SMD Mittelstarke Blaue LED 67-21S Datenblatt - PLCC-2 Gehäuse - 150mA - 3,2V typ. - 540mW - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die 67-21S ist eine oberflächenmontierbare (SMD) LED mittlerer Leistung, die für allgemeine Beleuchtungsanwendungen konzipiert ist. Sie nutzt ein PLCC-2-Gehäuse (Plastic Leaded Chip Carrier), das eine kompakte Bauform für automatisierte Bestückungsprozesse bietet. Die primäre Emissionsfarbe ist Blau, erreicht durch InGaN-Chip-Technologie, eingekapselt in einem wasserklaren Harz zur Maximierung des Lichtstroms. Diese LED zeichnet sich durch ihre hohe Effizienz und einen weiten Abstrahlwinkel von 120 Grad aus, was sie vielseitig für verschiedene Beleuchtungsanforderungen macht. Sie ist RoHS-konform und wird als bleifreies (Pb-free) Bauteil hergestellt.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die Hauptvorteile dieser LED umfassen ihr ausgewogenes Verhältnis von Leistung und Stromverbrauch, oft als \"Mittelstärke\" bezeichnet. Sie bietet eine höhere Lichtleistung als typische Niedrigleistungs-Indikator-LEDs bei gleichzeitig besserer Wärmemanagement und Effizienz im Vergleich zu einigen Hochleistungsmodellen. Ihr weiter Abstrahlwinkel gewährleistet eine gleichmäßige Lichtverteilung, was für die Flächenbeleuchtung entscheidend ist. Die primären Zielmärkte sind dekorative und Entertainment-Beleuchtung, wo Farbe und diffuses Licht wichtig sind, sowie Agrarbeleuchtung, wo bestimmte Lichtspektren das Pflanzenwachstum beeinflussen können. Sie eignet sich auch für allgemeine Beleuchtung in Konsumgütern und gewerblichen Produkten.

2. Technische Parameter im Detail

2.1 Absolute Maximalwerte

Die Betriebsgrenzen des Bauteils sind unter spezifischen Bedingungen definiert (Lötstellen-Temperatur bei 25°C). Der maximale Dauer-Durchlassstrom (I_F) beträgt 150 mA. Es hält einem Spitzen-Durchlassstrom (I_FP) von 300 mA stand, jedoch nur unter gepulsten Bedingungen mit einem Tastverhältnis von 1/10 und einer Pulsbreite von 10 ms. Die maximale Verlustleistung (P_d) beträgt 540 mW. Der Betriebstemperaturbereich (T_opr) liegt zwischen -40°C und +85°C, und der Lagertemperaturbereich (T_stg) liegt zwischen -40°C und +100°C. Der thermische Widerstand vom Übergang zur Lötstelle (R_{th J-S}) beträgt 50 °C/W, ein kritischer Parameter für das Wärmemanagement-Design. Die maximal zulässige Sperrschichttemperatur (T_j) beträgt 125°C. Das Bauteil ist empfindlich gegenüber elektrostatischer Entladung (ESD), was geeignete Handhabungsverfahren erfordert.

2.2 Elektro-optische Kennwerte

Unter Standard-Testbedingungen (T_soldering= 25°C, I_F= 150 mA) ist die typische Leistung der LED spezifiziert. Der Lichtstrom (Φ) reicht von mindestens 9,0 lm bis maximal 15,0 lm, mit einer typischen Toleranz von ±11%. Die Durchlassspannung (V_F) liegt typischerweise zwischen 2,9 V und 3,6 V, mit einer engeren Fertigungstoleranz von ±0,1V. Der Abstrahlwinkel (2θ_1/2), definiert als der Winkel, bei dem die Lichtstärke auf die Hälfte ihres Spitzenwerts abfällt, beträgt typischerweise 120 Grad. Der Sperrstrom (I_R) ist mit maximal 50 μA spezifiziert, wenn eine Sperrspannung (V_R) von 5V angelegt wird.

3. Erklärung des Binning-Systems

Um Konsistenz in der Produktion sicherzustellen, werden LEDs basierend auf wichtigen Leistungsparametern in Bins sortiert.

3.1 Photometrisches (Lichtstrom) Binning

Der Lichtstromausgang ist in mehrere Bin-Codes (B8, B9, L1-L5) kategorisiert. Jeder Code repräsentiert einen spezifischen Lichtstrombereich, gemessen bei 150 mA. Beispielsweise deckt Bin B8 9,0 bis 9,5 lm ab, während Bin L5 14,0 bis 15,0 lm abdeckt. Dies ermöglicht es Entwicklern, LEDs mit dem gewünschten Helligkeitsniveau für ihre Anwendung auszuwählen.

3.2 Durchlassspannungs-Binning

Die Durchlassspannung ist in die Codes 36 bis 42 eingeteilt. Jeder Code repräsentiert einen 0,1V-Bereich, beginnend bei 2,9-3,0V für Bin 36 bis zu 3,5-3,6V für Bin 42. Die Auswahl von LEDs aus demselben oder benachbarten Spannungs-Bin ist wichtig, um eine gleichmäßige Stromverteilung zu gewährleisten, wenn mehrere LEDs parallel geschaltet sind.

3.3 Dominantwellenlängen-Binning

Die Farbe (dominante Wellenlänge) ist in zwei Bereiche eingeteilt: B54 (465-470 nm) und B55 (470-475 nm). Dies bietet einen gewissen Grad an Farbkonsistenz für Anwendungen, die einen spezifischen Blauton erfordern. Die Messtoleranz für die dominante/Spitzenwellenlänge beträgt ±1 nm.

4. Analyse der Leistungskurven

4.1 Spektrale Verteilung

Das bereitgestellte Spektrumdiagramm zeigt eine typische Emissionskurve für eine blaue InGaN-LED. Das Maximum liegt im blauen Wellenlängenbereich (um 465-475 nm), mit einer relativ schmalen spektralen Breite, was charakteristisch für dieses Halbleitermaterial ist.

4.2 Durchlassspannung vs. Sperrschichttemperatur

Abbildung 1 veranschaulicht, wie sich die Durchlassspannung mit steigender Sperrschichttemperatur verschiebt. Die Spannung nimmt typischerweise linear ab, wenn die Temperatur steigt (ein negativer Temperaturkoeffizient), was ein gemeinsames Merkmal von Halbleiterdioden ist. Dies muss in Konstantspannungs-Treiberkreisen berücksichtigt werden.

4.3 Relative radiometrische Leistung vs. Durchlassstrom

Abbildung 2 zeigt die Beziehung zwischen optischer Ausgangsleistung und Durchlassstrom. Die Ausgangsleistung steigt unterlinear mit dem Strom, und die Effizienz kann bei sehr hohen Strömen aufgrund erhöhter Wärmeentwicklung und anderer nicht-idealer Effekte sinken.

4.4 Relativer Lichtstrom vs. Sperrschichttemperatur

Abbildung 3 demonstriert den thermischen Quenching-Effekt. Mit steigender Sperrschichttemperatur nimmt der Lichtstromausgang ab. Eine ordnungsgemäße Wärmeableitung ist entscheidend, um die Lichtleistung und Lebensdauer aufrechtzuerhalten.

4.5 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (IV-Kurve)

Abbildung 4 zeigt die klassische Dioden-IV-Kennlinie bei 25°C. Sie zeigt die exponentielle Beziehung zwischen Strom und Spannung, sobald die Einschaltspannung überschritten ist.

4.6 Maximaler Treiberstrom vs. Löttemperatur

Abbildung 5 liefert eine Entlastungskurve. Sie gibt den maximal zulässigen Durchlassstrom an, um die Sperrschichttemperatur unter ihrem 125°C-Limit zu halten, basierend auf der Temperatur der Lötstelle (die mit der PCB-Temperatur zusammenhängt). Bei höheren Umgebungs- oder Leiterplattentemperaturen muss der Strom reduziert werden.

4.7 Abstrahlcharakteristik

Abbildung 6 ist ein Polardiagramm, das die räumliche Verteilung der Lichtstärke zeigt. Das Muster bestätigt das weite, lambertförmige Abstrahlprofil mit einem 120° Abstrahlwinkel.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen

Das Datenblatt enthält eine detaillierte Maßzeichnung des PLCC-2-Gehäuses. Wichtige Abmessungen umfassen die Gesamtlänge, -breite und -höhe sowie den Pad-Abstand und die -Größe. Die Kathode ist typischerweise durch eine Markierung oder eine abgeschrägte Ecke am Gehäuse gekennzeichnet. Alle nicht spezifizierten Toleranzen betragen ±0,15 mm.

6. Löt- und Bestückungsrichtlinien

Die LED eignet sich für Reflow-Löten. Das maximal empfohlene Profil ist eine Spitzentemperatur von 260°C für eine Dauer von 10 Sekunden. Für Handlötung sollte die Lötspitzentemperatur 350°C nicht überschreiten, und die Kontaktzeit sollte auf 3 Sekunden pro Pad begrenzt sein. Diese Grenzwerte sind entscheidend, um Schäden am Kunststoffgehäuse und den internen Bonddrähten zu verhindern.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

7.1 Rolle- und Band-Spezifikationen

Die Bauteile werden auf feuchtigkeitsbeständigem Band und Rolle für die automatisierte Pick-and-Place-Bestückung geliefert. Die Rollenabmessungen und die Taschenabmessungen des Trägerbands sind angegeben. Die Standardmenge beträgt 4000 Stück pro Rolle.

7.2 Feuchtigkeitssensitivität und Verpackung

Die LEDs sind in einer aluminiumbeschichteten Feuchtigkeitsschutztüte mit Trockenmittel verpackt, um sie vor Umgebungsfeuchtigkeit während Lagerung und Transport zu schützen, da Feuchtigkeitsaufnahme während des Reflow-Lötens zu \"Popcorning\" führen kann.

7.3 Etikettenerklärung

Das Rollenetikett enthält Informationen wie die Artikelnummer (P/N), Menge (QTY) und die spezifischen Bin-Codes für Lichtstärke (CAT), dominante Wellenlänge (HUE) und Durchlassspannung (REF).

8. Anwendungsvorschläge

8.1 Typische Anwendungsszenarien

Dekorative und Entertainment-Beleuchtung:Die blaue Farbe und der weite Winkel machen sie geeignet für Akzentbeleuchtung, Beschilderung und Bühneneffekte.
Agrarbeleuchtung:Blaues Licht ist eine Schlüsselkomponente in spektralen Beleuchtungslösungen für den Gartenbau, die Pflanzenmorphologie und Photosynthese beeinflussen.
Allgemeine Beleuchtung:Kann in Arrays für Panel-Leuchten, Downlights und andere Leuchten verwendet werden, wo eine diffuse blaue oder weiße (in Kombination mit Phosphor) Lichtquelle benötigt wird.

8.2 Design-Überlegungen

Wärmemanagement:Mit einem R_{th J-S}von 50 °C/W ist eine effektive Wärmeableitung über die Leiterplatte (mittels Wärmevias, Kupferflächen) für einen zuverlässigen Betrieb bei vollem Strom zwingend erforderlich.
Stromtreiber:Ein Konstantstromtreiber wird gegenüber einer Konstantspannungsquelle dringend empfohlen, um eine stabile Lichtleistung zu gewährleisten und thermisches Durchgehen zu verhindern.
Optik:Der weite Abstrahlwinkel kann sekundäre Optiken (Linsen, Reflektoren) erfordern, wenn ein stärker gebündelter Strahl gewünscht ist.
ESD-Schutz:Implementieren Sie ESD-Schutz an den PCB-Eingängen und gewährleisten Sie eine ordnungsgemäße Handhabung während der Montage.

9. Zuverlässigkeit und Tests

Das Datenblatt listet einen umfassenden Satz von Zuverlässigkeitstests auf, die mit einem 90% Konfidenzniveau und 10% LTPD (Lot Tolerance Percent Defective) durchgeführt wurden. Tests umfassen Reflow-Lötbeständigkeit, Temperaturschock, Temperaturwechsel, Hochtemperatur-/Feuchtigkeitslagerung und -betrieb, Tieftemperaturlagerung und -betrieb sowie mehrere Hochtemperatur-Lebensdauertests unter verschiedenen Bedingungen (25°C, 55°C, 85°C mit verschiedenen Strömen). Diese Tests validieren die Robustheit der LED unter typischen Umwelt- und Betriebsbelastungen.

10. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Kann ich diese LED dauerhaft mit 300 mA betreiben?
A: Nein. Die 300 mA-Bewertung gilt nur für gepulsten Betrieb (1/10 Tastverhältnis, 10ms Pulsbreite). Der maximale Dauerstrom beträgt 150 mA. Eine Überschreitung führt wahrscheinlich zur Überhitzung und Beschädigung der LED.

F: Warum ist das Durchlassspannungs-Binning wichtig?
A: Wenn mehrere LEDs parallel geschaltet sind, führen Unterschiede in der Durchlassspannung zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung. LEDs mit einer niedrigeren V_Fziehen mehr Strom, was möglicherweise zu vorzeitigem Ausfall führt. Die Verwendung von LEDs aus demselben Spannungs-Bin minimiert dieses Risiko.

F: Wie interpretiere ich den thermischen Widerstandswert (50 °C/W)?
A: Dies bedeutet, dass für jedes Watt Verlustleistung in der LED-Sperrschicht die Sperrschichttemperatur um 50°C über der Temperatur an der Lötstelle ansteigt. Beispiel: Bei 150 mA und einer V_Fvon 3,2V beträgt die Leistung ~0,48W. Dies würde einen Anstieg von 24°C vom PCB-Pad zur Sperrschicht verursachen.

F: Was ist der Zweck der Feuchtigkeitsschutztüte?
A: SMD-Gehäuse können Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen. Während des Hochtemperatur-Reflow-Lötprozesses kann diese eingeschlossene Feuchtigkeit schnell verdampfen und internen Druck erzeugen, der das Gehäuse sprengt (\"Popcorning\"). Die Feuchtigkeitsschutztüte und das Trockenmittel verhindern die Aufnahme vor der Verwendung.

11. Praktisches Designbeispiel

Szenario:Entwurf einer linearen Lichtleiste mit 20 Stück der 67-21S LED.
Designschritte:
1. Elektrisches Design:Entscheidung für eine Serien-Parallel-Konfiguration. Beispielsweise 10 Strings parallel schalten, wobei jeder String 2 LEDs in Reihe enthält. Dies erfordert eine Treiberspannung von ~6,4V (2 * 3,2V) und einen Gesamtstrom von 1,5A (10 Strings * 150mA). Ein Konstantstromtreiber, eingestellt auf 1,5A und mit einer Ausgangsspannung >7V, ist erforderlich.
2. Thermisches Design:Berechnung der Gesamtverlustleistung: 20 LEDs * 0,48W ≈ 9,6W. Die Leiterplatte muss als Kühlkörper fungieren. Verwenden Sie eine 2-oz Kupferschicht, Wärmevias unter jedem LED-Pad, die mit einer großen internen Massefläche verbunden sind, und erwägen Sie eine Aluminiumkern-Leiterplatte (MCPCB) für eine bessere Wärmeverteilung.
3. Optisches Design:Für eine lineare Leiste mag der native 120°-Strahl ausreichend sein. Wenn eine diffuse Abdeckung verwendet wird, stellen Sie sicher, dass sie eine hohe Transmission aufweist, um die Effizienz zu erhalten.
4. Bauteilauswahl:Spezifizieren Sie LEDs aus demselben Lichtstrom-Bin (z.B. L2) und Durchlassspannungs-Bin (z.B. 38), um gleichmäßige Helligkeit und Stromaufteilung zu gewährleisten.

12. Einführung in das technische Prinzip

Die 67-21S LED basiert auf einer Halbleiter-Heterostruktur aus Indiumgalliumnitrid (InGaN). Wenn eine Durchlassspannung an den p-n-Übergang angelegt wird, werden Elektronen und Löcher in die aktive Region injiziert. Ihre Rekombination setzt Energie in Form von Photonen (Licht) frei. Die spezifische Zusammensetzung der InGaN-Legierung bestimmt die Bandlückenenergie, die wiederum die Wellenlänge (Farbe) des emittierten Lichts definiert – in diesem Fall Blau. Das PLCC-2-Gehäuse beherbergt den Halbleiterchip auf einem Leadframe, verbindet ihn mit feinen Drähten und verkapselt ihn in einem klaren Epoxid- oder Silikonharz, das den Chip schützt und als primäres optisches Element dient.

13. Technologietrends

Der Markt für mittelstarke LEDs wie die 67-21S entwickelt sich weiter. Wichtige Trends umfassen:
Erhöhte Effizienz (lm/W):Fortlaufende Verbesserungen im Chipdesign, der epitaktischen Schichtabscheidung und der Package-Extraktionseffizienz führen zu höherer Lichtleistung bei gleichem elektrischem Input.
Verbesserte Farbkonsistenz:Engere Binning-Toleranzen und fortschrittliche Fertigungskontrollen reduzieren Farbvariationen innerhalb und zwischen Produktionschargen.
Erhöhte Zuverlässigkeit:Entwicklung robusterer Gehäusematerialien (z.B. Hochtemperatursilikone) und Die-Attach-Technologien, um höheren Betriebstemperaturen und raueren Umgebungen standzuhalten.
Anwendungsspezifische Optimierung:LEDs werden zunehmend für spezifische Märkte wie Gartenbau, mit auf Pflanzenphotorezeptoren optimierten Spektren, oder für humanzentrierte Beleuchtung unter Berücksichtigung zirkadianer Rhythmen, maßgeschneidert.