UVC LED LTPL-G35UV275UZ Datenblatt - 3,5mm x 3,5mm Gehäuse - 5,0-7,5V Durchlassspannung - 72mW Strahlungsfluss - 275nm Spitzenwellenlänge - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die LTPL-G35UV275UZ ist eine leistungsstarke UVC-Licht emittierende Diode, die für Sterilisations- und medizinische Anwendungen konzipiert ist. Sie stellt eine Festkörper-Beleuchtungslösung dar, die konventionelle UV-Quellen durch überlegene Energieeffizienz, längere Betriebsdauer und verbesserte Zuverlässigkeit ersetzen soll. Das Bauteil emittiert Ultraviolett-C-Strahlung mit einer Spitzenwellenlänge von etwa 275 Nanometern, die für keimtötende Zwecke hochwirksam ist.

Zu den Hauptvorteilen dieser LED zählen ihre Kompatibilität mit integrierten Schaltkreisen, die Einhaltung der RoHS-Umweltnormen und ihre bleifreie Bauweise. Aus betrieblicher Sicht verspricht sie im Vergleich zu herkömmlichen quecksilberbasierten UV-Lampen niedrigere Betriebskosten und geringeren Wartungsaufwand, was Entwicklern mehr Freiheit bei der Systemintegration bietet.

1.1 Kernmerkmale und Zielmarkt

Die Hauptanwendung dieser Komponente liegt in Geräten, die Desinfektion erfordern, wie z.B. Wasseraufbereitungssysteme, Luftsterilisatoren und Oberflächen-Desinfektionsgeräte in medizinischen, Labor- und Verbraucherumgebungen. Ihr Design ermöglicht kompakte Bauformen und eine präzise Steuerung der UV-Dosis, was entscheidende Faktoren für wirksame Sterilisationsprotokolle sind.

2. Technische Spezifikationen und detaillierte Interpretation

2.1 Absolute Grenzwerte

Ein Betrieb des Bauteils außerhalb dieser Grenzwerte kann dauerhafte Schäden verursachen. Die absoluten Grenzwerte sind bei einer Umgebungstemperatur (Ta) von 25°C angegeben.

• Verlustleistung (P_O):3,8 W. Dies ist die maximale Gesamtleistung, die das Gehäuse als Wärme abführen kann.
• DC-Durchlassstrom (I_F):500 mA. Der maximal zulässige kontinuierliche Durchlassstrom.
• Betriebstemperaturbereich (T_opr):-40°C bis +80°C. Der Umgebungstemperaturbereich für den Normalbetrieb.
• Lagertemperaturbereich (T_stg):-40°C bis +100°C. Der Temperaturbereich für die Lagerung im nicht betriebsbereiten Zustand.
• Sperrschichttemperatur (T_j):115°C. Die maximal zulässige Temperatur an der Halbleitersperrschicht.

Wichtiger Hinweis:Längerer Betrieb unter Sperrspannungsbedingungen kann zum Ausfall der Komponente führen. Ein geeigneter Schaltungsschutz ist unerlässlich.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Diese Parameter werden bei Ta=25°C gemessen und definieren die Leistung des Bauteils unter typischen Betriebsbedingungen.

• Durchlassspannung (V_F):Typischerweise 6,0V, mit einem Bereich von 5,0V (Min.) bis 7,5V (Max.) bei einem Treiberstrom (I_F) von 350mA. Die Messtoleranz beträgt ±0,1V. Diese relativ hohe Durchlassspannung ist charakteristisch für UVC LEDs.
• Strahlungsfluss (Φ_e):Die gesamte optische Ausgangsleistung. Bei I_F=350mA beträgt der typische Wert 72,0 mW, mit einem Minimum von 56,0 mW. Beim maximalen Nennstrom von 500mA steigt der typische Strahlungsfluss auf 102,0 mW. Die Messtoleranz beträgt ±10%.
• Spitzenwellenlänge (W_P):Reicht von 270 nm bis 280 nm bei I_F=350mA, mit einem typischen Zielwert von 275nm. Die Toleranz beträgt ±3nm. Diese Wellenlänge liegt im effektivsten Band für die Zerstörung mikrobieller DNA/RNA.
• Wärmewiderstand (R_{th j-s}):Typischerweise 12,3 K/W von der Sperrschicht zum Lötpunkt. Dieser Wert ist entscheidend für das Wärmemanagement-Design und wird unter Verwendung einer spezifischen Aluminium-MCPCB als Referenz gemessen.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):Typischerweise 120 Grad, was ein breites Abstrahlmuster bietet.
• Elektrostatische Entladung (ESD)-Empfindlichkeit:Hält mindestens 2000V gemäß der Norm JESD22-A114-B stand, was auf eine gute Handhabungsrobustheit hinweist.

2.3 Thermische Eigenschaften und Management

Eine effektive Wärmeableitung ist für die Leistung und Lebensdauer von UVC LEDs von größter Bedeutung. Der Wärmewiderstand von 12,3 K/W bedeutet, dass pro Watt abgeführter Leistung die Sperrschichttemperatur um 12,3°C über der Temperatur am Lötpunkt ansteigt. Um die Sperrschicht unter ihrem Maximum von 115°C zu halten, insbesondere bei einem Betrieb mit 500mA, ist eine hochwertige Metallkern-Leiterplatte (MCPCB) oder ein anderer effektiver Wärmeleitweg zwingend erforderlich. Die Derating-Kurve (Abb. 7) veranschaulicht grafisch, wie der maximal zulässige Durchlassstrom mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt.

3. Erklärung des Bin-Code-Systems

Die LEDs werden nach Leistungsklassen sortiert, um Konsistenz zu gewährleisten. Der Bin-Code ist auf der Verpackung markiert.

3.1 Durchlassspannung (V_F) Binning

LEDs werden basierend auf ihrer Durchlassspannung bei 350mA in fünf Bins (V0 bis V4) kategorisiert:

V0: 5,0V – 5,5V

V1: 5,5V – 6,0V

V2: 6,0V – 6,5V

V3: 6,5V – 7,0V

V4: 7,0V – 7,5V

Toleranz: ±0,1V pro Bin.

3.2 Strahlungsfluss (Φ_e) Binning

LEDs werden bei 350mA in vier Strahlungsfluss-Bins (X1 bis X4) sortiert:

X1: 56 mW – 66 mW

X2: 66 mW – 76 mW

X3: 76 mW – 86 mW

X4: 86 mW und höher

Toleranz: ±10% pro Bin.

3.3 Spitzenwellenlänge (W_P) Binning

Alle Bauteile fallen in ein einziges Wellenlängen-Bin:

W1: 270 nm – 280 nm

Toleranz: ±3nm.

4. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt enthält mehrere wichtige Diagramme für Entwicklungsingenieure.

4.1 Relative spektrale Verteilung (Abb. 1)

Diese Kurve zeigt die Intensität des emittierten Lichts über das UV-Spektrum. Sie bestätigt das schmale Emissionsband um 275nm, mit minimaler Emission außerhalb des keimtötenden Bereichs, was eine effiziente und gezielte Sterilisationswirkung sicherstellt.

4.2 Abstrahlcharakteristik (Abb. 2)

Veranschaulicht die räumliche Verteilung der Strahlungsstärke, charakterisiert durch den 120-Grad-Abstrahlwinkel. Dies hilft beim optischen Design, um eine gleichmäßige Bestrahlung auf einer Zielfläche zu erreichen.

4.3 Relativer Strahlungsfluss vs. Durchlassstrom (Abb. 3)

Zeigt, dass die optische Ausgangsleistung mit dem Treiberstrom zunimmt, aber letztendlich sättigt. Die Kurve ist entscheidend, um den optimalen Treiberstrom für einen Ausgleich zwischen Ausgangsleistung, Effizienz und Bauteillebensdauer zu bestimmen.

4.4 Durchlassspannung vs. Durchlassstrom (Abb. 4)

Zeigt die IV-Kennlinie der Diode. Die Spannung steigt logarithmisch mit dem Strom. Diese Daten sind für den Entwurf der Stromtreiberschaltung notwendig.

4.5 Temperaturabhängigkeit (Abb. 5 & 6)

Abb. 5 (Relativer Strahlungsfluss vs. Sperrschichttemperatur):Demonstriert den negativen Temperaturkoeffizienten von UVC LEDs. Mit steigender Sperrschichttemperatur nimmt die optische Ausgangsleistung deutlich ab. Dies unterstreicht die kritische Bedeutung des Wärmemanagements, um eine stabile Ausgangsleistung aufrechtzuerhalten.

Abb. 6 (Durchlassspannung vs. Sperrschichttemperatur):Zeigt, dass die Durchlassspannung linear mit steigender Sperrschichttemperatur abnimmt. Diese Eigenschaft kann manchmal für eine indirekte Temperaturüberwachung genutzt werden.

4.6 Derating-Kurve für den Durchlassstrom (Abb. 7)

Vielleicht das kritischste Diagramm für die Zuverlässigkeit. Es definiert den maximal zulässigen Durchlassstrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Um Überhitzung zu verhindern und eine lange Lebensdauer zu gewährleisten, muss der Betriebsstrom reduziert werden, wenn die LED in Umgebungen mit höherer Temperatur eingesetzt wird.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Abmessungen

Das Bauteil verfügt über ein SMD-Gehäuse mit Abmessungen von etwa 3,5mm x 3,5mm. Alle Maßtoleranzen betragen ±0,2mm, sofern nicht anders angegeben. Das Datenblatt enthält eine detaillierte mechanische Zeichnung mit Drauf-, Seiten- und Untersicht, einschließlich der Lage der Kathodenmarkierung.

5.2 Empfohlenes Lötpaddesign für die Leiterplatte

Ein detailliertes Lötflächenmuster wird bereitgestellt, um eine zuverlässige Lötung und optimalen Wärmetransfer vom thermischen Pad der LED zur Leiterplatte zu gewährleisten. Die Einhaltung dieser empfohlenen Pad-Abmessungen (mit einer Toleranz von ±0,1mm) ist für die mechanische Stabilität und thermische Leistung entscheidend.

6. Löt- und Montagerichtlinien

6.1 Reflow-Lötprofil

Ein bleifreies Reflow-Profil wird empfohlen:

- Spitzentemperatur (T_P): Maximal 260°C (empfohlen 245°C).

- Zeit oberhalb der Liquidustemperatur (T_L=217°C): 60-150 Sekunden.

- Zeit innerhalb von 5°C der Spitzentemperatur (t_P): 10-30 Sekunden.

- Maximale Aufheizrate: 3°C/Sek.

- Maximale Abkühlrate: 6°C/Sek.

- Gesamtzeit von 25°C bis zur Spitze: Maximal 8 Minuten.

Wichtige Hinweise:Das Reflow-Löten sollte maximal dreimal durchgeführt werden. Ein schneller Abkühlprozess wird nicht empfohlen. Alle Temperaturmessungen beziehen sich auf die Oberseite des Gehäuses.

6.2 Handlöten

Falls Handlöten notwendig ist, sollte die Lötspitzentemperatur 300°C nicht überschreiten und die Kontaktzeit auf maximal 2 Sekunden pro Lötstelle begrenzt sein. Dieser Vorgang sollte nur einmal durchgeführt werden.

6.3 Reinigung

Falls nach dem Löten eine Reinigung erforderlich ist, sollten nur alkoholbasierte Lösungsmittel wie Isopropylalkohol verwendet werden. Nicht spezifizierte chemische Reiniger können das LED-Gehäusematerial und die optischen Eigenschaften beschädigen.

7. Verpackung und Handhabung

7.1 Spezifikationen für Band und Rolle

Die LEDs werden auf geprägter Trägerbandfolie und Rollen geliefert, die den EIA-481-1-B-Spezifikationen entsprechen.

- Rollengröße: 7 Zoll.

- Menge pro Rolle: Maximal 500 Stück (mindestens 100 Stück für Restposten).

- Die Bandtaschen sind mit einem Deckband versiegelt. Die maximale Anzahl aufeinanderfolgender fehlender Bauteile beträgt zwei. Detaillierte Abmessungen für die Bandtasche und die Rolle sind im Datenblatt angegeben.

8. Zuverlässigkeit und Lebensdauer

8.1 Zuverlässigkeitstestplan

Das Bauteil durchläuft eine umfassende Reihe von Zuverlässigkeitstests, jeweils für 1.000 Stunden oder 100 Zyklen:

1. Betriebslebensdauer bei Raumtemperatur (RTOL) bei 350mA.

2. Betriebslebensdauer bei Raumtemperatur (RTOL) bei 500mA.

3. Hochtemperatur-Lagerung (HTSL) bei 100°C.

4. Tieftemperatur-Lagerung (LTSL) bei -40°C.

5. Feuchte-Wärme-Lagerung (WHTSL) bei 60°C/90% rel. Luftfeuchte.

6. Temperaturschock (TS) von -30°C bis +85°C.

Die Betriebslebensdauertests werden mit der LED auf einem spezifizierten Metallkühlkörper durchgeführt.

8.2 Ausfallkriterien

Ein Bauteil gilt als im Zuverlässigkeitstest ausgefallen, wenn nach dem Test entweder:

- Die Durchlassspannung (bei 350mA) um mehr als 10% gegenüber ihrem Ausgangswert angestiegen ist, oder

- Der Strahlungsfluss (bei 350mA) auf weniger als 50% seines Ausgangswerts abgefallen ist.

9. Anwendungshinweise und Designüberlegungen

9.1 Ansteuerungsmethode

Ein Konstantstromtreiber ist für den Betrieb dieser LED zwingend erforderlich. Der Treiberstrom sollte basierend auf dem erforderlichen Strahlungsfluss, den Fähigkeiten des thermischen Designs und der gewünschten Lebensdauer unter Verwendung der Derating-Kurve als Leitfaden ausgewählt werden. Pulsbetrieb kann in Betracht gezogen werden, um die Spitzen-Sperrschichttemperatur in Hochleistungsanwendungen zu steuern.

9.2 Thermische Auslegung

Dies ist der mit Abstand kritischste Aspekt des Systemdesigns. Verwenden Sie den angegebenen Wärmewiderstandswert (12,3 K/W), um die notwendige Kühlkörperleistung zu berechnen. Eine MCPCB mit hoher Wärmeleitfähigkeit (wie der referenzierte Aluminiumtyp) wird dringend empfohlen. Sorgen Sie für einen niedrigen Wärmewiderstand vom Lötpunkt der LED zur Umgebung.

9.3 Optische und Sicherheitsüberlegungen

UVC-Strahlung ist schädlich für menschliche Haut und Augen. Das Endprodukt muss geeignete Abschirmungen und Sicherheitsverriegelungen enthalten, um eine Exposition des Benutzers zu verhindern. Im Strahlengang verwendete Materialien (Linsen, Fenster) müssen UVC-durchlässig sein, wie z.B. Quarzglas oder spezielle Quarzqualitäten, da Standardglas und Kunststoffe UVC-Licht absorbieren.

10. Technischer Vergleich und Trends

10.1 Vorteile gegenüber konventionellen UV-Quellen

Im Vergleich zu Quecksilberdampflampen bietet diese UVC LED:

- Sofortiges Ein-/Ausschalten:Keine Aufwärm- oder Abkühlzeit.

- Kompakte Größe:Ermöglicht Miniaturisierung von Geräten.

- Robustheit:Widerstandsfähiger gegenüber mechanischem Stoß und Vibration.

- Wellenlängenspezifität:Gezielte 275nm-Ausgangsleistung ohne breitbandige Abwärme.

- Umweltvorteil:Enthält kein Quecksilber.

10.2 Funktionsprinzip und Wirksamkeit

UVC-Licht bei 275nm wird von der DNA und RNA von Mikroorganismen (Bakterien, Viren, Schimmelpilze) absorbiert. Diese Absorption verursacht die Bildung von Thymin-Dimeren, was den genetischen Code stört und die Replikation verhindert und den Krankheitserreger effektiv inaktiviert. Die Wirksamkeit variiert je nach Organismustyp, wobei die erforderlichen Dosen (Bestrahlungsstärke) in mJ/cm² angegeben werden.

10.3 Markttrends

Der UVC LED-Markt wird durch die steigende Nachfrage nach quecksilberfreien Desinfektionslösungen in den Bereichen Gesundheitswesen, Wasseraufbereitung, Luftreinigung und Unterhaltungselektronik angetrieben. Wichtige Entwicklungstrends sind die Steigerung der Wandsteckdosen-Effizienz (optische Leistung / elektrische Leistung), höhere Ausgangsleistung pro Chip und längere Betriebslebensdauern, was alles die Kosteneffektivität von LED-basierten Systemen verbessert.