IR67-21C/TR8 Top-Infrarot-LED Datenblatt - SMD-Gehäuse - 940nm Spitzenwellenlänge - 120° Abstrahlwinkel - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die IR67-21C/TR8 ist eine Infrarot-Emissionsdiode in Draufsicht, die in einem miniaturisierten Surface-Mount Device (SMD)-Gehäuse untergebracht ist. Das Bauteil ist aus wasserklarem Kunststoff mit einer flachen Toplinse geformt und für die Kompatibilität mit modernen Infrarot- und Dampfphasen-Reflow-Lötverfahren ausgelegt. Ihre Hauptfunktion ist die Emission von Infrarotlicht bei einer Spitzenwellenlänge, die auf Silizium-Photodioden und Phototransistoren abgestimmt ist, wodurch sie eine Kernkomponente in verschiedenen Sensor- und Schaltanwendungen darstellt.

Die wesentlichen Vorteile dieser Komponente umfassen ihre niedrige Durchlassspannung, einen weiten Abstrahlwinkel von 120 Grad sowie die Einhaltung der bleifreien und RoHS-Umweltstandards. Ihre miniaturisierte SMD-Bauform ermöglicht eine hochdichte Platzierung auf Leiterplatten, was für kompakte Konsum- und Industrie-Elektronik unerlässlich ist.

1.1 Kernspezifikationen und Bauteilauswahl

Die grundlegenden Spezifikationen, die die IR67-21C/TR8 definieren, sind ihr Chipmaterial und ihre optischen Eigenschaften. Der lichtemittierende Chip besteht aus Gallium-Aluminium-Arsenid (GaAlAs), einem Halbleitermaterial, das sich gut für die Erzeugung von Infrarotstrahlung eignet. Das Gehäuse verfügt über eine wasserklare Linse, die das emittierte Infrarotlicht nicht filtert und so eine maximale Strahlungsintensität gewährleistet. Diese Kombination aus GaAlAs-Chip und klarer Linse ist speziell für eine optimale Leistung in Sensoranwendungen entwickelt, bei denen die Stärke des detektierten Signals entscheidend ist.

2. Technische Parameter: Detaillierte objektive Interpretation

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Analyse der für die IR67-21C/TR8 Infrarot-LED spezifizierten elektrischen, optischen und thermischen Parameter. Das Verständnis dieser Grenzwerte ist entscheidend für einen zuverlässigen Schaltungsentwurf und die langfristige Betriebssicherheit des Bauteils.

2.1 Absolute Grenzwerte

Die absoluten Grenzwerte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Dies sind keine empfohlenen Betriebsbedingungen, sondern Schwellenwerte, die unter keinen Umständen, auch nicht während transienter Ereignisse, überschritten werden dürfen.

• Dauer-Durchlassstrom (I_F): 65 mA. Dies ist der maximale Gleichstrom, der bei einer Umgebungstemperatur (T_a) von 25°C unbegrenzt durch den LED-Übergang fließen darf.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP): 1,0 A. Dieser hohe Strom ist nur unter strengen Pulsbedingungen zulässig: Pulsbreite ≤ 100 µs und Tastverhältnis ≤ 1%. Dieser Grenzwert ist für Anwendungen relevant, die kurze, hochintensive IR-Lichtpulse erfordern.
• Sperrspannung (V_R): 5 V. Das Anlegen einer Sperrspannung, die diesen Wert überschreitet, kann zum Durchbruch des Übergangs führen.
• Verlustleistung (P_d): 130 mW bei 25°C. Dies ist die maximale Leistung, die das Gehäuse als Wärme abführen kann. Die tatsächlich zulässige Leistung nimmt mit steigender Umgebungstemperatur ab, wie in der Derating-Kurve dargestellt.
• Thermischer Widerstand, Übergang-Umgebung (R_thj-a): 400 K/W. Dieser Parameter quantifiziert, wie effektiv Wärme vom Halbleiterübergang zur Umgebungsluft abgeleitet wird. Ein niedrigerer Wert weist auf eine bessere Wärmeableitung hin. Mit diesem Wert steigt die Sperrschichttemperatur pro Watt Verlustleistung um 400°C über der Umgebungstemperatur.
• Löttemperatur (T_sol): 260°C für maximal 5 Sekunden. Dies definiert die Toleranz des Reflow-Lötprofils.

2.2 Elektro-optische Kennwerte

Diese Parameter, gemessen unter Standardtestbedingungen von 25°C, beschreiben die Leistung des Bauteils im Normalbetrieb. Die Spalte 'Typ.' repräsentiert typische oder erwartete Werte, während 'Min.' und 'Max.' die garantierten Leistungsgrenzen definieren.

• Strahlungsintensität (I_e): Dies ist die optische Leistung pro Raumwinkeleinheit (gemessen in Milliwatt pro Steradiant, mW/sr). Bei einem Standardtreiberstrom von 20mA beträgt die typische Strahlungsintensität 1,5 mW/sr, mit einem garantierten Minimum von 1,0 mW/sr. Unter gepulsten Hochstrombedingungen (100mA, ≤100µs, ≤1% Tastverhältnis) kann die Intensität einen typischen Wert von 20 mW/sr erreichen.
• Spitzenwellenlänge (λ_p): 940 nm (typisch). Dies ist die Wellenlänge, bei der die LED die meiste optische Leistung emittiert. Sie ist spektral auf den Empfindlichkeitspeak gängiger siliziumbasierter Photodetektoren abgestimmt.
• Spektrale Bandbreite (Δλ): 45 nm (typisch). Dies definiert den Bereich der emittierten Wellenlängen, typischerweise bei halber Maximalintensität gemessen (Full Width at Half Maximum, FWHM). Eine 45nm Bandbreite, zentriert bei 940nm, bedeutet, dass eine signifikante Emission von etwa 917,5nm bis 962,5nm auftritt.
• Durchlassspannung (V_F): Bei 20mA beträgt die typische Durchlassspannung 1,2V, maximal 1,5V. Unter der gepulsten 100mA-Bedingung steigt V_Fauf typisch 1,4V (max. 1,8V) an. Diese niedrige V_Fist vorteilhaft für Niederspannungs- und batteriebetriebene Anwendungen.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2): 120 Grad. Dies ist der volle Winkel, bei dem die Strahlungsintensität auf die Hälfte ihres Spitzenwertes (gemessen auf der Achse) abfällt. Ein weiter 120°-Winkel bietet eine breite, diffuse Ausleuchtung, ideal für Näherungs- oder Präsenzerkennung, bei der sich die Zielposition ändern kann.

3. Kennlinienanalyse

Das Datenblatt enthält mehrere Kennlinien, die zeigen, wie sich wichtige Parameter mit den Betriebsbedingungen ändern. Diese Diagramme sind für den dynamischen Systementwurf unerlässlich.

3.1 Verlustleistung vs. Umgebungstemperatur

Diese Derating-Kurve zeigt, dass die maximal zulässige Verlustleistung (P_d) linear von 130 mW bei 25°C auf 0 mW bei etwa 150°C abnimmt. Entwickler müssen dieses Diagramm verwenden, um den sicheren Betriebsstrom für ihre spezifische maximale Umgebungstemperatur zu berechnen. Beispielsweise zeigt das Diagramm bei einer maximalen Umgebungstemperatur von 85°C, dass die zulässige Verlustleistung deutlich reduziert ist, was wiederum den maximal zulässigen Durchlassstrom begrenzt.

3.2 Spektrale Verteilung

Die spektrale Verteilungskurve stellt die relative Strahlungsintensität über der Wellenlänge dar. Sie bestätigt visuell die 940nm Spitzenwellenlänge und die etwa 45nm spektrale Bandbreite. Die Kurve hat typischerweise eine Gaußsche Form, zentriert auf der Spitzenwellenlänge.

3.3 Spitzenemissionswellenlänge vs. Umgebungstemperatur

Diese Kurve zeigt die Temperaturabhängigkeit der Spitzenwellenlänge. Typischerweise verschiebt sich die Spitzenwellenlänge einer LED zu längeren Wellenlängen (eine \"Rotverschiebung\"), wenn die Sperrschichttemperatur steigt. Das Diagramm quantifiziert diese Verschiebung, was für Anwendungen wichtig ist, die eine präzise spektrale Abstimmung erfordern, da die Empfindlichkeit des Detektors ebenfalls temperaturabhängig sein kann.

3.4 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I-V-Kennlinie)

Die I-V-Kennlinie ist nichtlinear, wie bei einer Standarddiode. Sie zeigt die Beziehung zwischen dem Strom durch die LED und der Spannung an ihr. Das \"Knie\" dieser Kurve liegt etwa bei der typischen Durchlassspannung. Die Kurve hilft beim Entwurf der strombegrenzenden Schaltung, insbesondere beim Betreiben der LED mit einer Spannungsquelle.

3.5 Relative Strahlungsintensität vs. Winkelabweichung

Dieses Polardiagramm veranschaulicht das räumliche Abstrahlmuster. Es bestätigt den 120°-Abstrahlwinkel und zeigt, wie die Intensität verteilt ist. Das Muster einer Flachtop-LED in einem klaren Gehäuse entspricht typischerweise annähernd einer Lambert'schen Verteilung, bei der die Intensität proportional zum Kosinus des Winkels von der Senkrechten (Mitte) ist.

4. Mechanische und Verpackungsinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Die IR67-21C/TR8 ist in einem miniaturisierten SMD-Gehäuse untergebracht. Die Maßzeichnung liefert alle kritischen Maße für das Leiterplatten-Layout, einschließlich Gehäuselänge, -breite, -höhe, Anschlussabstand und Pad-Abmessungen. Wichtige Abmessungen sind die Gesamtgröße (z.B. ca. 3,2mm x 2,8mm, obwohl exakte Werte der Zeichnung entnommen werden müssen), der Abstand zwischen den Lötpads und das empfohlene Landmuster für zuverlässiges Löten. Alle Maße sind in Millimetern mit einer Standardtoleranz von ±0,1mm, sofern nicht anders angegeben.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Das Gehäuse enthält Markierungen oder Merkmale (wie eine Kerbe, eine abgeschrägte Ecke oder eine Kathodenmarkierung), um die Anode- und Kathodenanschlüsse zu identifizieren. Während der Montage muss die korrekte Polarität beachtet werden, da eine Sperrspannung das Bauteil beschädigen kann.

4.3 Trägerband- und Spulenspezifikationen

Für die automatisierte Montage werden die Bauteile auf geprägten Trägerbändern geliefert, die auf Spulen aufgewickelt sind. Das Datenblatt gibt die Abmessungen des Trägerbands an, einschließlich Taschengröße, Teilung und Bandbreite. Die Spule enthält typischerweise 2000 Stück. Diese Abmessungen sind entscheidend für die Programmierung von Bestückungsautomaten.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Eine sachgemäße Handhabung und Lötung ist entscheidend, um Schäden an der LED zu vermeiden und eine langfristige Zuverlässigkeit sicherzustellen.

5.1 Reflow-Lötprozess

Das Bauteil ist mit Infrarot- und Dampfphasen-Reflow-Prozessen kompatibel. Ein empfohlenes bleifreies Löttemperaturprofil wird bereitgestellt, das Vorwärm-, Halte-, Reflow-Spitzentemperatur (nicht über 260°C) und Abkühlraten spezifiziert. Das Reflow-Löten sollte nicht mehr als zweimal durchgeführt werden. Während des Erhitzens sollte keine Belastung auf das LED-Gehäuse ausgeübt werden, und die Leiterplatte sollte nach dem Löten nicht verzogen sein.

5.2 Handlötung

Falls Handlötung notwendig ist, ist äußerste Vorsicht geboten. Die Temperatur der Lötspitze muss unter 350°C liegen, und die Kontaktzeit pro Anschluss sollte 3 Sekunden nicht überschreiten. Ein Lötkolben mit geringer Leistung (≤25W) wird empfohlen. Zwischen dem Löten jedes Anschlusses sollte eine Abkühlpause von mindestens 2 Sekunden eingehalten werden. Das Datenblatt rät dringend davon ab, da Handlötung oft zu Beschädigungen führt.

5.3 Nacharbeit und Reparatur

Eine Reparatur, nachdem die LED gelötet wurde, wird nicht empfohlen. Falls unvermeidbar, sollte ein Doppelspitzen-Lötkolben verwendet werden, um beide Anschlüsse gleichzeitig zu erhitzen und so die thermische Belastung zu minimieren. Das Risiko einer Beschädigung der LED-Eigenschaften während der Nacharbeit muss vorab bewertet werden.

6. Lagerung und Feuchtigkeitsempfindlichkeit

Die IR67-21C/TR8 ist feuchtigkeitsempfindlich. Es müssen Vorkehrungen getroffen werden, um \"Popcorning\" (Gehäuseriss durch schnelle Dampfausdehnung) während des Reflow-Lötens zu verhindern.

• Die feuchtigkeitsdichte Verpackung sollte erst geöffnet werden, wenn die Bauteile einsatzbereit sind.
• Vor dem Öffnen bei ≤30°C und ≤90% relativer Luftfeuchtigkeit (RH) lagern. Die Haltbarkeit beträgt ein Jahr.
• Nach dem Öffnen bei ≤30°C und ≤70% RH lagern. Die \"Floor Life\" (zulässige Zeit außerhalb der Verpackung) beträgt 168 Stunden (7 Tage).
• Wenn das Silicagel-Trockenmittel die Farbe geändert hat (zeigt Sättigung an) oder die Lagerzeit überschritten wurde, ist vor dem Reflow-Löten ein Ausheizen bei 60 ±5°C für 24 Stunden erforderlich.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

Die IR67-21C/TR8 ist für eine Vielzahl optoelektronischer Anwendungen konzipiert, bei denen unsichtbares Infrarotlicht zur Erfassung oder Signalübertragung verwendet wird.

• Sensoren: Wird als Lichtquelle in Näherungssensoren, Objekterkennung und Linienfolgerobotern eingesetzt.
• Optoelektronische Schalter: Bildet die eine Hälfte eines Lichtschrankenschalters oder Schlitzschalters, bei dem ein Objekt den Strahl zwischen der LED und einem Photodetektor unterbricht.
• Unterhaltungselektronik: Fernbedienungssender für Fernseher, Videorekorder und andere Audio/Video-Geräte (obwohl für größere Reichweiten oft leistungsstärkere LEDs verwendet werden).
• Bildgebung: Infrarotbeleuchtung für Überwachungskameras, insbesondere im Schwachlicht- oder Nachtsichtmodus.
• Sicherheitsgeräte: Kann als Komponente in bestimmten Rauchmeldern verwendet werden, die das Prinzip der optischen Streuung nutzen.

7.2 Kritische Entwurfsüberlegungen

• Strombegrenzung: Ein externer strombegrenzender Widerstand ist zwingend erforderlich. Die LED weist eine steile I-V-Kennlinie auf, was bedeutet, dass ein kleiner Spannungsanstieg einen großen Stromanstieg verursacht und sofort zur Zerstörung führt, wenn sie nicht ordnungsgemäß gesteuert wird. Der Widerstandswert wird mit dem Ohmschen Gesetz berechnet: R = (V_versorgung- V_F) / I_F.
• Wärmemanagement: Obwohl das SMD-Gehäuse Wärme über die Leiterplatten-Pads abführt, muss besonders in Umgebungen mit hoher Umgebungstemperatur sorgfältig auf die Derating-Kurve der Verlustleistung geachtet werden. Eine ausreichende Kupferfläche auf der Leiterplatte (thermische Entlastungspads) kann helfen, die Sperrschichttemperatur zu senken.
• Spektrale Abstimmung: Sicherstellen, dass der ausgewählte Photodetektor (Photodiode, Phototransistor) eine Spitzenempfindlichkeit um 940nm aufweist, um ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis des Systems zu erreichen.
• Optischer Entwurf: Der 120°-Abstrahlwinkel bietet eine breite Abdeckung. Für größere Reichweiten oder stärker gebündelte Strahlen können sekundäre Optiken (Linsen) erforderlich sein.

8. Verpackungs- und Bestellinformationen

8.1 Verpackungsverfahren

Die LEDs sind in feuchtigkeitsdichten Aluminiumbeuteln verpackt, die Trockenmittel und Feuchtigkeitsindikatorkarten enthalten. Die Beutel sind mit wichtigen Informationen für die Rückverfolgbarkeit und korrekte Anwendung gekennzeichnet.

8.2 Etikettenspezifikation

Das Etikett enthält mehrere Felder: Kundenteilenummer (CPN), Herstellertypenbezeichnung (P/N), Packungsmenge (QTY), Losnummer (LOT NO) und optische Binning-Informationen wie Kategorie (CAT, wahrscheinlich für Strahlungsintensität) und Farbton (HUE, für Spitzenwellenlänge). Ein Referenzcode (REF) kann ebenfalls vorhanden sein.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Zweck des Spitzen-Durchlassstroms von 1,0A, wenn der Dauerstrom nur 65mA beträgt?
A: Der Spitzenstromgrenzwert ermöglicht es, die LED mit sehr kurzen, hochleistungsfähigen Pulsen zu betreiben. Dies ist nützlich in Anwendungen wie Entfernungsmessung (Time-of-Flight) oder Datenübertragung, bei denen ein kurzer, intensiver IR-Lichtimpuls benötigt wird, um Umgebungsrauschen zu überwinden oder eine größere Entfernung zu überbrücken, ohne übermäßige Durchschnittswärme zu erzeugen.

F: Wie bestimme ich den sicheren Betriebsstrom für meine Anwendung, wenn die Umgebungstemperatur 50°C beträgt?
A: Sie müssen die Derating-Kurve für Verlustleistung vs. Umgebungstemperatur verwenden. Finden Sie den Punkt auf der Kurve, der 50°C entspricht, um die maximal zulässige Verlustleistung (P_d(max)) bei dieser Temperatur zu bestimmen. Berechnen Sie dann unter Verwendung der typischen Durchlassspannung (V_F) bei Ihrem gewünschten Strom den maximal sicheren Strom: I_F(max)= P_d(max)/ V_F. Fügen Sie stets eine Sicherheitsmarge hinzu.

F: Kann ich diese LED für eine TV-Fernbedienung verwenden?
A: Obwohl sie bei der korrekten Wellenlänge emittiert (940nm ist Standard für Fernbedienungen), ist ihre Strahlungsintensität bei 20mA (typ. 1,5 mW/sr) möglicherweise niedriger als bei speziellen Fernbedienungs-LEDs, die oft mit höherem Strom betrieben werden oder eine andere Optik für größere Reichweite haben. Sie könnte für Kurzstrecken-Fernbedienungen funktionieren, aber für typische Wohnzimmerentfernungen ist möglicherweise eine Komponente mit spezifizierten höheren Ausgangswerten besser geeignet.

F: Warum sind die Lagerungs- und Ausheizverfahren so spezifisch?
A: Das Kunststoff-SMD-Gehäuse kann Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen. Während des Hochtemperatur-Reflow-Lötprozesses kann diese aufgenommene Feuchtigkeit schnell zu Dampf werden und einen Innendruck erzeugen, der das Gehäuse delaminieren oder den Chip reißen lassen kann (\"Popcorning\"). Die kontrollierten Lagerungs- und Ausheizverfahren sind Industriestandard (basierend auf JEDEC MSL-Klassifizierungen), um diese Feuchtigkeit vor dem Löten sicher zu entfernen.

10. Betriebsprinzipien und Technologiekontext

10.1 Grundlegendes Betriebsprinzip

Eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) arbeitet nach dem Prinzip der Elektrolumineszenz in einem Halbleiter-p-n-Übergang. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, werden Elektronen aus dem n-Typ-Material und Löcher aus dem p-Typ-Material in den Übergangsbereich injiziert. Wenn diese Ladungsträger rekombinieren, geben sie Energie ab. In einem GaAlAs-Halbleiter wird diese Energie hauptsächlich als Photonen im Infrarotspektrum (um 940nm) freigesetzt. Die spezifische Wellenlänge wird durch die Bandlückenenergie des Halbleitermaterials bestimmt, die durch Anpassen des Verhältnisses von Aluminium zu Gallium im Kristall eingestellt wird.

10.2 Rolle in optoelektronischen Systemen

In einem typischen Sensorsystem fungiert die IR67-21C/TR8 als aktive Signalquelle. Ihr Licht wird entweder direkt von einem Detektor empfangen (für Durchgangserkennung), von einem Ziel reflektiert (für Näherungs-/Reflexionserkennung) oder von einem Objekt unterbrochen (für Lichtschranken). Der Detektor wandelt das modulierte oder unterbrochene IR-Licht in ein elektrisches Signal zur Verarbeitung um. Die 940nm-Wellenlänge ist ideal, weil sie für das menschliche Auge unsichtbar ist, Störungen durch das meiste Umgebungslicht vermeidet und mit dem hohen Empfindlichkeitsbereich kostengünstiger Siliziumdetektoren übereinstimmt, während sie im Vergleich zu längeren IR-Wellenlängen weniger anfällig für Absorption durch Luft und gängige Materialien ist.

10.3 Branchentrends und Kontext

Die Entwicklung von SMD-Infrarot-LEDs wie der IR67-21C/TR8 wird durch die Miniaturisierung und Automatisierung der Elektronikmontage vorangetrieben. Der Trend geht zu kleineren Gehäuseabmessungen, höherer Strahlungsintensität pro Flächeneinheit, verbesserter thermischer Leistung und engerem Binning für eine konsistente Leistung. Es gibt auch laufende Forschung zu neuen Halbleitermaterialien (wie InGaN auf Silizium für verschiedene IR-Bänder) und integrierten Lösungen, die LED-Treiber, Sensor und Signalverarbeitung in einem einzigen Modul kombinieren (z.B. Näherungssensormodule). Die Nachfrage nach zuverlässigen, kostengünstigen IR-Komponenten wächst weiter mit der Expansion des Internets der Dinge (IoT), der Automobilsensorik (z.B. Innenraumüberwachung) und der Industrieautomatisierung.