ELUC3535NUB UVC LED Datenblatt - 3,5x3,5x1,3mm - 5,0-7,5V - 0,13W - 270-285nm - Technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Die ELUC3535NUB-Serie stellt eine hochzuverlässige, keramikbasierte LED-Lösung dar, die speziell für Ultraviolett-C (UVC)-Anwendungen entwickelt wurde. Dieses Produkt ist für einen konsistenten Betrieb in anspruchsvollen Umgebungen konzipiert, in denen die keimtötende Wirksamkeit von größter Bedeutung ist. Sein Kernaufbau nutzt ein Keramiksubstrat, das im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffgehäusen ein überlegenes Wärmemanagement bietet – ein entscheidender Faktor für die Aufrechterhaltung der LED-Lebensdauer und Ausgangsstabilität in UVC-Anwendungen.

Der primäre Zielmarkt für dieses Bauteil ist der Desinfektions- und Sterilisationssektor. Dazu gehören Anwendungen wie Wasseraufbereitungssysteme, Luftreinigungsgeräte, Oberflächendesinfektionsgeräte und die Sterilisation medizinischer Instrumente. Das Produktdesign priorisiert Faktoren, die für diese Anwendungen wesentlich sind: optische Leistung im keimtötenden Bereich, robuste Bauweise für Langlebigkeit und Kompatibilität mit Standard-Oberflächenmontage (SMT)-Fertigungsprozessen.

2. Vertiefung der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Das Bauteil ist für einen maximalen DC-Durchlassstrom (I_F) von 100 mA ausgelegt. Der typische Betriebszustand, der in den Bestellinformationen angegeben ist, beträgt jedoch 20 mA. Diese Unterschreitung ist entscheidend, um langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten und einen beschleunigten Abbau des Halbleiterübergangs zu verhindern. Die maximale Sperrschichttemperatur (T_J) beträgt 100°C, mit einem thermischen Widerstand (R_th) von Sperrschicht zu Umgebung von 65 °C/W. Dieser thermische Widerstandswert ist ein Schlüsselparameter für das Kühlkörperdesign; das Überschreiten der Sperrschichttemperatur kann zu katastrophalem Ausfall oder deutlich reduzierter Strahlungsleistung führen.

Das Bauteil bietet ESD-Schutz bis zu 2 kV (Human Body Model), was ein Standard-Schutzniveau für die Handhabung in den meisten Fertigungsumgebungen ist. Der Betriebstemperaturbereich reicht von -30°C bis +85°C, und der Lagertemperaturbereich von -40°C bis +100°C, was die Eignung für eine Vielzahl globaler Klimazonen und Lagerbedingungen sicherstellt.

2.2 Lichttechnische und elektrische Eigenschaften

Die primäre lichttechnische Ausgangsgröße wird als Strahlungsfluss (mW) gemessen, nicht als Lichtstrom (lm), da es sich um einen nicht sichtbaren UV-Emitter handelt. Der typische Strahlungsfluss beim Nenn-Durchlassstrom von 20 mA beträgt 2 mW, mit einem garantierten Mindestwert von 1 mW und einem Maximum von 2,5 mW für den aufgeführten Bestellcode. Die Spitzenwellenlänge liegt im Bereich von 270 nm bis 285 nm, was innerhalb des wirksamsten Bandes für keimtötende Wirkung liegt und die DNA/RNA von Mikroorganismen schädigt.

Elektrisch liegt die Durchlassspannung (V_F) bei 20 mA im Bereich von 5,0 V bis 7,5 V. Diese relativ hohe Durchlassspannung ist charakteristisch für tiefe Ultraviolett-LEDs. Der typische Abstrahlwinkel beträgt 120°, definiert als der Winkel, bei dem die Intensität die Hälfte des Spitzenwertes beträgt (2θ_1/2).

3. Erklärung des Binning-Systems

Das Produkt wird nach einem detaillierten Binning-System klassifiziert, um anwendungsspezifische Konsistenz zu gewährleisten. Dieses System umfasst drei Schlüsselparameter: Strahlungsfluss, Spitzenwellenlänge und Durchlassspannung.

3.1 Strahlungsfluss-Bins

Der Strahlungsfluss wird in drei Kategorien eingeteilt: Q0A (1,0-1,5 mW), Q0B (1,5-2,0 mW) und Q0C (2,0-2,5 mW). Dies ermöglicht es Konstrukteuren, LEDs basierend auf der benötigten optischen Leistungsabgabe für ihr System auszuwählen, mit engeren Toleranzen als die allgemeinen Min/Max-Spezifikationen.

3.2 Spitzenwellenlänge-Bins

Die Spitzenwellenlänge ist für die UVC-Wirksamkeit von entscheidender Bedeutung. Die Bins sind: U27A (270-275 nm), U27B (275-280 nm) und U28 (280-285 nm). Unterschiedliche Krankheitserreger haben unterschiedliche Empfindlichkeitsspitzen innerhalb des UVC-Spektrums, daher ermöglicht dieses Binning ein optimiertes Systemdesign.

3.3 Durchlassspannungs-Bins

Die Durchlassspannung wird in 0,5V-Schritten von 5,0V bis 7,5V eingeteilt (z.B. 5055 für 5,0-5,5V, 5560 für 5,5-6,0V usw.). Eine konsistente V_Finnerhalb eines Arrays vereinfacht das Treiberdesign und gewährleistet eine gleichmäßige Stromverteilung, wenn mehrere LEDs parallel geschaltet sind.

4. Analyse der Leistungskurven

4.1 Spektrum

Die spektrale Verteilungskurve zeigt einen schmalen Emissionspeak um die spezifizierte Wellenlänge (z.B. ~275nm) zentriert, mit minimaler Emission außerhalb des UVC-Bandes. Diese spektrale Reinheit ist vorteilhaft, da sie sicherstellt, dass die Energie im keimtötenden Bereich konzentriert ist.

4.2 Relativer Strahlungsfluss vs. Durchlassstrom

Die Kurve zeigt eine sublineare Beziehung. Während die Ausgangsleistung mit dem Strom ansteigt, nimmt der Wirkungsgrad (mW/mA) bei höheren Strömen aufgrund der erhöhten Sperrschichttemperatur und anderer nicht-idealer Effekte ab. Dies unterstreicht die Bedeutung des Wärmemanagements und des Betriebs innerhalb der empfohlenen Bedingungen.

4.3 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung

Die I-V-Kurve zeigt die für eine Diode typische exponentielle Beziehung. Der spezifizierte V_F-Bereich bei 20mA ist klar angegeben. Die Kurve ist für die Auslegung des Konstantstrom-Treibers wesentlich, da eine kleine Spannungsänderung zu einer großen Stromänderung führen kann.

4.4 Relativer Strahlungsfluss vs. Umgebungstemperatur

Diese Kurve zeigt den negativen Temperaturkoeffizienten der LED-Ausgangsleistung. Mit steigender Umgebungs- (und folglich Sperrschicht-) Temperatur nimmt der Strahlungsfluss ab. Dieser thermische Abfall muss im Systemdesign berücksichtigt werden, um eine konsistente Desinfektionsleistung über den gesamten Betriebstemperaturbereich sicherzustellen.

4.5 Derating-Kurve

Die Derating-Kurve ist die kritischste Grafik für einen zuverlässigen Betrieb. Sie definiert den maximal zulässigen Durchlassstrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Um ein Überschreiten der maximalen Sperrschichttemperatur zu verhindern, muss der Treiberstrom mit steigender Umgebungstemperatur reduziert werden. Beispielsweise ist bei einer Umgebungstemperatur von 85°C der maximal zulässige Strom deutlich niedriger als der absolute Maximalwert von 100mA.

5. Mechanische und Verpackungsinformationen

5.1 Mechanische Abmessungen

Das Gehäuse hat einen kompakten Bauraum von 3,5 mm x 3,5 mm bei einer Höhe von 1,3 mm. Die Maßzeichnung gibt die Position der Anode (Pad 2), Kathode (Pad 1) und des zentralen thermischen Pads (Pad 3) an. Das thermische Pad ist für eine effektive Wärmeableitung unerlässlich; es muss ordnungsgemäß auf ein wärmeleitendes Pad auf der Leiterplatte gelötet werden, das mit internen Masseebenen oder einem externen Kühlkörper verbunden sein sollte.

5.2 Emitter-Band und Rolle-Verpackung

Die LEDs werden auf geprägter Trägerbandfolie geliefert, auf Rollen mit 1000 Stück aufgewickelt. Die Bandmaße und Rollenspezifikationen (z.B. 180mm Rolldurchmesser) sind angegeben, um die Kompatibilität mit automatischen Bestückungsmaschinen sicherzustellen. Die Bauteile sind weiterhin in einer feuchtigkeitsbeständigen Aluminiumfolie mit Trockenmittel verpackt, um Feuchtigkeitsaufnahme während der Lagerung zu verhindern, was für Keramikgehäuse entscheidend ist, um \"Popcorning\" während des Reflow-Lötens zu vermeiden.

6. Löt- und Montagerichtlinien

Der ELUC3535NUB ist für Standard-SMT-Reflow-Lötprozesse geeignet. Wichtige Empfehlungen umfassen: Verwendung eines bleifreien Reflow-Profils, das mit den thermischen Grenzen des Bauteils kompatibel ist, Vermeidung mechanischer Belastung der LED während des Aufheizens und Abkühlens und Begrenzung der Anzahl der Reflow-Zyklen auf maximal zwei. Nach dem Löten sollte die Leiterplatte nicht gebogen werden, da dies mechanische Spannungen auf die Lötstellen und den Keramikkörper ausüben kann, was möglicherweise zu Rissen oder Ausfall führt.

7. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

7.1 Typische Anwendungsszenarien

• Statische Luftdesinfektion:Verwendung in HLK-Systemen oder Luftreinigern, bei denen UVC-Licht eine Kammer bestrahlt, durch die Luft strömt.
• Oberflächendesinfektion:Integration in Geräte zur Desinfektion von Mobiltelefonen, Werkzeugen oder Arbeitsplatten.
• Wassersterilisation:Einsatz in Wasserfiltern am Verbrauchsort, bei denen Wasser an einem UVC-durchlässigen Quarzrohr vorbeifließt, das die LED enthält.

7.2 Kritische Designüberlegungen

• Wärmemanagement:Dies ist der wichtigste Faktor. Verwenden Sie eine Leiterplatte mit Wärmeleitdurchkontaktierungen unter dem thermischen Pad, die mit großen Kupferflächen oder einem externen Kühlkörper verbunden sind. Überwachen Sie die Sperrschichttemperatur.
• Treiberstrom:Betreiben Sie die LED bei oder unterhalb des empfohlenen 20mA-Stroms für Langlebigkeit. Verwenden Sie einen Konstantstromtreiber, keine Konstantspannungsquelle.
• Optische Materialien:Das Ausgangsfenster besteht aus Quarzglas. Stellen Sie sicher, dass alle sekundären Optiken oder Schutzabdeckungen aus UVC-durchlässigen Materialien bestehen (z.B. Quarzglas, bestimmte Spezialkunststoffe). Standardglas und die meisten Kunststoffe absorbieren UVC-Strahlung.
• Sicherheit:UVC-Strahlung ist schädlich für Augen und Haut. Gehäuse müssen jegliches Austreten von UV-Licht während des Betriebs verhindern. Integrieren Sie Verriegelungsschalter, wenn Gehäuse während der Nutzung geöffnet werden können.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die Hauptunterscheidungsmerkmale des ELUC3535NUB sind sein Keramikgehäuse (AIN - Aluminiumnitrid) und die Quarzglaslinse. Das Keramikgehäuse bietet eine deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit als Kunststoff (z.B. PPA, PCT), was zu niedrigeren Betriebssperrschichttemperaturen bei gleichem Treiberstrom führt, was sich direkt in einer längeren Lebensdauer und stabilerer Ausgangsleistung niederschlägt. Die Quarzglaslinse bietet im Vergleich zu Silikon- oder Epoxidharzlinsen eine überlegene UV-Durchlässigkeit und Beständigkeit gegen Vergilbung (Solarisation), die unter längerer UVC-Bestrahlung abbauen können.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Kann ich diese LED mit 100mA für eine höhere Ausgangsleistung betreiben?

A: Nein. Die 100mA-Angabe ist ein absoluter Maximalwert, kein Betriebszustand. Das Überschreiten des typischen 20mA-Treiberstroms erhöht die Sperrschichttemperatur drastisch, was zu einem schnellen Leistungsabfall und potenziellem Bauteilausfall führt. Halten Sie sich stets an die Derating-Kurve.

F: Warum ist die Durchlassspannung so hoch und variabel (5,0-7,5V)?

A: Die hohe Bandlückenenergie, die für die Emission von UVC-Photonen erforderlich ist, führt zu einer höheren Durchlassspannung. Die Variation ist inhärenter Bestandteil der Halbleiterfertigungsprozesse, weshalb das Binning-System bereitgestellt wird. Entwerfen Sie Ihre Treiberschaltung so, dass sie den vollen Spannungsbereich Ihres ausgewählten Bins abdeckt.

F: Wie interpretiere ich den \"Mindest-Strahlungsfluss\" von 1mW?

A: Dies ist die garantierte Untergrenze für den spezifischen Bestellcode. Der typische Wert beträgt 2mW, und die meisten Bauteile werden in der Nähe dieses Wertes liegen. Das Binning-System (Q0A/B/C) ermöglicht es Ihnen, Teile mit einer engeren, garantierten Mindestleistung innerhalb dieses Gesamtbereichs zu erwerben.

10. Praktische Design-Fallstudie

Szenario:Entwurf eines kompakten, USB-betriebenen Oberflächen-Desinfektionsstabs.

Designschritte:

1. Leistungsbudget:Der USB-Anschluss liefert 5V, max. ~500mA. Die LED-V_F(5-7,5V) ist höher als die Quellspannung. Ein Aufwärtswandler-Konstantstromtreiber ist erforderlich.

2. Thermisches Design:Das Stabgehäuse ist klein. Wählen Sie eine Leiterplatte mit Metallkern (MCPCB) mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Löten Sie das thermische Pad der LED direkt auf die MCPCB. Die Metallbasis der MCPCB dient als primärer Kühlkörper und Teil des Stabgehäuses.

3. Optisches Design:Verwenden Sie einen flachen Reflektor, um den 120°-Strahl auf die Zieloberfläche zu lenken. Stellen Sie sicher, dass das Reflektormaterial UVC-stabil ist (z.B. Aluminium mit Schutzbeschichtung).

4. Sicherheit:Entwerfen Sie einen Verschluss, der sich nur öffnet, wenn der Stab gegen eine Oberfläche gedrückt wird, um UVC-Austritt zu blockieren. Integrieren Sie eine Zeitschalterschaltung, um die Belichtungsdauer pro Aktivierung zu begrenzen.

5. Bauteilauswahl:Wählen Sie LEDs aus einem einzigen Durchlassspannungs-Bin (z.B. 5055), um das Treiberdesign zu vereinfachen, wenn mehrere LEDs verwendet werden. Wählen Sie den geeigneten Strahlungsfluss-Bin basierend auf der gewünschten Dosis und Behandlungszeit.

11. Funktionsprinzip

UVC-LEDs sind Halbleiterbauelemente, die durch Elektrolumineszenz Photonen im ultravioletten Spektrum (speziell 200-280nm für UVC) emittieren. Wenn eine Durchlassspannung an den p-n-Übergang angelegt wird, werden Elektronen und Löcher in den aktiven Bereich injiziert. Ihre Rekombination setzt Energie in Form von Photonen frei. Die Wellenlänge dieser Photonen wird durch die Bandlückenenergie der im aktiven Bereich verwendeten Halbleitermaterialien (typischerweise Aluminiumgalliumnitrid - AlGaN) bestimmt. Eine schmalere Bandlücke führt zu längeren Wellenlängen (sichtbar/Infrarot), während die für die UVC-Emission benötigte sehr breite Bandlücke mit einem hohen Aluminiumanteil in den AlGaN-Schichten erreicht wird.

12. Technologietrends

Der UVC-LED-Markt wird durch die Nachfrage nach quecksilberfreien, sofort einsatzbereiten, kompakten und robusten Desinfektionslösungen angetrieben. Wichtige Trends sind:

Steigende Wandsteckdosenwirkungsgrad (WPE):Die Forschung konzentriert sich auf die Verbesserung der internen Quanteneffizienz (IQE) und der Lichteinkopplungseffizienz (LEE), um mehr elektrische Eingangsleistung in UVC-optische Ausgangsleistung umzuwandeln, wodurch der Stromverbrauch und die Wärmeentwicklung reduziert werden.

Höhere Ausgangsleistung:Die Entwicklung von Multi-Chip-Packages und verbesserten epitaktischen Prozessen erhöht kontinuierlich den Strahlungsfluss pro Bauteil, was die Behandlung größerer Volumina oder die Verkürzung der Belichtungszeit ermöglicht.

Längere Lebensdauern:Verbesserungen bei Verpackungsmaterialien (wie hier verwendete Keramik und Quarz), Die-Attach-Techniken und der Halbleiterzuverlässigkeit verlängern die Betriebslebensdauer (L70/B50) von UVC-LEDs, was sie für Dauerbetriebsanwendungen attraktiver macht.

Kostensenkung:Mit steigenden Fertigungsvolumina und ausgereiften Prozessen sinken die Kosten pro Milliwatt UVC-Ausgangsleistung, was die Bandbreite machbarer Anwendungen über Nischenmärkte hinaus erweitert.