ELUA3535NU3 UVA LED Datenblatt - 3,75x3,75x3,2mm - 3,6-4,8V - 4W Serie - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die ELUA3535NU3-Produktserie stellt eine hochzuverlässige, keramikbasierte LED-Lösung dar, die speziell für Ultraviolett-A (UVA)-Anwendungen entwickelt wurde. Diese 4W-Serie ist für konsistente Leistung in anspruchsvollen Umgebungen konzipiert, in denen UV-Strahlung für ihre keimtötenden oder katalytischen Eigenschaften genutzt wird.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die primären Vorteile dieser LED-Serie ergeben sich aus ihrer robusten Konstruktion und elektrischen Auslegung. Die Verwendung eines Aluminiumnitrid (AlN)-Keramiksubstrats bietet eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, die für das Management der durch Hochleistungsbetrieb erzeugten Wärme und die Gewährleistung langfristiger Zuverlässigkeit entscheidend ist. Das Bauteil verfügt über einen integrierten Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) mit einer Bewertung von bis zu 2KV (HBM), was seine Haltbarkeit während der Handhabung und Montage erhöht. Darüber hinaus ist das Produkt vollständig konform mit den wichtigsten Umwelt- und Sicherheitsvorschriften, einschließlich RoHS, bleifrei, EU REACH und halogenfrei (Br<900ppm, Cl<900ppm, Br+Cl<1500ppm), was es für globale Märkte mit strengen Konformitätsanforderungen geeignet macht.

Die Zielanwendungen liegen hauptsächlich in den industriellen und kommerziellen Sektoren, die UVA-Licht nutzen. Zu den Hauptmärkten gehören UV-Sterilisationssysteme für Luft- und Wasseraufbereitung, UV-Photokatalysatorsysteme zum Abbau flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) und spezielle UV-Sensorbeleuchtung. Die Zuverlässigkeit und Leistungsabgabe des Produkts machen es zu einer geeigneten Komponente für Systeme, die eine anhaltende UV-Emission erfordern.

2. Vertiefung der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Interpretation der im Datenblatt aufgeführten Schlüsselparameter und erklärt deren Bedeutung für Entwicklungsingenieure.

2.1 Absolute Maximalwerte

Die absoluten Maximalwerte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Für die Varianten 385nm, 395nm und 405nm beträgt der maximale Dauer-Vorwärtsstrom (I_F) 1250mA. Es ist entscheidend zu beachten, dass die 365nm-Variante einen deutlich niedrigeren maximalen Strom von 700mA aufweist. Dieser Unterschied ist typischerweise auf die unterschiedlichen Halbleitermaterialien und epitaktischen Strukturen zurückzuführen, die für kürzere Wellenlängen verwendet werden und möglicherweise eine geringere Stromtragfähigkeit oder höhere thermische Empfindlichkeit aufweisen. Ein dauerhafter Betrieb an oder nahe diesen Grenzen wird die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der LED drastisch reduzieren. Die maximale Sperrschichttemperatur (T_J) ist mit 105°C angegeben. Der thermische Widerstand von der Sperrschicht zum thermischen Pad (R_θth) wird mit 4°C/W spezifiziert. Dieser Parameter ist für das Wärmemanagement-Design von entscheidender Bedeutung; beispielsweise kann bei vollem Nennstrom der Temperaturanstieg vom Pad zur Sperrschicht berechnet werden. Eine ordnungsgemäße Kühlung ist unerlässlich, um die Sperrschichttemperatur innerhalb sicherer Grenzen zu halten.

2.2 Lichttechnische und elektrische Eigenschaften

Die angegebenen Bestellcodes detaillieren spezifische Leistungs-Bins. Der Strahlungsfluss, das Maß für die gesamte optische Leistungsabgabe in Watt (oder Milliwatt), variiert je nach Wellenlänge. Für die 365nm-LED (Betrieb bei 700mA) beträgt der minimale Strahlungsfluss 900mW, typisch sind 1300mW und maximal 1600mW. Für die 385nm-, 395nm- und 405nm-LEDs (Betrieb bei 1000mA) beträgt das Minimum 1350mW, typisch 1475mW und maximal 1850mW. Die Vorwärtsspannung (V_F) für alle Modelle der Serie ist in einem Bereich von 3,6V bis 4,8V bei ihren jeweiligen Betriebsströmen spezifiziert. Dieser Bereich muss bei der Auslegung der Treiberschaltung berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass sie ausreichend Spannung liefern kann, während die Verlustleistung gemanagt wird.

3. Erläuterung des Binning-Systems

Das Produkt wird basierend auf drei Schlüsselparametern klassifiziert: Strahlungsfluss, Spitzenwellenlänge und Vorwärtsspannung. Dies ermöglicht es Kunden, LEDs mit eng gruppierten Eigenschaften für eine konsistente Systemleistung auszuwählen.

3.1 Binning des Strahlungsflusses

Für verschiedene Wellenlängengruppen werden zwei separate Binning-Tabellen verwendet. Für die 365nm-LED kategorisieren die Bincodes U1 bis U4 den Strahlungsfluss von 900-1000mW bis zu 1400-1600mW. Für die 385nm- bis 405nm-LEDs werden die Bincodes U51 (1350-1600mW) und U52 (1600-1850mW) verwendet. Entwickler müssen sicherstellen, dass die minimale erforderliche Bestrahlungsstärke ihres optischen Systems durch den Mindestwert des ausgewählten Bins erreicht wird.

3.2 Binning der Spitzenwellenlänge

Die Spitzenwellenlänge wird in 10nm-Bereiche eingeteilt: U36 (360-370nm), U38 (380-390nm), U39 (390-400nm) und U40 (400-410nm). Die Auswahl hängt von der spektralen Empfindlichkeit der Anwendung ab. Beispielsweise hat die Photokatalysatoraktivierung oft einen optimalen Wellenlängenbereich.

3.3 Binning der Vorwärtsspannung

Die Vorwärtsspannung wird in drei Gruppen eingeteilt: 3640 (3,6-4,0V), 4044 (4,0-4,4V) und 4448 (4,4-4,8V). Dies ist wichtig für den Treiberwirkungsgrad und das Wärmemanagement. LEDs aus einem niedrigeren Spannungs-Bin geben bei gleichem Strom weniger Leistung als Wärme ab (P = V_F* I_F), was möglicherweise einen einfacheren oder kleineren Kühlkörper ermöglicht.

4. Analyse der Leistungskennlinien

Die typischen Kennlinien geben Einblick in das Verhalten der LED unter verschiedenen Betriebsbedingungen, was für ein robustes Systemdesign unerlässlich ist.

4.1 Spektrum und relativer Strahlungsfluss vs. Strom

Das Spektrumdiagramm zeigt die normierte Emissionsintensität über die Wellenlängen für die vier Hauptvarianten. Jede hat einen deutlichen Peak mit relativ schmalen spektralen Bandbreiten, die für UV-LEDs typisch sind. Die Kurve für den relativen Strahlungsfluss in Abhängigkeit vom Vorwärtsstrom zeigt eine sublineare Beziehung. Die Ausgangsleistung steigt nicht proportional zum Strom, insbesondere bei höheren Strömen, aufgrund des Effizienzabfalls, der durch erhöhte Sperrschichttemperatur und andere Halbleitereffekte verursacht wird. Dies unterstreicht die Bedeutung des Wärmemanagements zur Aufrechterhaltung der Ausgangsleistung.

4.2 Thermische Eigenschaften

Die Kurven für den relativen Strahlungsfluss in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und der Spitzenwellenlänge in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur sind kritisch. Mit steigender Umgebungs- (oder Pad-) Temperatur nimmt der Strahlungsfluss deutlich ab – eine häufige Eigenschaft von LEDs. Beispielsweise beträgt bei 120°C der relative Fluss nur etwa 40-50% seines Wertes bei 25°C. Gleichzeitig verschiebt sich die Spitzenwellenlänge mit steigender Temperatur zu längeren Wellenlängen (Rotverschiebung), mit einer im Diagramm beobachtbaren Rate. Diese thermische Verschiebung muss in wellenlängenempfindlichen Anwendungen berücksichtigt werden. Die Kurve der Vorwärtsspannung in Abhängigkeit von der Temperatur zeigt einen negativen Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass V_Fmit steigender Temperatur abnimmt, was den Betrieb von Konstantstromtreibern beeinflussen kann.

5. Mechanische und Verpackungsinformationen

5.1 Abmessungen und Toleranzen

Die LED hat einen kompakten Footprint von 3,75mm x 3,75mm mit einer Gesamthöhe von 3,2mm. Die Maßzeichnung spezifiziert alle kritischen Längen, einschließlich des thermischen Pads und der Anoden-/Kathodenpads. Die allgemeine Toleranz für planare Abmessungen beträgt ±0,1mm, während die Dickentoleranz ±0,15mm beträgt. Diese Toleranzen sind wichtig für das PCB-Layout, das Design der Lötpastenschablone und die Gewährleistung einer korrekten Platzierung durch Bestückungsautomaten.

5.2 Pad-Konfiguration und Polarität

Die Draufsicht zeigt das Pad-Layout deutlich. Das zentrale, große rechteckige Pad ist das thermische Pad (Kathode), das für die Wärmeübertragung zur Leiterplatte entscheidend ist. Zwei kleinere elektrische Pads befinden sich auf einer Seite: eines für die Anode und eines für die Kathode. Die Polarität ist im Diagramm angegeben. Die Kathode ist typischerweise mit dem thermischen Pad und einem der kleineren Pads verbunden. Eine korrekte Polarisationsidentifikation während der Montage ist zwingend erforderlich, um Bauteilausfälle zu verhindern.

6. Löt- und Montagerichtlinien

6.1 Reflow-Lötprozess

Die LED ist für Standard-Oberflächenmontage (SMT)-Prozesse geeignet. Das Datenblatt enthält ein Reflow-Profil-Diagramm mit wichtigen Parametern: eine Aufwärmzone, ein schneller Temperaturanstieg zum Peak und eine kontrollierte Abkühlphase. Die empfohlene Spitzentemperatur beträgt 260°C (+0°C/-5°C) für maximal 10 Sekunden. Es wird ausdrücklich angegeben, dass das Reflow-Löten nicht mehr als zweimal durchgeführt werden sollte, um unangemessene thermische Belastung des Gehäuses und der internen Bondverbindungen zu vermeiden. Mechanische Belastung des LED-Körpers während des Erhitzens (z.B. durch PCB-Verzug) muss vermieden werden, und das Biegen der Leiterplatte nach dem Löten ist verboten, da dies die Lötstellen oder das Keramikgehäuse selbst beschädigen kann.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

7.1 Entschlüsselung der Modellnomenklatur

Der vollständige Bestellcode (z.B. ELUA3535NU3-P6070U23648700-V41G) ist ein detaillierter Deskriptor:

• EL: Herstellerpräfix.
• UA: UVA-Produkttyp.
• 3535: Gehäusegröße 3,75mm x 3,75mm.
• N: Gehäusematerial ist Aluminiumnitrid (AlN).
• U: Beschichtung ist Gold (Au).
• 3: Abstrahlwinkel beträgt 30°.
• PXXXX: Code für die Spitzenwellenlänge (z.B. 6070 für 360-370nm).
• YY: Code für den minimalen Strahlungsfluss.
• 3648 / 700 / 1K0: Vorwärtsspannungsbereich (3,6-4,8V) und Vorwärtsstrom (700mA oder 1000mA).
• V41G: Chip-Typ (Vertikal), Größe (43mil), Anzahl (1) und Prozess (Quarzglas).

8. Anwendungsempfehlungen

8.1 Typische Anwendungsszenarien

UV-Sterilisationssysteme:Für die Luft- oder Wasserdesinfektion ist der Bereich 265-280nm (UVC) am effektivsten für DNA-Schäden. UVA-LEDs (wie diese Serie) werden jedoch in einigen fortgeschrittenen Oxidationsprozessen (AOP) oder in Systemen eingesetzt, die auf spezifische, für längere UV-Wellenlängen empfindliche Krankheitserreger abzielen, oder in Kombination mit Photokatalysatoren. Das Systemdesign muss eine ausreichende UV-Dosis (Intensität x Zeit) sicherstellen.
UV-Photokatalysator:Typischerweise unter Verwendung von TiO₂ werden Photokatalysatoren durch UV-Licht aktiviert. Häufig werden die 385nm- oder 395nm-Varianten verwendet. Das Design muss eine gleichmäßige Ausleuchtung der Katalysatoroberfläche gewährleisten und die Wärme managen, da die Katalysatoreffizienz temperaturabhängig sein kann.
UV-Sensorlicht:Wird zur Anregung von Fluoreszenz oder für die maschinelle Bildverarbeitung eingesetzt. Die stabile Ausgangsleistung und die spezifische Wellenlänge sind entscheidend. Ein Konstantstromtreiber ist unerlässlich, um eine stabile optische Ausgangsleistung aufrechtzuerhalten, und optische Filter können erforderlich sein, um unerwünschtes sichtbares Licht aus dem Spektrum der LED zu blockieren.

8.2 Kritische Designüberlegungen

Wärmemanagement:Dies ist der wichtigste Faktor für Leistung und Langlebigkeit. Verwenden Sie eine Leiterplatte mit ausreichenden Wärmedurchgangslöchern unter dem thermischen Pad, die mit großen Kupferebenen oder einem externen Kühlkörper verbunden sind. Der thermische Widerstand von 4°C/W gilt von der Sperrschicht zum thermischen Pad der LED; der systemische thermische Widerstand zur Umgebung muss so ausgelegt sein, dass T_Jdeutlich unter 105°C bleibt.
Elektrische Ansteuerung:Verwenden Sie immer einen Konstantstromtreiber, keine Konstantspannungsquelle. Der Treiber muss in der Lage sein, den erforderlichen Strom (700mA oder 1000mA) und eine Spannung zu liefern, die den gesamten V_F-Bereich des ausgewählten Bins plus einen gewissen Spielraum abdeckt. Erwägen Sie bei Bedarf die Implementierung von Pulsweitenmodulation (PWM) zum Dimmen, anstatt einer analogen Stromreduzierung, um Farb-/Wellenlängenverschiebungen zu vermeiden.
Optisches Design:Der Abstrahlwinkel von 30° bietet einen relativ fokussierten Strahl. Linsen oder Reflektoren können verwendet werden, um das Licht für den Zielbereich zu formen. Stellen Sie sicher, dass alle optischen Materialien (Linsen, Fenster) UV-durchlässig sind (z.B. Quarz, spezielle UV-gradige Kunststoffe), da Standardglas und viele Kunststoffe UVA-Strahlung absorbieren.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Obwohl das Datenblatt keinen direkten Vergleich mit anderen Marken bietet, können die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale dieser Serie abgeleitet werden. Die Verwendung eines Keramik-AlN-Gehäuses bietet im Vergleich zu Kunststoffgehäusen, die häufig in leistungsschwächeren LEDs verwendet werden, eine überlegene thermische Leistung, was höhere Treiberströme und eine bessere Zuverlässigkeit ermöglicht. Der integrierte 2KV-ESD-Schutz ist ein bedeutendes Robustheitsmerkmal, das nicht immer in konkurrierenden Produkten vorhanden ist. Das detaillierte Binning über drei Parameter (Fluss, Wellenlänge, Spannung) ermöglicht ein hochpräzises Systemdesign und Konsistenz in der Massenproduktion, was ein Vorteil gegenüber Produkten mit größeren Toleranzen oder weniger Binning-Optionen sein kann.

10. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Warum beträgt der maximale Strom für die 365nm-LED nur 700mA, während die anderen 1250mA betragen?
A: Dies liegt hauptsächlich an den unterschiedlichen Eigenschaften der Halbleitermaterialien, die zur Erzielung der kürzeren 365nm-Wellenlänge verwendet werden. Das Materialsystem (z.B. höherer Aluminiumgehalt in AlGaN) weist typischerweise eine geringere elektrische Leitfähigkeit und höhere Defektdichten auf, was zu einer reduzierten maximalen Stromdichte und einem höheren thermischen Widerstand führt. Der Betrieb bei einem niedrigeren Strom gewährleistet die Zuverlässigkeit und verhindert einen beschleunigten Degradationsprozess.

F: Kann ich diese LED mit einer 3,3V-Stromversorgung betreiben?
A: Nein. Der Vorwärtsspannungsbereich liegt zwischen 3,6V und 4,8V. Eine 3,3V-Versorgung reicht nicht aus, um die LED einzuschalten oder eine nennenswerte Lichtausbeute zu erzielen. Eine Treiberschaltung, die mindestens 4,8V (plus Treiber-Dropout-Spannung) liefern kann, ist erforderlich.

F: Wie interpretiere ich den \"Typischen Strahlungsfluss\"-Wert?
A: Der \"Typische\" Wert ist ein statistischer Durchschnitt oder Median der Produktionseinheiten. Für eine garantierte Leistung in Ihrem Design müssen Sie den \"Minimal\"-Wert aus der Binning-Tabelle verwenden. Ein Design auf Basis des typischen Werts kann dazu führen, dass einige Einheiten in Ihrem System unterdurchschnittlich abschneiden.

F: Ist ein Kühlkörper absolut notwendig?
A: Für jeden Dauerbetrieb mit Nennstrom, ja. Selbst mit dem niedrigen thermischen Widerstand von 4°C/W beträgt bei 1000mA und einer typischen V_F von 4,2V die Verlustleistung 4,2W. Der Temperaturanstieg vom Pad zur Sperrschicht wäre etwa 4,2W * 4°C/W = 16,8°C. Wenn die PCB-Pad-Temperatur 85°C erreicht, liegt die Sperrschicht bereits bei ~102°C, sehr nahe am Maximum von 105°C. Eine effektive Kühlung ist für einen zuverlässigen Betrieb unverzichtbar.

11. Praktisches Design- und Anwendungsbeispiel

Fall: Design einer Leiterplatte für ein Multi-LED-UV-Array zur Oberflächenhärtung.
Ein Ingenieur entwirft ein Array von zwölf 395nm-LEDs für eine UV-Härtungsstation mit geringer Leistung für Klebstoffe. Jede LED wird mit 1000mA betrieben.Schritt 1 - PCB-Layout:Die Leiterplatte ist mit 2oz Kupfer ausgelegt. Ein dediziertes thermisches Entlastungspad, das dem LED-Footprint entspricht, wird erstellt und mit einem Gitter aus Wärmedurchgangslöchern (z.B. 0,3mm Durchmesser, 1mm Raster) gefüllt, die mit einer großen internen Masseebene und einer Kupferfläche auf der Unterseite verbunden sind, die mit einem Aluminiumkühlkörper und Wärmeleitmaterial verbunden wird.Schritt 2 - Elektrisches Design:Ein Konstantstrom-LED-Treiber-IC, der insgesamt 12A liefern kann (oder mehrere kleinere Treiber), wird ausgewählt. Die Ausgangsspannungsfähigkeit des Treibers wird überprüft, um sicherzustellen, dass er 12 LEDs in einer 4-in-Reihe/3-parallel-Konfiguration bewältigen kann, unter Berücksichtigung der maximalen V_F von 4,8V pro LED.Schritt 3 - Optische Integration:Eine Quarzglasabdeckung wird über das Array platziert, um die LEDs zu schützen. Der Abstand zur Zielhärtungsoberfläche wird basierend auf der gewünschten Bestrahlungsstärke berechnet, wobei der minimale Strahlungsfluss-Wert aus dem Bin (1350mW) und der Abstrahlwinkel von 30° verwendet werden, um die beleuchtete Spotgröße und Intensität abzuschätzen.

12. Prinzipielle Einführung

UVA-LEDs arbeiten nach dem Prinzip der Elektrolumineszenz in Halbleitermaterialien. Wenn eine Vorwärtsspannung über den p-n-Übergang des LED-Chips angelegt wird, werden Elektronen und Löcher in den aktiven Bereich injiziert. Ihre Rekombination setzt Energie in Form von Photonen frei. Die Wellenlänge (Farbe) des emittierten Lichts wird durch die Bandlückenenergie des im aktiven Bereich verwendeten Halbleitermaterials bestimmt. Für UVA-Emission (ca. 315-400nm) werden Materialien wie Indiumgalliumnitrid (InGaN) mit spezifischen Zusammensetzungen oder Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) verwendet. Das Keramikgehäuse dient hauptsächlich als mechanische Stütze, elektrischer Isolator und vor allem als hocheffizienter Wärmeleitpfad, um Wärme von der Halbleitersperrschicht abzuleiten, was für die Aufrechterhaltung von Leistung und Langlebigkeit entscheidend ist.

13. Entwicklungstrends

Das Feld der UV-LEDs, insbesondere UVA und UVB, verzeichnet stetige Fortschritte. Wichtige Trends, die in Produkten wie diesem Datenblatt beobachtbar sind, umfassen:Erhöhte Leistung und Effizienz:Laufende Materialforschung zielt darauf ab, den Effizienzabfall zu reduzieren und die Lichtextraktion zu verbessern, was zu einem höheren Strahlungsfluss bei gleicher oder kleinerer Gehäusegröße führt.Verbessertes Wärmemanagement:Die Verwendung fortschrittlicher Keramiksubstrate wie AlN, wie hier zu sehen, wird für Hochleistungsbauteile zur Bewältigung der steigenden thermischen Lasten immer mehr zum Standard.Standardisierung und Binning:Mit der Reifung des Marktes helfen detailliertere und standardisiertere Binning-Codes (wie hier demonstriert) dabei, LEDs in vorhersehbare und wiederholbare Systeme zu integrieren.Wellenlängenausweitung und -kontrolle:Die Forschung arbeitet weiterhin daran, kürzere, effizientere Wellenlängen (weiter in UVB und UVC hinein) zu erreichen und eine engere Kontrolle über Spitzenwellenlänge und spektrale Breite für spezialisierte Anwendungen zu bieten.Systemintegration:Es gibt einen Trend hin zu mehr anwendungsfertigen Modulen, die die LED, den Treiber, die Optik und manchmal Sensoren enthalten, was das Design für Endanwender vereinfacht.