendet ein dreidimensionales Binning-System.

3.1 Lichtstärke-Binning (CAT)

Definiert die minimale und maximale Lichtstärke für jeden Bin-Code bei IF=20mA.

• P1:45,0 - 57,0 mcd
• P2:57,0 - 72,0 mcd
• Q1:72,0 - 90,0 mcd
• Q2:90,0 - 112,0 mcd

3.2 Dominante Wellenlänge-Binning (HUE)

Definiert den Farb- (Wellenlängen-) Bereich für jeden Bin-Code.

• D8:600,5 - 603,5 nm
• D9:603,5 - 606,5 nm
• D10:606,5 - 609,5 nm
• D11:609,5 - 612,5 nm

3.3 Flussspannung-Binning (REF)

Gruppiert LEDs nach ihrem Spannungsabfall in Flussrichtung bei IF=20mA, was für die Berechnung des Vorwiderstands und das Netzteil-Design wichtig ist.

• 0:1,75 - 1,95 V
• 1:1,95 - 2,15 V
• 2:2,15 - 2,35 V

4. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere Kennlinien, die das Verhalten des Bauteils unter verschiedenen Bedingungen veranschaulichen.

4.1 Relative Lichtstärke vs. Vorwärtsstrom

Diese Kurve zeigt, dass die Lichtstärke mit dem Vorwärtsstrom zunimmt, die Beziehung jedoch nicht perfekt linear ist, insbesondere bei höheren Strömen. Sie unterstreicht die Bedeutung, die LED mit ihrem spezifizierten Teststrom (20mA) zu betreiben, um die Nennlichtstärke zu erreichen.

4.2 Relative Lichtstärke vs. Umgebungstemperatur

Dieses Diagramm zeigt den bei LEDs üblichen thermischen Quenching-Effekt: Mit steigender Sperrschichttemperatur (aufgrund erhöhter Umgebungstemperatur oder Eigenerwärmung) nimmt die Lichtausgabe ab. Die Ausgabe ist bei 25°C auf 100% normiert. Entwickler müssen diese Entwertung in Anwendungen mit hohen Umgebungstemperaturen berücksichtigen.

3.3 Vorwärtsstrom-Entwertungskurve

Dies ist ein entscheidendes Werkzeug für das Design. Sie zeigt den maximal zulässigen Dauer-Vorwärtsstrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Mit steigender Umgebungstemperatur muss der maximal sichere Strom reduziert werden, um zu verhindern, dass die maximale Sperrschichttemperatur und die Nennverlustleistung des Bauteils überschritten werden. Bei 85°C ist der maximale Dauerstrom beispielsweise deutlich niedriger als der Nennwert von 25mA bei 25°C.

4.4 Flussspannung vs. Vorwärtsstrom

Diese IV-Kennlinie (Strom-Spannung) zeigt die für eine Diode typische exponentielle Beziehung. Die Flussspannung steigt mit dem Strom. Die Steigung der Kurve im Arbeitsbereich hilft, den dynamischen Widerstand der LED zu bestimmen.

4.5 Abstrahlcharakteristik

Ein Polardiagramm, das die räumliche Verteilung der Lichtintensität veranschaulicht. Die 23-21B zeigt ein typisches lambertisches oder nahezu lambertisches Muster, wobei die Intensität abnimmt, wenn sich der Betrachtungswinkel von der Mittelachse (0°) entfernt.

4.6 Spektrale Verteilung

Ein Diagramm der relativen Intensität gegenüber der Wellenlänge, zentriert um die Spitzenwellenlänge von ~611 nm. Es bestätigt die monochromatische Natur des AlGaInP-Chips mit einer definierten spektralen Bandbreite.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen

Die LED hat einen kompakten SMD-Fußabdruck. Wichtige Abmessungen (in mm, Toleranz ±0,1mm sofern nicht anders angegeben) umfassen:

- Gesamtlänge: 2,0 mm

- Gesamtbreite: 1,25 mm

- Gesamthöhe: 0,8 mm

- Kathodenkennzeichnung: Eine Fase oder Markierung auf dem Gehäuse kennzeichnet den Kathoden- (negativen) Anschluss. Die korrekte Polarisationsausrichtung während der Platzierung ist entscheidend.

5.2 Empfohlenes PCB-Pad-Layout

Ein empfohlenes Pad-Layout wird bereitgestellt, um zuverlässiges Löten und korrekte mechanische Ausrichtung zu gewährleisten. Das Pad-Design berücksichtigt die Anschlüsse der Komponente und ermöglicht die Bildung eines angemessenen Lötfilets. Die Befolgung dieser Empfehlung hilft, "Tombstoning" zu verhindern und eine gute thermische und elektrische Verbindung sicherzustellen.

6. Löt- und Montagerichtlinien

6.1 Reflow-Lötprofil (bleifrei)

Für bleifreies Lot wird ein spezifisches Temperaturprofil empfohlen:

- Vorwärmen: 150-200°C für 60-120 Sekunden.

- Zeit oberhalb Liquidus (217°C): 60-150 Sekunden.

- Spitzentemperatur: maximal 260°C, nicht länger als 10 Sekunden gehalten.

- Aufheizrate: maximal 6°C/Sekunde bis 255°C, dann maximal 3°C/Sekunde bis zur Spitze.

- Abkühlrate: Kontrolliert, um thermische Spannungen zu minimieren.

Wichtig:Reflow-Löten sollte nicht mehr als zweimal am selben Bauteil durchgeführt werden.

6.2 Handlöten

Falls manuelle Reparatur notwendig ist, ist äußerste Vorsicht geboten:

- Lötspitzentemperatur: < 350°C.

- Kontaktzeit pro Anschluss: < 3 Sekunden.

- Lötkolbenleistung: < 25W.

- Zwischen dem Löten jedes Anschlusses sollte ein Mindestabstand von 2 Sekunden eingehalten werden.

- Für das Entfernen wird ein Doppelspitzen-Lötkolben empfohlen, um beide Anschlüsse gleichmäßig zu erwärmen und mechanische Spannungen zu vermeiden.

6.3 Lagerung und Feuchtigkeitsempfindlichkeit

Die LEDs sind in einer feuchtigkeitsbeständigen Barrieretüte mit Trockenmittel verpackt, um die Aufnahme von Luftfeuchtigkeit zu verhindern, die während des Reflow-Lötens zu "Popcorning" (Gehäuserissen) führen kann.

- Die Tüte erst öffnen, wenn die Teile verwendet werden sollen.

- Nach dem Öffnen sollten unbenutzte Teile bei ≤30°C und ≤60% relativer Luftfeuchtigkeit (RH) gelagert werden.

- Die "Floor Life" nach dem Öffnen der Tüte beträgt 168 Stunden (7 Tage).

- Wird die Floor Life überschritten oder zeigt der Trockenmittelindikator Sättigung an, ist vor dem Reflow-Löten ein Ausheizen bei 60 ±5°C für 24 Stunden erforderlich.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

7.1 Spulen- und Band-Spezifikationen

Das Bauteil wird in geprägter Trägerbandverpackung geliefert:

- Bandbreite: 8 mm.

- Spulendurchmesser: 7 Zoll (178 mm).

- Menge pro Spule: 2000 Stück.

- Die Spulenabmessungen (Nabe, Flansch) werden für die Kompatibilität mit automatischen Zuführern angegeben.

7.2 Etikettenerklärung

Das Spulenetikett enthält wichtige Informationen für die Rückverfolgbarkeit und korrekte Anwendung:

- CPN: Kundenspezifische Artikelnummer (optional).

- P/N: Hersteller-Artikelnummer (23-21B/S2C-AP1Q2B/2A).

- QTY: Verpackungsmenge.

- CAT: Lichtstärke-Bin-Code (z.B. Q2).

- HUE: Dominante Wellenlänge-Bin-Code (z.B. D10).

- REF: Flussspannung-Bin-Code (z.B. 1).

- LOT No.: Fertigungslosnummer für die Rückverfolgbarkeit.

8. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

8.1 Typische Anwendungen

• Hintergrundbeleuchtung:Armaturenbrett-Anzeigen, Schalterbeleuchtung, Tastaturen.
• Telekommunikation:Statusanzeigen und Hintergrundbeleuchtung in Telefonen, Faxgeräten und Netzwerkgeräten.
• Unterhaltungselektronik:Symbol- und Statusanzeige in verschiedenen tragbaren und fest installierten Geräten.
• Allgemeine Anzeigezwecke:Jede Anwendung, die eine helle, zuverlässige orange Anzeige erfordert.

8.2 Kritische Designüberlegungen

1. Strombegrenzung:Ein externer strombegrenzender Widerstand istabsolut zwingend erforderlich. Die exponentielle V-I-Kennlinie der LED bedeutet, dass eine kleine Spannungserhöhung einen großen, zerstörerischen Stromanstieg verursachen kann. Der Widerstandswert (R) wird mit dem Ohmschen Gesetz berechnet: R = (Versorgungsspannung - VF) / IF, wobei VF der Maximalwert aus dem Bin sein sollte (z.B. 2,35V), um unter allen Bedingungen einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.
2. Thermisches Management:Berücksichtigen Sie die Entwertungskurven. In Umgebungen mit hoher Umgebungstemperatur oder bei Betrieb nahe dem Maximalstrom müssen Sie ausreichend Kupferfläche auf der Leiterplatte oder andere Mittel zur Wärmeableitung sicherstellen, um die Sperrschichttemperatur innerhalb sicherer Grenzen zu halten.
3. ESD-Schutz:Obwohl für 2000V HBM ausgelegt, ist es in ESD-gefährdeten Umgebungen (z.B. benutzerzugängliche Anzeigen) eine gute Praxis, Transientenspannungsunterdrückungsdioden (TVS) oder Widerstände in empfindlichen Leitungen zu integrieren.
4. Optisches Design:Der breite Abstrahlwinkel von 130° bietet gute Sichtbarkeit außerhalb der Achse. Für Anwendungen, die einen stärker fokussierten Strahl erfordern, wären Sekundäroptiken (Linsen) erforderlich.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die 23-21B, basierend auf AlGaInP-Technologie, bietet deutliche Vorteile für Orange-/Rot-Farbanwendungen im Vergleich zu anderen Technologien wie phosphorkonvertierten weißen LEDs oder älteren GaAsP-Bauteilen.

• vs. Phosphorkonvertierte LEDs:AlGaInP bietet im Orange-Rot-Spektrum eine höhere Lichtausbeute und gesättigtere Farbreinheit ohne die mit der Phosphorkonvertierung verbundenen Effizienzverluste.
• vs. Ältere GaAsP-LEDs:Die AlGaInP-Technologie bietet eine deutlich höhere Helligkeit und bessere Temperaturstabilität.
• vs. Größere bedrahtete LEDs:Das SMD-Gehäuse ermöglicht automatisierte Montage, reduziert den Platzbedarf auf der Platine und verbessert die Zuverlässigkeit, indem gebogene Anschlüsse und manuelle Einsteckfehler entfallen.
• Wesentlicher Unterscheidungsfaktor:Die Kombination aus einer spezifischen leuchtend orangen Farbe von einem direkt emittierenden Halbleiter, einem kompakten SMD-Gehäuse und der Einhaltung moderner Umweltvorschriften (RoHS, halogenfrei) macht sie für zeitgemäße Elektronikdesigns geeignet.

10. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F1: Welchen Widerstandswert sollte ich mit einer 5V-Versorgung verwenden?

A1: Unter Verwendung des ungünstigsten maximalen VF von 2,35V und des gewünschten IF von 20mA: R = (5V - 2,35V) / 0,020A = 132,5 Ohm. Der nächsthöhere Standardwert (z.B. 150 Ohm) wäre eine sichere Wahl, was zu IF ≈ 17,7mA führt.

F2: Kann ich diese LED mit 30mA für mehr Helligkeit betreiben?

A2: Der absolute Maximalwert für den Dauer-Vorwärtsstrom beträgt 25mA. Ein Betrieb mit 30mA überschreitet diesen Wert, was die Zuverlässigkeit und Lebensdauer verringern, übermäßige Wärme verursachen und möglicherweise zu sofortigem Ausfall führen kann. Immer innerhalb der spezifizierten Grenzen betreiben.

F3: Der Lichtstärke-Bin ist Q2 (90-112 mcd). Welche Ausgabe kann ich in meinem Design erwarten?

A3: Sie können konservativ für den Minimalwert von 90 mcd auslegen. Das tatsächlich erhaltene Bauteil liegt zwischen 90 und 112 mcd. Die Toleranz von ±11% gilt für die Bin-Grenzen, daher könnte ein spezifisches als Q2 gekennzeichnetes Bauteil theoretisch bei ~80 mcd oder bis zu ~124 mcd liegen, obwohl es innerhalb des Q2-Bereichs sein wird.

F4: Wie interpretiere ich das Lötprofil-Diagramm?

A4: Das Diagramm zeigt Temperatur (Y-Achse) gegenüber Zeit (X-Achse). Ihr Reflow-Ofen muss so programmiert werden, dass die an den LED-Anschlüssen gemessene Temperatur diesem Verlauf folgt: ein allmähliches Vorwärmen, ein kontrollierter Anstieg, eine bestimmte Zeit oberhalb des Lötpunktes (217°C), eine kontrollierte Spitzentemperatur (≤260°C) und ein kontrolliertes Abkühlen. Deutliche Abweichungen, insbesondere das Überschreiten der Zeit-Temperatur-Grenzen, können die LED beschädigen.

11. Praktisches Design- und Anwendungsbeispiel

Szenario: Entwurf eines Statusanzeigepanels mit mehreren orangen LEDs.

1. Binning-Auswahl:Für ein einheitliches Erscheinungsbild sollten enge Bins sowohl für die dominante Wellenlänge (HUE, z.B. nur D10) als auch für die Lichtstärke (CAT, z.B. nur Q1) spezifiziert werden. Dies stellt sicher, dass alle Anzeigen nahezu identische Farbe und Helligkeit haben.
2. Schaltungsdesign:Verwendung einer 3,3V-Mikrocontroller-Versorgung. Angenommen VF-Bin "1" (max 2,15V) und Zielstrom 15mA für geringeren Stromverbrauch: R = (3,3V - 2,15V) / 0,015A = 76,7 Ohm. Verwenden Sie einen 75-Ohm-Widerstand. Leistung im Widerstand: (1,15V^2)/75Ω ≈ 18mW. Verwenden Sie einen 1/10W oder größeren Widerstand.
3. PCB-Layout:Platzieren Sie die LED gemäß dem empfohlenen Pad-Layout. Fügen Sie eine kleine Kupferfläche hinzu, die mit dem Kathodenpad verbunden ist, um die Wärmeableitung zu unterstützen, insbesondere wenn mehrere LEDs nahe beieinander platziert sind.
4. Montage:Spulen bis zum Einlegen in die Bestückungsmaschine in versiegelten Tüten aufbewahren. Befolgen Sie das Reflow-Profil genau. Vermeiden Sie nach der Montage das Biegen der Leiterplatte in der Nähe der LEDs.

12. Einführung in das Funktionsprinzip

Die 23-21B-LED arbeitet nach dem Prinzip der Elektrolumineszenz in einem Halbleiter-pn-Übergang. Der aktive Bereich besteht aus epitaktisch auf einem Substrat gewachsenen AlGaInP-Schichten (Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid). Wird eine Flussspannung angelegt, die die Diffusionsspannung des Übergangs übersteigt, werden Elektronen aus dem n-dotierten Bereich und Löcher aus dem p-dotierten Bereich in den aktiven Bereich injiziert. Dort rekombinieren sie strahlend und setzen Energie in Form von Photonen (Licht) frei. Die spezifische Zusammensetzung der AlGaInP-Legierung bestimmt die Bandlückenenergie, die direkt die Wellenlänge (Farbe) des emittierten Lichts vorgibt – in diesem Fall leuchtend orange (~611 nm). Das wasserklare Epoxidharz verkapselt den Chip, bietet mechanischen Schutz und wirkt als Primärlinse, die das Lichtausgabemuster formt.

13. Technologietrends und Kontext

SMD-LEDs wie die 23-21B repräsentieren die Mainstream-Gehäusetechnologie für Anzeige- und Niedrigleistungs-Beleuchtungsanwendungen und haben bedrahtete LEDs weitgehend ersetzt. Der Trend in diesem Bereich geht weiterhin in Richtung:

- Miniaturisierung:Noch kleinere Gehäuseabmessungen (z.B. 0402, 0201 metrisch) für ultrahochdichte Leiterplatten.

- Erhöhte Effizienz:Fortlaufende Verbesserungen im epitaktischen Wachstum und Chipdesign führen zu höherer Lichtausbeute (mehr Lichtausbeute pro elektrischem Watt).

- Verbesserte Zuverlässigkeit:Verbesserte Gehäusematerialien und -prozesse führen zu längeren Betriebslebensdauern und besserer Leistung unter rauen Umweltbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit).

- Integration:Wachstum von Multi-Chip-Gehäusen (RGB, mehrfarbig) und LEDs mit integrierten Controllern (ICs) für Smart-Lighting-Anwendungen.

- Erweitertes Spektrum:Entwicklung von Halbleitermaterialien, um effizient Farben im gesamten sichtbaren Spektrum und im ultravioletten (UV) und infraroten (IR) Bereich zu erzeugen. Während AlGaInP den Rot-Orange-Bernstein-Gelb-Bereich dominiert, werden andere Materialien wie InGaN für blaue, grüne und weiße LEDs verwendet.

Die 23-21B fügt sich in diese Landschaft als eine zuverlässige, standardisierte Komponente ein, die für ihre Zielfarbe und Anwendungsbereich ein Gleichgewicht aus Leistung, Größe und Kosten bietet.