SMD LED 15-21/S2C-AQ2R2B/2T Datenblatt - Leuchtendes Orange - 20mA - 60mW - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die 15-21/S2C-AQ2R2B/2T ist eine oberflächenmontierbare (SMD) LED, die AlGaInP (Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid) Halbleitertechnologie nutzt, um eine leuchtend orange Farbe zu emittieren. Diese Komponente ist für Leiterplattenanwendungen mit hoher Packungsdichte konzipiert, bei denen Platz und Gewicht kritische Einschränkungen darstellen. Ihre kompakte Bauform ermöglicht im Vergleich zu herkömmlichen LEDs mit Anschlussrahmen signifikante Reduzierungen der Platinengröße und Geräteabmessungen.

Die LED ist auf 8 mm breitem Trägerband verpackt, das auf einer 7-Zoll (178 mm) Spule aufgewickelt ist, und ist somit voll kompatibel mit automatischen Bestückungsanlagen. Es handelt sich um einen monochromen Typ, der konform ist mit bleifreien, RoHS-, EU REACH- und halogenfreien Vorschriften (Br <900 ppm, Cl <900 ppm, Br+Cl < 1500 ppm). Das Bauteil eignet sich sowohl für Infrarot- als auch für Dampfphasen-Reflow-Lötprozesse.

2. Vertiefung der technischen Parameter

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):5 V. Das Überschreiten dieser Spannung in Sperrrichtung kann zum Durchbruch des pn-Übergangs führen.
• Dauer-Vorwärtsstrom (IF):25 mA. Der maximale Gleichstrom für einen zuverlässigen Betrieb.
• Spitzen-Vorwärtsstrom (IFP):60 mA. Dieser ist nur unter gepulsten Bedingungen mit einem Tastverhältnis von 1/10 bei 1 kHz zulässig. Er sollte nicht für Dauerbetrieb verwendet werden.
• 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 Temperatur.
• Elektrostatische Entladung (ESD) Human Body Model (HBM):2000 V. Dies gibt die Empfindlichkeit des Bauteils gegenüber statischer Elektrizität an. Richtige ESD-Handhabungsverfahren sind zwingend erforderlich.
• 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:Das Bauteil hält Reflow-Löten mit einer Spitzentemperatur von 260°C für bis zu 10 Sekunden oder Handlöten bei 350°C für bis zu 3 Sekunden pro Anschluss aus.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Diese Parameter werden unter Standardtestbedingungen von Ta=25°C und IF=20 mA gemessen, sofern nicht anders angegeben. Sie definieren die optische und elektrische Leistung der LED.

• Lichtstärke (Iv):Liegt im Bereich von 90,0 mcd (Minimum) bis 180,0 mcd (Maximum), mit einer typischen Toleranz von ±11%. Dies ist die wahrgenommene Helligkeit der Lichtquelle.
• Abstrahlwinkel (2θ1/2):Typischerweise 130 Grad. Dies ist der volle Winkel, bei dem die Lichtstärke halb so groß ist wie bei 0 Grad (auf der Achse).
• Spitzenwellenlänge (λp):Typischerweise 611 nm. Die Wellenlänge, bei der die spektrale Leistungsverteilung maximal ist.
• Dominante Wellenlänge (λd):Liegt im Bereich von 600,5 nm bis 612,5 nm. Dies ist die einzelne Wellenlänge, die der wahrgenommenen Farbe der LED am besten entspricht, mit einer Toleranz von ±1 nm.
• Spektrale Bandbreite (Δλ):Typischerweise 17 nm. Die Breite des Spektrums bei halber Maximalintensität (FWHM).
• Flussspannung (VF):Liegt bei 20 mA im Bereich von 1,75 V (Minimum) bis 2,35 V (Maximum), mit einer Toleranz von ±0,1V.
• Sperrstrom (IR):Maximal 10 μA bei einer angelegten Sperrspannung (VR) von 5V. 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 basierend auf Schlüsselparametern in Bins sortiert. Die Artikelnummer 15-21/S2C-AQ2R2B/2T enthält Bincodes (A, Q2, R2, B).

3.1 Lichtstärke-Binning

LEDs werden nach ihrer gemessenen Lichtstärke bei IF=20mA kategorisiert.

• Bin Q2:90,0 mcd bis 112,0 mcd
• Bin R1:112,0 mcd bis 140,0 mcd
• Bin R2:140,0 mcd bis 180,0 mcd

Das "R2" in der Artikelnummer zeigt an, dass dieses Bauteil in den hellsten Bin dieser Serie fällt.

3.2 Dominantes Wellenlängen-Binning

LEDs werden nach ihrer dominanten Wellenlänge sortiert, um den Farbton zu kontrollieren.

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

Das "A" in der Artikelnummer entspricht wahrscheinlich einem dieser Wellenlängen-Bins (z.B. D10 oder D11 für ein typisches Orange).

3.3 Flussspannungs-Binning

Die Sortierung nach Flussspannung hilft bei der Entwicklung konsistenter Stromtreiberschaltungen.

• Bin 0:1,75 V bis 1,95 V
• Bin 1:1,95 V bis 2,15 V
• Bin 2:2,15 V bis 2,35 V

Das "B" in der Artikelnummer gibt das Flussspannungs-Bin an.

4. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Kurven, die entscheidend für das Verständnis des LED-Verhaltens unter verschiedenen Betriebsbedingungen sind.

4.1 Relative Lichtstärke vs. Vorwärtsstrom

Diese Kurve zeigt, dass die Lichtausbeute nicht linear zum Strom proportional ist. Sie steigt bei höheren Strömen aufgrund von Effizienzabfall und thermischen Effekten sublinear an. Ein Betrieb deutlich über den empfohlenen 20mA kann zu abnehmenden Helligkeitsgewinnen und einer reduzierten Lebensdauer führen.

4.2 Relative Lichtstärke vs. Umgebungstemperatur

Die Lichtstärke nimmt mit steigender Umgebungstemperatur ab. Dies ist eine Eigenschaft von Halbleiter-LEDs. Die Kurve ermöglicht es Konstrukteuren, den Helligkeitsverlust in erhöhten Temperaturumgebungen abzuschätzen, was für Anwendungen wie Automobilarmaturenbretter entscheidend ist.

4.3 Vorwärtsstrom-Derating-Kurve

Dieses Diagramm definiert den maximal zulässigen Dauer-Vorwärtsstrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Mit steigender Temperatur muss der maximale Strom reduziert werden, um innerhalb der Verlustleistungsgrenzen des Bauteils zu bleiben und thermisches Durchgehen zu verhindern.

4.4 Flussspannung vs. Vorwärtsstrom

Diese IV (Strom-Spannungs)-Kurve zeigt die für eine Diode typische exponentielle Beziehung. Die Spannung steigt logarithmisch mit dem Strom. Die Kurve ist wesentlich für die Auslegung des strombegrenzenden Widerstands oder Konstantstromtreibers.

4.5 Abstrahldiagramm und Spektralverteilung

Das Abstrahldiagramm (Polardiagramm) stellt den 130-Grad-Abstrahlwinkel visuell dar. Das Spektralverteilungsdiagramm bestätigt die monochromatische Natur der AlGaInP-LED und zeigt einen einzelnen Peak bei etwa 611 nm mit einer typischen FWHM von 17 nm.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen

Die 15-21 SMD LED hat ein kompaktes rechteckiges Gehäuse. Wichtige Abmessungen (in mm, Toleranz ±0,1 mm sofern nicht anders angegeben) umfassen Gesamtlänge, -breite und -höhe. Das Datenblatt enthält eine detaillierte Zeichnung, die die Chip-Positionierung, Linsenform und den Anschlussrahmen zeigt. Eine Kathodenmarkierung ist auf dem Gehäuse klar angegeben, um die korrekte Polarisationsausrichtung während der Montage zu gewährleisten.

5.2 Polaritätskennzeichnung

Die korrekte Polarität ist essentiell. Das Anlegen einer Sperrspannung über 5V kann die LED sofort beschädigen. Das Gehäuse verfügt über eine deutliche Kathodenkennzeichnung (typischerweise ein grüner Punkt, eine Kerbe oder eine abgeschrägte Ecke), wie in der Abmessungszeichnung dargestellt. Konstrukteure müssen sicherstellen, dass der PCB-Footprint dieser Ausrichtung entspricht.

6. Löt- und Montagerichtlinien

6.1 Reflow-Lötprofil

Ein bleifreies Reflow-Profil ist spezifiziert:

• Vorwärmen:150–200°C für 60–120 Sekunden.
• Zeit oberhalb Liquidus (TAL):Oberhalb 217°C für 60–150 Sekunden.
• Spitzentemperatur:Maximal 260°C, gehalten für maximal 10 Sekunden.
• Aufheizrate:Maximal 6°C/Sek.
• Zeit oberhalb 255°C:Maximal 30 Sekunden.
• Abkühlrate:Maximal 3°C/Sek.

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

6.2 Handlöten

Falls Handlöten notwendig ist, ist äußerste Vorsicht geboten:

• Verwenden Sie einen Lötkolben mit einer Spitzentemperatur unter 350°C.
• Begrenzen Sie die Kontaktzeit auf maximal 3 Sekunden pro Anschluss.
• Verwenden Sie einen Lötkolben mit einer Leistung von 25W oder weniger.
• Lassen Sie zwischen dem Löten jedes Anschlusses ein Intervall von mindestens 2 Sekunden.

Handlöten birgt ein hohes Risiko für thermische Schäden.

6.3 Lagerung und Feuchtigkeitssensitivität

Die LEDs sind in einer feuchtigkeitsbeständigen Barrieretüte mit Trockenmittel verpackt.

• Öffnen Sie die Tüte erst bei Gebrauchsbereitschaft.
• Nach dem Öffnen sollten unbenutzte LEDs bei ≤30°C und ≤60% relativer Luftfeuchtigkeit gelagert werden.
• Die "Floor Life" nach dem Öffnen der Tüte beträgt 168 Stunden (7 Tage).
• Wird die Expositionszeit überschritten oder hat der Trockenmittelindikator die Farbe geändert, ist vor dem Reflow-Löten ein Ausheizen bei 60 ±5°C für 24 Stunden erforderlich, um "Popcorn"-Schäden während des Lötens zu verhindern.

6.4 Kritische Vorsichtsmaßnahmen

• Strombegrenzung:Ein externer strombegrenzender Widerstand ist ZWINGEND ERFORDERLICH. Die exponentielle V-I-Charakteristik der LED bedeutet, dass eine kleine Spannungsänderung eine große Stromänderung verursacht, was ohne Widerstand zum sofortigen Durchbrennen führt.
• Mechanische Belastung:Vermeiden Sie das Ausüben von Belastung auf den LED-Körper während des Lötens oder in der Endanwendung. Verbiegen Sie die Leiterplatte nicht nach der Montage.
• Reparatur:Eine Reparatur nach dem Löten wird dringend abgeraten. Falls unbedingt notwendig, verwenden Sie einen Zweispitzen-Lötkolben, um beide Anschlüsse gleichzeitig zu erhitzen und die Komponente gleichmäßig anzuheben, um Schäden an den Pads zu vermeiden. Überprüfen Sie die LED-Funktionalität nach jedem Reparaturversuch.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

7.1 Spulen- und Band-Spezifikationen

Das Bauteil wird in geprägter Trägerbandverpackung auf einer Spule mit 7 Zoll (178 mm) Durchmesser geliefert.

• Trägerbandbreite:8 mm.
• Taschenabstand:Gemäß der detaillierten Abmessungszeichnung.
• Menge pro Spule:2000 Stück.

Detaillierte Zeichnungen für Spule, Trägerband und Deckbandabmessungen werden mit Toleranzen von ±0,1 mm bereitgestellt, sofern nicht anders angegeben.

7.2 Etikettenerklärung

Das Spulenetikett enthält wichtige Informationen für Rückverfolgbarkeit und korrekte Anwendung:

• CPN:Kundenspezifische Artikelnummer.
• P/N:Hersteller-Artikelnummer (z.B. 15-21/S2C-AQ2R2B/2T).
• QTY:Packungsmenge.
• CAT:Lichtstärke-Rang (z.B. R2).
• HUE:Farbort/Dominante Wellenlänge Rang (z.B. A).
• REF:Flussspannungs-Rang (z.B. B).
• LOT No:Herstellungslosnummer für die Rückverfolgbarkeit.

8. Anwendungsvorschläge

8.1 Typische Anwendungsszenarien

• Automobil-Innenraum:Hintergrundbeleuchtung für Armaturenbrettinstrumente, Schalter und Bedienfelder.
• Telekommunikationsgeräte:Statusanzeigen und Tastatur-Hintergrundbeleuchtung in Telefonen und Faxgeräten.
• Unterhaltungselektronik:Flache Hintergrundbeleuchtung für kleine LCD-Displays, Schalterbeleuchtung und symbolische Anzeigen.
• Allgemeine Indikatorverwendung:Jede Anwendung, die einen kompakten, hellen, orangefarbenen Statusindikator erfordert.

8.2 Design-Überlegungen

• Treiber-Schaltung:Verwenden Sie stets einen Vorwiderstand oder Konstantstromtreiber. Berechnen Sie den Widerstandswert mit R = (Vversorgung - VF) / IF, wobei VF für ein robustes Design aus dem maximalen Bin-Wert (2,35V) gewählt werden sollte.
• Thermisches Management:Obwohl das Gehäuse klein ist, sorgen Sie für ausreichende Kupferfläche auf der Leiterplatte oder thermische Durchkontaktierungen, wenn nahe dem maximalen Strom oder bei hohen Umgebungstemperaturen gearbeitet wird, da Wärme die Lichtausbeute und Lebensdauer reduziert.
• Optisches Design:Der 130-Grad-Abstrahlwinkel bietet einen breiten Strahl. Für fokussierteres Licht können externe Linsen oder Lichtleiter erforderlich sein.
• ESD-Schutz:Implementieren Sie ESD-Schutz auf den Eingangsleitungen, wenn die LED an einem benutzerzugänglichen Ort ist, auch wenn das Bauteil eine 2kV HBM-Bewertung hat.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu älteren Durchsteck-LEDs oder größeren SMD-Gehäusen bietet die 15-21 deutliche Vorteile:

• Größe & Gewicht:Ihr winziger Footprint ermöglicht höhere Packungsdichte und leichtere Endprodukte, was für tragbare und miniaturisierte Geräte entscheidend ist.
• Automatisierungskompatibilität:Die Band-und-Spulen-Verpackung ist für schnelle, automatisierte Bestückung optimiert und reduziert die Herstellungskosten.
• Leistung:Die Verwendung von AlGaInP-Material bietet im orangen/roten Spektralbereich eine hohe Lichtausbeute im Vergleich zu älteren Technologien.
• Konformität:Volle Konformität mit modernen Umweltvorschriften (RoHS, halogenfrei, REACH) ist integriert und vereinfacht den Konformitätsprozess für Endprodukte.

Eine mögliche Überlegung ist die thermische Leistung; die sehr kleine Größe kann die Wärmeableitung im Vergleich zu größeren Gehäusen mit mehr thermischer Masse begrenzen.

10. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

10.1 Welchen Widerstandswert sollte ich bei einer 5V-Versorgung verwenden?

Unter Verwendung der maximalen Flussspannung (2,35V) aus Bin 2 und dem empfohlenen Strom (20mA): R = (5V - 2,35V) / 0,020A = 132,5 Ohm. Der nächstgelegene Standardwert von 130 Ohm oder 150 Ohm wäre geeignet. Überprüfen Sie stets den tatsächlichen Strom im Schaltkreis.

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

Nein. Der absolute Maximalwert für den Dauer-Vorwärtsstrom (IF) beträgt 25 mA. Ein Betrieb mit 30 mA überschreitet diesen Wert, was die Zuverlässigkeit und Lebensdauer erheblich reduziert und sofortigen Ausfall verursachen kann. Verwenden Sie den Spitzenstrom (60mA gepulst) nur bei sehr kurzen Tastverhältnissen, falls notwendig.

10.3 Warum nimmt die Helligkeit ab, wenn die Leiterplatte heiß wird?

Dies ist eine grundlegende Eigenschaft von LED-Halbleitern, wie in der Kurve "Relative Lichtstärke vs. Umgebungstemperatur" gezeigt. Erhöhte Temperatur steigert die nicht-strahlende Rekombination im Halbleiter und reduziert die Effizienz. Ein ordentliches thermisches Design mildert diesen Effekt.

10.4 Die Tüte wurde vor einem Monat geöffnet. Kann ich die LEDs noch verwenden?

Nicht ohne Vorsichtsmaßnahme. Die Feuchtigkeitssensitivitätsstufe erfordert die Verwendung innerhalb von 168 Stunden (7 Tagen) nach dem Öffnen der Tüte. Wird dies überschritten, müssen Sie die LEDs vor dem Reflow-Löten bei 60°C für 24 Stunden ausheizen, um aufgenommene Feuchtigkeit auszutreiben und interne Delamination während des Hochtemperatur-Lötprozesses zu verhindern.

11. Praktisches Design- und Anwendungsbeispiel

Beispiel: Entwurf eines Statusindikator-Panels
Ein Konstrukteur erstellt ein Bedienfeld mit 20 orangefarbenen Statusindikatoren. Er wählt die 15-21/S2C-AQ2R2B/2T aufgrund ihrer Helligkeit (R2-Bin) und kompakten Größe.

1. Schaltungsentwurf:Eine gemeinsame 5V-Schiene wird verwendet. Unter Verwendung einer konservativen VF von 2,35V wird für jede LED ein 150-Ohm-Strombegrenzungswiderstand gewählt, was einen Strom von ~17,7mA ergibt, sicher unter dem Maximum von 25mA.
2. PCB-Layout:Der kompakte Footprint ermöglicht es, alle 20 LEDs in einer einzigen Reihe unterzubringen. Die Kathodenmarkierung auf dem Footprint ist klar mit der Gehäusezeichnung ausgerichtet, um Montagefehler zu vermeiden.
3. Fertigung:Die Band-und-Spulen-Verpackung ermöglicht es dem Leiterplattenbestücker, automatisierte Pick-and-Place-Maschinen zu verwenden, was eine schnelle, genaue und zuverlässige Bestückung aller 20 Komponenten sicherstellt.
4. Ergebnis:Das Panel verfügt über gleichmäßige, hellorangefarbene Indikatoren mit konsistenter Farbe (dank Wellenlängen-Binning) und Helligkeit (dank Intensitäts-Binning), die effizient und zuverlässig hergestellt wurden.

12. Funktionsprinzip

Die 15-21 LED basiert auf AlGaInP (Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid) Halbleitermaterial. Wird eine Flussspannung an den pn-Übergang angelegt, werden Elektronen und Löcher in die aktive Region injiziert. Ihre Rekombination setzt Energie in Form von Photonen (Licht) frei. Die spezifische Zusammensetzung der AlGaInP-Legierung bestimmt die Bandlückenenergie, die direkt die Wellenlänge (Farbe) des emittierten Lichts definiert – in diesem Fall leuchtendes Orange (~611 nm). Die Epoxidharzlinse verkapselt den Halbleiterchip, bietet mechanischen Schutz und formt das Lichtausgangsmuster, um den spezifizierten 130-Grad-Abstrahlwinkel zu erreichen.

13. Entwicklungstrends

Die Entwicklung von SMD-LEDs wie der 15-21 folgt mehreren wichtigen Branchentrends:

• Miniaturisierung:Kontinuierliche Verkleinerung der Gehäusegröße (z.B. von 0603 auf 0402 auf 0201 metrische Größen), um immer kleinere elektronische Geräte zu ermöglichen.
• Erhöhte Effizienz:Fortlaufende Verbesserungen in der epitaktischen Schichtabscheidung und Chip-Design führen zu höherer Lichtausbeute (mehr Lichtleistung pro elektrischem Watt), was den Stromverbrauch und die thermische Belastung reduziert.
• Verbesserte Zuverlässigkeit:Verbesserungen bei Verpackungsmaterialien und Chip-Bonding-Technologien führen zu längeren Betriebslebensdauern und besserer Leistung unter rauen Bedingungen (hohe Temperatur, Feuchtigkeit).
• Fortschrittliches Binning:Engere Binning-Toleranzen für Farbe (Wellenlänge) und Lichtstrom werden zum Standard, angetrieben durch Anwendungen, die hohe Farbkonstanz erfordern, wie Vollfarbdisplays und Automobil-Lichtgruppen.
• Integration:Ein Trend zur Integration mehrerer LED-Chips (RGB, oder weiß + Farbe) in ein einziges Gehäuse oder zur Einbindung von Steuer-ICs für "Smart LED"-Module.

Während die 15-21 eine ausgereifte und zuverlässige Technologie darstellt, können neuere Gehäuse kleinere Footprints oder höhere Effizienz bieten, aber die grundlegenden Betriebsprinzipien und wichtigen Anwendungsrichtlinien bleiben weitgehend konsistent.