SMD Mittelleistungs-Dunkelrot-LED 67-21S Datenblatt - PLCC-2-Gehäuse - 150mA - 405mW - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Dieses Dokument erläutert die Spezifikationen einer SMD-Mittelleistungs-LED (Surface-Mount Device) im PLCC-2-Gehäuse, die dunkelrotes Licht emittiert. Das Bauteil basiert auf AlGaInP-Chip-Technologie und ist in klarem Harz vergossen. Es ist für Anwendungen konzipiert, die hohe Effizienz, einen weiten Abstrahlwinkel und eine kompakte Bauform im Mittelleistungsbereich erfordern. Die Komponente ist bleifrei und entspricht der RoHS-Richtlinie.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die Hauptvorteile dieser LED sind ihre hohe Lichtausbeute, die eine effiziente Lichtabgabe bei der aufgenommenen elektrischen Leistung bedeutet. Der weite Abstrahlwinkel von 120 Grad gewährleistet eine gleichmäßige Lichtverteilung, was sie für Anwendungen geeignet macht, bei denen eine breite Ausleuchtung entscheidend ist. Ihr kompaktes PLCC-2-Gehäuse ermöglicht hochdichte Leiterplattenlayouts. Diese Eigenschaften machen sie insgesamt zur idealen Wahl für dekorative und Unterhaltungsbeleuchtung, Beleuchtung in der Landwirtschaft (z.B. Pflanzenwachstumsförderung) und allgemeine Beleuchtungszwecke, bei denen eine dunkelrote spektrale Ausgabe gewünscht ist.

2. Detaillierte Betrachtung der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Der Betrieb sollte innerhalb dieser Grenzen erfolgen.

• Durchlassstrom (I_F)): 150 mA (Dauerbetrieb).
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP)): 300 mA (gepulst, Tastverhältnis 1/10, Pulsbreite 10ms).
• Verlustleistung (P_d)): 405 mW. Dies ist die maximal zulässige Verlustleistung am Übergang.
• Betriebstemperatur (T_opr)): -40°C bis +85°C.
• Lagertemperatur (T_stg)): -40°C bis +100°C.
• Thermischer Widerstand (R_{th J-S})): 50 °C/W (Übergang zum Lötpunkt). Dieser Parameter ist entscheidend für das Wärmemanagement-Design.
• Sperrschichttemperatur (T_j)): 115 °C (Maximum).
• Löttemperatur: Reflow-Löten: max. 260°C für 10 Sekunden. Handlöten: max. 350°C für 3 Sekunden. Das Bauteil ist empfindlich gegenüber elektrostatischer Entladung (ESD).

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Gemessen bei einer Lötpunkttemperatur (T_soldering) von 25°C. Typische Werte dienen als Referenz; Min/Max-Werte definieren die garantierte Leistungsspanne.

• Radiometrische Leistung (Φ_e)): 80 mW (Min), 180 mW (Max) bei I_F=150mA. Dies ist die gesamte optische Ausgangsleistung, gemessen in Milliwatt. Toleranz: ±11%.
• Durchlassspannung (V_F)): 1,8V (Min), 2,7V (Max) bei I_F=150mA. Der typische Wert liegt innerhalb dieses Bereichs. Toleranz: ±0,1V vom Binning-Wert.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2)): 120 Grad (typisch) bei I_F=150mA. Dies ist der volle Winkel, bei dem die Lichtstärke die Hälfte des Spitzenwerts beträgt.
• Sperrstrom (I_R)): 50 µA (Max) bei einer Sperrspannung (V_R) von 5V.

3. Erläuterung des Binning-Systems

Die LED wird für Schlüsselparameter in Bins eingeteilt, um Konsistenz im Anwendungsdesign zu gewährleisten. Die spezifischen Bin-Codes sind Teil der Produktbestellnummer.

3.1 Binning der radiometrischen Leistung

Binning bei I_F=150mA. Die Codes C1 bis C5 repräsentieren steigende Ausgangsleistungsbereiche.

• C1: 80 - 100 mW
• C2: 100 - 120 mW
• C3: 120 - 140 mW
• C4: 140 - 160 mW
• C5: 160 - 180 mW

3.2 Binning der Durchlassspannung

Binning bei I_F=150mA. Die Codes 25 bis 33 repräsentieren steigende Durchlassspannungsbereiche.

• 25: 1,8 - 1,9 V
• 26: 1,9 - 2,0 V
• ... bis zu33: 2,6 - 2,7 V

3.3 Binning der Spitzenwellenlänge

Binning bei I_F=150mA. Definiert das spektrale Maximum der dunkelroten Emission.

• DA2: 650 - 660 nm
• DA3: 660 - 670 nm
• DA4: 670 - 680 nm

Toleranz der Messung der dominierenden/Spitzenwellenlänge: ±1nm.

4. Analyse der Leistungskurven

4.1 Spektrale Verteilung

Die dargestellte Spektralkurve zeigt einen schmalen, klar definierten Peak im dunkelroten Bereich (ca. 650-680nm, abhängig vom Bin), charakteristisch für AlGaInP-Halbleiter. Die Emission in anderen Spektralbändern ist minimal, was sie für Anwendungen geeignet macht, die reines Rotlicht erfordern.

4.2 Durchlassspannung vs. Sperrschichttemperatur

Abbildung 1 zeigt, dass die Durchlassspannung (V_F) einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist. Wenn die Sperrschichttemperatur (T_j) von 25°C auf 115°C ansteigt, nimmt V_Flinear um etwa 0,25V ab. Dies ist eine kritische Überlegung für den Entwurf von Konstantstrom-Treibern, um einen stabilen Betrieb über den Temperaturbereich zu gewährleisten.

4.3 Relative radiometrische Leistung vs. Durchlassstrom

Abbildung 2 zeigt eine sublineare Beziehung. Die radiometrische Leistung steigt mit dem Strom, beginnt jedoch bei höheren Strömen (über ~100mA) aufgrund zunehmender thermischer Effekte und des Efficiency Droop zu sättigen. Der Betrieb am maximalen Nennstrom (150mA) kann im Vergleich zu einem etwas niedrigeren Strom nicht proportional höhere Ausgangsleistung liefern.

4.4 Relative Lichtstärke vs. Sperrschichttemperatur

Abbildung 3 demonstriert den thermischen Quenching-Effekt. Wenn T_jansteigt, nimmt die optische Ausgangsleistung ab. Die Intensität bei 115°C beträgt etwa 70-80% des Werts bei 25°C. Eine effektive Wärmeableitung ist entscheidend, um die Lichtausbeute aufrechtzuerhalten.

4.5 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (IV-Kurve)

Abbildung 4 zeigt die klassische Dioden-IV-Charakteristik bei 25°C. Die Kurve zeigt die exponentielle Beziehung im Niedrigstrombereich und ein eher lineares, resistives Verhalten beim Betriebsstrom von 150mA, woraus der dynamische Widerstand abgeleitet werden kann.

4.6 Maximaler Treiberstrom vs. Lötpunkttemperatur

Abbildung 5 ist eine Derating-Kurve. Sie zeigt, dass der maximal zulässige Dauer-Durchlassstrom reduziert werden muss, wenn die Temperatur am Lötpunkt (T_S) etwa 70°C überschreitet. Zum Beispiel ist bei T_S=90°C der maximale I_Fauf etwa 110mA reduziert. Dieses Diagramm ist entscheidend für die Zuverlässigkeit in Umgebungen mit hoher Umgebungstemperatur.

4.7 Abstrahlcharakteristik

Abbildung 6 (Abstrahldiagramm) bestätigt das nahezu lambertstrahlende Abstrahlverhalten mit einem Abstrahlwinkel von 120°. Die Intensität ist über einen weiten zentralen Bereich nahezu gleichmäßig und fällt bei ±60 Grad von der mechanischen Achse auf 50% ab.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen

Das PLCC-2-Gehäuse hat einen Standard-Footprint. Wichtige Abmessungen (in mm, Toleranz ±0,1mm, sofern nicht anders angegeben) umfassen Gesamtlänge, -breite und -höhe sowie Pad-Abstände und -Größen. Die Kathode ist typischerweise durch eine Markierung auf dem Gehäuse oder eine abgeschrägte Ecke gekennzeichnet. Für das Leiterplatten-Pad-Design sollte die genaue Maßzeichnung herangezogen werden.

5.2 Polaritätskennzeichnung

Für den korrekten Betrieb ist die richtige Ausrichtung erforderlich. Die Gehäusezeichnung im Datenblatt zeigt die Anoden- und Kathoden-Pads eindeutig an. Eine falsche Polung beim Löten verhindert das Leuchten der LED und kann sie in Sperrrichtung betreiben.

6. Richtlinien für Lötung und Montage

6.1 Reflow-Lötprofil

Die maximale Belastbarkeit beträgt 260°C für 10 Sekunden. Ein Standard-bleifreies Reflow-Profil mit einer Spitzentemperatur unter 260°C und kontrollierter Zeit oberhalb der Liquidus-Temperatur (TAL) wird empfohlen. Unterschiede in der thermischen Masse auf der Leiterplatte sollten berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass alle LEDs einer ähnlichen thermischen Belastung ausgesetzt sind.

6.2 Handlöten

Falls Handlöten erforderlich ist, sollte die Lötspitzentemperatur 350°C nicht überschreiten und die Kontaktzeit mit dem LED-Anschluss auf 3 Sekunden oder weniger pro Pad begrenzt werden. Eine Technik mit geringer thermischer Masse verwenden.

6.3 Lagerbedingungen

Die Bauteile sind in feuchtigkeitsbeständigen Barrieretüten mit Trockenmittel verpackt. Sobald die versiegelte Tüte geöffnet ist, sind die Komponenten empfindlich gegenüber Feuchtigkeitsaufnahme (MSL-Klassifizierung). Sie sollten innerhalb der angegebenen Bodenlebensdauer verwendet oder gemäß IPC/JEDEC-Standards vor dem Reflow-Löten getrocknet werden, falls diese überschritten wird. Die Langzeitlagerung sollte in einer trockenen Umgebung bei Temperaturen zwischen -40°C und 100°C erfolgen.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

7.1 Rolle und Band-Spezifikationen

Die LEDs werden auf geprägten Trägerbändern geliefert, die auf Rollen aufgewickelt sind. Standard-Rollenabmessungen und Bandbreiten werden angegeben. Übliche Stückzahlen pro Rolle sind 250, 500, 1000, 2000, 3000 und 4000 Stück, was die automatisierte Pick-and-Place-Montage erleichtert.

7.2 Etikettenerklärung

Das Rollenetikett enthält wichtige Informationen: Produktnummer (P/N), die die spezifischen Bin-Auswahlen für radiometrische Leistung (CAT), Wellenlänge (HUE) und Durchlassspannung (REF) kodiert; Packmenge (QTY); und Losnummer (LOT No) für die Rückverfolgbarkeit.

8. Anwendungsvorschläge

8.1 Typische Anwendungsszenarien

• Dekorative und Unterhaltungsbeleuchtung: Architektonische Akzentbeleuchtung, Bühnenbeleuchtung und Beschilderung, bei der dunkelrote Farbe benötigt wird.
• Landwirtschaftsbeleuchtung: Zusatzbeleuchtung im Gartenbau, insbesondere für photomorphogene Reaktionen in Pflanzen (z.B. Beeinflussung der Blüte, Stängelverlängerung), die auf rotes und fernrotes Licht reagieren.
• Allgemeine Verwendung: Anzeigelampen, Hintergrundbeleuchtung und jede Anwendung, die eine zuverlässige, effiziente rote Lichtquelle benötigt.

8.2 Design-Überlegungen

• Wärmemanagement: Mit einem R_{th J-S}von 50°C/W muss die Leiterplatte als effektiver Kühlkörper fungieren. Verwenden Sie ausreichend Kupferfläche unter und um das thermische Pad und ziehen Sie Wärmedurchkontaktierungen zu inneren Lagen oder eine Metallkern-Leiterplatte für Hochleistungs- oder Hochtemperaturanwendungen in Betracht.
• Stromtreiber:** Immer einen Konstantstromtreiber verwenden, keine Konstantspannungsquelle. Der Treiber sollte so ausgelegt sein, dass er den V_F-Bin-Bereich und seinen negativen Temperaturkoeffizienten berücksichtigt. Bei Bedarf Dimmfunktionen in Betracht ziehen.
• Optisches Design: Der weite Abstrahlwinkel kann sekundäre Optiken (Linsen, Reflektoren) erfordern, wenn Strahlformung oder Fokussierung benötigt wird. Das klare Harz ermöglicht eine gute Lichtauskopplung.

9. Zuverlässigkeit und Prüfung

Das Datenblatt beschreibt einen umfassenden Zuverlässigkeitstestplan, der mit einem Konfidenzniveau von 90% und einer Los-Toleranz-Prozentualen Fehlerquote (LTPD) von 10% durchgeführt wird. Die Tests umfassen:

• Reflow-Lötbeständigkeit
• Thermoschock (-10°C bis +100°C)
• Temperaturwechsel (-40°C bis +100°C)
• Hochtemperatur-/Feuchtigkeitslagerung (85°C/85% rF)
• Hoch-/Tieftemperaturlagerung und Betriebslebensdauertests unter verschiedenen Strom- und Temperaturbedingungen.

Diese Tests validieren die Robustheit der LED unter typischen Herstellungs- und Betriebsbelastungen und gewährleisten langfristige Leistung.

10. Technischer Vergleich und Differenzierung

Als Mittelleistungs-Dunkelrot-LED im PLCC-2-Gehäuse liegen ihre wichtigsten Unterscheidungsmerkmale in ihrer Balance aus Leistung und Größe. Im Vergleich zu Niedrigleistungs-LEDs bietet sie einen deutlich höheren Strahlungsfluss. Im Vergleich zu Hochleistungs-LEDs hat sie typischerweise einen geringeren thermischen Widerstand zur Platine und kann mit niedrigeren Strömen betrieben werden, was das Treiberdesign vereinfacht. Die Verwendung von AlGaInP-Technologie bietet im Vergleich zu anderen Technologien wie phosphorkonvertierten roten LEDs eine hohe Effizienz im roten Spektrum. Die spezifische Kombination aus 150mA Treiberstrom, 405mW Verlustleistung und 120° Winkel in dieser kompakten Bauform zielt auf eine spezifische Nische im Beleuchtungsmarkt ab.

11. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

11.1 Welchen Treiberstrom sollte ich verwenden?

Für die vollständig spezifizierte Ausgangsleistung verwenden Sie 150mA Konstantstrom. Für eine verbesserte Lebensdauer oder geringere thermische Belastung ist jedoch auch ein Betrieb mit niedrigerem Strom (z.B. 100-120mA) möglich, wobei sich die Ausgangsleistung auf die Kurve "Relative radiometrische Leistung vs. Strom" (Abb. 2) bezieht. 150mA Dauerbetrieb niemals überschreiten.

11.2 Wie interpretiere ich die Bin-Codes in der Teilenummer?

Die Teilenummer (z.B. NDR3C-P5080C1C51827Z15/2T) kodiert die spezifischen Bins. Sie müssen die alphanumerischen Codes mit den Bin-Tabellen in den Abschnitten 3.1, 3.2 und 3.3 abgleichen, um die garantierten Minimal- und Maximalwerte für radiometrische Leistung, Durchlassspannung und Spitzenwellenlänge für dieses spezifische bestellbare Produkt zu ermitteln.

11.3 Warum nimmt die Lichtausbeute ab, wenn die LED heiß wird?

Dies liegt an der inhärenten Eigenschaft von Halbleitermaterialien, die als thermisches Quenching oder Efficiency Droop bekannt ist, wie in Abbildung 3 gezeigt. Mit steigender Temperatur nimmt die nichtstrahlende Rekombination zu, was den internen Quantenwirkungsgrad verringert. Eine ordnungsgemäße Wärmeableitung minimiert den Anstieg der Sperrschichttemperatur und erhält eine höhere Lichtausbeute.

11.4 Kann ich mehrere LEDs in Reihe oder parallel schalten?

Reihenschaltung ist bei Verwendung eines Konstantstromtreibers generell zu bevorzugen, da derselbe Strom durch alle LEDs fließt. Allerdings addieren sich die Durchlassspannungstoleranzen (Bins), was einen Treiber mit ausreichender Ausgangsspannungsreserve erfordert. Parallelschaltung wird ohne individuelle strombegrenzende Widerstände oder dedizierte Kanäle aufgrund von V_F-Abweichungen nicht empfohlen, da dies zu Stromungleichverteilung, ungleichmäßiger Helligkeit oder Ausfall führen kann.

12. Praktische Design-Fallstudie

Szenario: Entwurf einer Lichtleiste für den Gartenbau zur Zusatzbeleuchtung mit rotem Licht in einem Gewächshaus mit einer Umgebungstemperatur von bis zu 40°C.

Designschritte:

1. Auswahl: Wählen Sie diese dunkelrote LED für ihr gezieltes Spektrum (z.B. Bin DA3: 660-670nm, relevant für Phytochrom-Aktivierung).
2. Thermische Analyse: Ziel ist eine maximale Sperrschichttemperatur (T_j) von 85°C für eine gute Lebensdauer. Gegeben T_ambient=40°C, R_{th J-S}=50°C/W und P_d≈ V_F*I_F(z.B. 2,2V * 0,15A = 0,33W). Temperaturanstieg vom Lötpunkt zum Übergang: ΔT = P_d* R_{th J-S}= 0,33W * 50°C/W = 16,5°C. Daher muss die Lötpunkttemperatur (T_S) unter T_j- ΔT = 85°C - 16,5°C = 68,5°C gehalten werden.
3. Leiterplattendesign: Entwerfen Sie die Leiterplatte mit einer großen, durchgehenden Kupferfläche, die mit dem thermischen Pad der LED verbunden ist. Verwenden Sie mehrere Wärmedurchkontaktierungen zu inneren Masseebenen oder eine dedizierte Wärmeschicht, um T_Sunter 68,5°C zu halten, wenn T_ambient=40°C. Siehe Abbildung 5, um sicherzustellen, dass der Treiberstrom für die berechnete T_S.
4. Treiberdesign: Wählen Sie einen Konstantstromtreiber, der 150mA pro String liefern kann. Für 10 LEDs in Reihe muss die Ausgangsspannungsreserve des Treibers die Summe der maximalen V_Fim gewählten Bin (z.B. 10 * 2,3V = 23V) plus einen gewissen Spielraum abdecken.
5. Optisches Layout: Platzieren Sie die LEDs auf der Leiste entsprechend, um unter Berücksichtigung des 120°-Abstrahlwinkels die gewünschte Gleichmäßigkeit der Lichtintensität über der Pflanzenkronenebene zu erreichen.

13. Funktionsprinzip

Diese LED ist eine Halbleiter-pn-Übergangsdiode auf Basis von Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP)-Material. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, die die Schwellenspannung der Diode überschreitet, werden Elektronen aus dem n-dotierten Bereich und Löcher aus dem p-dotierten Bereich in den aktiven Bereich injiziert. Diese Ladungsträger rekombinieren strahlend und setzen Energie in Form von Photonen frei. Die spezifische Bandlückenenergie der AlGaInP-Legierung bestimmt die Wellenlänge des emittierten Lichts, die in diesem Fall im dunkelroten Spektrum (650-680 nm) liegt. Das klare Epoxidharz-Vergussmaterial schützt den Halbleiterchip, bietet mechanische Stabilität und formt das Lichtaustrittsmuster.

14. Technologietrends

Mittelleistungs-LEDs wie diese repräsentieren einen bedeutenden Trend in der Festkörperbeleuchtung und schlagen eine Brücke zwischen Niedrigleistungs-Anzeige-LEDs und Hochleistungs-Beleuchtungs-LEDs. Wichtige Branchentrends, die dieses Segment beeinflussen, sind:

• Erhöhte Effizienz: Laufende Material- und Verpackungsforschung zielt darauf ab, höhere radiometrische Leistung (mW) pro Einheit elektrischer Eingangsleistung (mA) zu liefern und so den Energieverbrauch bei gleicher Lichtausbeute zu reduzieren.
• Verbessertes Wärmemanagement: Fortschritte im Gehäusedesign (z.B. verbesserte thermische Pads) und bei Leiterplattenmaterialien (z.B. isolierte Metallsubstrate, wärmeleitende Platinen) ermöglichen eine bessere Wärmeableitung, was höhere Treiberströme oder verbesserte Zuverlässigkeit bei Standardströmen erlaubt.
• Schmalere Spektralspitzen & neue Wellenlängen: Im Gartenbau besteht eine Nachfrage nach LEDs mit sehr spezifischen, schmalen Emissionsspitzen, die den Pflanzenphotorezeptoren entsprechen (z.B. 660nm, 730nm). Die Entwicklung zur Optimierung der Effizienz bei diesen Zielwellenlängen wird fortgesetzt.
• Miniaturisierung und Integration: Der Trend zu kleineren, dichteren Beleuchtungsarrays setzt sich fort und treibt die Entwicklung von Gehäusen mit kleinerem Footprint bei gleichbleibender oder verbesserter optischer und thermischer Leistung voran.