UVC LED LTPL-G35UVC275GC Datenblatt - 3,5x3,5mm - 5,7V typ. - 275nm - 19mW typ. - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die LTPL-G35UVC-Produktserie stellt eine fortschrittliche, energieeffiziente Festkörperlichtquelle dar, die für Sterilisations- und medizinische Anwendungen entwickelt wurde. Diese Technologie vereint die lange Betriebsdauer und hohe Zuverlässigkeit, die Leuchtdioden (LEDs) innewohnen, mit einer effektiven keimtötenden Leistung und stellt somit eine Herausforderung für konventionelle Ultraviolettlichtquellen dar. Sie bietet Designflexibilität und eröffnet neue Möglichkeiten für UVC-Desinfektionslösungen.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Diese UVC LED ist für Anwendungen konzipiert, die eine effektive Inaktivierung von Mikroorganismen erfordern. Ihre primären Vorteile umfassen deutlich niedrigere Betriebs- und Wartungskosten im Vergleich zu herkömmlichen Quecksilberdampflampen, bedingt durch höhere Energieeffizienz und eine längere Lebensdauer. Das Bauteil ist RoHS-konform und bleifrei, was den globalen Umweltvorschriften entspricht. Es ist zudem IC-kompatibel, was die Integration in moderne elektronische Steuerungssysteme erleichtert. Die Zielmärkte umfassen die Sterilisation von Medizingeräten, Wasser- und Luftreinigungssysteme sowie Oberflächendesinfektionsgeräte.

2. Technische Parameter: Detaillierte objektive Interpretation

2.1 Absolute Maximalwerte

Ein Betrieb des Bauteils außerhalb dieser Grenzwerte kann dauerhafte Schäden verursachen. Die maximale Verlustleistung (Po) beträgt 1,1 W. Der absolute maximale Gleichstrom-Durchlassstrom (IF) beträgt 150 mA. Das Bauteil kann in einem Umgebungstemperaturbereich (Topr) von -40°C bis +80°C betrieben und bei Temperaturen (Tstg) von -40°C bis +100°C gelagert werden. Die maximal zulässige Sperrschichttemperatur (Tj) beträgt 105°C. Ein längerer Betrieb unter Sperrspannungsbedingungen wird nicht empfohlen, da dies zu einem Bauteilausfall führen kann.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften bei Ta=25°C

Die wichtigsten Leistungsparameter werden bei einem Standard-Prüfstrom von 120mA gemessen. Die Durchlassspannung (Vf) hat einen typischen Wert von 5,7V, mit einem Minimum von 5,0V und einem Maximum von 7,5V. Der Strahlungsfluss (Φe), der die gesamte optische Ausgangsleistung darstellt, beträgt typischerweise 19 mW, mit einem Minimum von 14 mW. Die Spitzenwellenlänge (λp) liegt im UVC-Spektrum zentriert und reicht von 265 nm bis 280 nm, was auf das DNA/RNA-Absorptionsmaximum für eine effektive Desinfektion abzielt. Der thermische Widerstand von der Sperrschicht zum Lötpunkt (Rth j-s) beträgt typischerweise 24 K/W, was auf die Notwendigkeit eines ordnungsgemäßen Wärmemanagements hinweist. Der Abstrahlwinkel (2θ1/2) beträgt typischerweise 120 Grad. Das Bauteil kann elektrostatische Entladungen (ESD) bis zu 2000V (Human Body Model) standhalten.

2.3 Thermische Eigenschaften

Eine effektive Wärmeableitung ist für Leistung und Lebensdauer entscheidend. Der spezifizierte thermische Widerstand (Rth j-s) von 24 K/W wird unter Verwendung einer 2,0 x 2,0 x 0,17 cm großen Aluminium-Metal-Core-Leiterplatte (MCPCB) gemessen. Das Überschreiten der maximalen Sperrschichttemperatur von 105°C beschleunigt den Lichtstromrückgang und kann zu einem katastrophalen Ausfall führen. Entwickler müssen die erforderliche Kühlung basierend auf der angelegten Leistung und den Umgebungsbedingungen berechnen, um die Sperrschicht innerhalb sicherer Grenzen zu halten.

3. Erklärung des Binning-Systems

Um Konsistenz im Anwendungsdesign zu gewährleisten, werden LEDs nach Leistungsklassen sortiert.

3.1 Binning der Durchlassspannung (Vf)

LEDs werden bei 120mA in fünf Spannungsklassen (V1 bis V5) eingeteilt, die jeweils 0,5V von 5,0V bis 7,5V umfassen. Die Toleranz für jede Klasse beträgt ±0,1V. Dies ermöglicht es Entwicklern, LEDs mit ähnlichen Spannungsabfällen für einen stabilen Betrieb in Parallelschaltungen auszuwählen oder die Anforderungen an die Treiber genau vorherzusagen.

3.2 Binning des Strahlungsflusses (Φe)

Die optische Ausgangsleistung wird bei 120mA in vier Flussklassen (X1 bis X4) sortiert. X1 umfasst 14-17 mW, X2 umfasst 17-20 mW, X3 umfasst 20-23 mW und X4 umfasst Bauteile mit 23 mW und mehr. Die Toleranz beträgt ±7%. Diese Klasseneinteilung ist für Anwendungen, die eine präzise Dosierungskontrolle erfordern, entscheidend, da der Strahlungsfluss direkt die Desinfektionswirksamkeit beeinflusst.

3.3 Binning der Spitzenwellenlänge (Wp)

Alle Bauteile fallen in eine einzige Wellenlängenklasse, W1, die von 265 nm bis 280 nm reicht, mit einer Messtoleranz von ±3 nm. Der Binning-Code ist auf der Verpackungstüte zur Rückverfolgbarkeit aufgedruckt.

4. Analyse der Leistungskurven

4.1 Relativer Strahlungsfluss vs. Durchlassstrom

Die optische Ausgangsleistung steigt überlinear mit dem Strom. Während ein Betrieb mit höheren Strömen (bis zum absoluten Maximum von 150mA) eine höhere Ausgangsleistung liefert, erzeugt dies auch deutlich mehr Wärme, die bewältigt werden muss, um thermisches Durchgehen und beschleunigten Leistungsabfall zu vermeiden.

4.2 Relative spektrale Verteilung

Die spektrale Ausgangskurve zeigt ein schmales Emissionsband, das im UVC-Bereich zentriert ist. Die genaue Spitzenwellenlänge innerhalb der 265-280 nm Klasse beeinflusst die Effizienz der mikrobiellen Inaktivierung, da verschiedene Krankheitserreger leicht unterschiedliche Absorptionsspektren aufweisen.

4.3 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I-V-Kurve)

Diese Kurve zeigt die exponentielle Beziehung zwischen Spannung und Strom der Diode. Sie ist für die Auslegung von Konstantstromtreibern wesentlich, da eine kleine Änderung der Spannung eine große Änderung des Stroms verursachen kann, was sowohl die Lichtausbeute als auch die Bauteiltemperatur beeinflusst.

4.4 Relativer Strahlungsfluss vs. Sperrschichttemperatur

Der Wirkungsgrad von UVC LEDs ist stark temperaturabhängig. Der Strahlungsfluss nimmt mit steigender Sperrschichttemperatur ab. Diese Grafik quantifiziert die Leistungsminderung und unterstreicht die kritische Bedeutung einer niedrigen Sperrschichttemperatur für eine konsistente optische Leistung über die Lebensdauer des Bauteils.

4.5 Abstrahlcharakteristik

Das Polardiagramm veranschaulicht den typischen Abstrahlwinkel von 120 Grad und zeigt die räumliche Verteilung der emittierten UVC-Strahlung. Dies ist wichtig für die Auslegung von Optiken oder Reflektoren, um das keimtötende Licht effektiv auf die Zieloberfläche oder das Zielvolumen zu lenken.

4.6 Derating-Kurve für den Durchlassstrom

Diese Kurve definiert den maximal zulässigen Durchlassstrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Mit steigender Umgebungstemperatur muss der maximal sichere Betriebsstrom reduziert werden, um zu verhindern, dass die Sperrschichttemperatur 105°C überschreitet.

4.7 Durchlassspannung vs. Sperrschichttemperatur

Die Durchlassspannung hat einen negativen Temperaturkoeffizienten; sie nimmt mit steigender Sperrschichttemperatur ab. Diese Eigenschaft kann manchmal für eine indirekte Temperaturüberwachung in geschlossenen Wärmemanagementsystemen genutzt werden.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Abmessungen

Das Gehäuse hat eine Grundfläche von etwa 3,5mm x 3,5mm. Alle Abmessungen haben eine Toleranz von ±0,2mm, sofern nicht anders angegeben. Für das Design des Leiterplatten-Lötpads sollte auf die genaue mechanische Zeichnung verwiesen werden.

5.2 Polaritätskennzeichnung und Pad-Design

Das empfohlene Layout der Lötpads auf der Leiterplatte wird bereitgestellt, um eine zuverlässige Lötung und thermische Verbindung zu gewährleisten. Die Anoden- und Kathodenpads sind klar gekennzeichnet. Die Einhaltung dieses Pad-Layouts ist entscheidend für die korrekte Ausrichtung, elektrische Verbindung und Wärmeübertragung von der LED-Sperrschicht zur Leiterplatte.

6. Löt- und Montagerichtlinien

6.1 Reflow-Lötprofil

Ein bleifreies Reflow-Profil wird empfohlen. Zu den wichtigsten Parametern gehören: eine maximale Spitzentemperatur (Tp) von 260°C (empfohlen 245°C), mit einer Zeit über 217°C (tL) zwischen 60-150 Sekunden. Die Vorwärmtemperatur sollte zwischen 150-200°C für 60-120 Sekunden liegen. Die Aufheizrate sollte 3°C/Sekunde nicht überschreiten und die Abkühlrate sollte 6°C/Sekunde nicht überschreiten. Die Gesamtzeit von 25°C bis zur Spitzentemperatur sollte unter 8 Minuten liegen. Ein schneller Abkühlprozess wird nicht empfohlen.

6.2 Handlötung und allgemeine Hinweise

Falls Handlötung notwendig ist, sollte die Lötspitzentemperatur 300°C nicht überschreiten und die Kontaktzeit sollte auf maximal 2 Sekunden für nur einen Lötvorgang begrenzt werden. Reflow-Lötungen sollten nicht mehr als dreimal durchgeführt werden. Alle Temperaturangaben beziehen sich auf die Oberseite des Gehäuses. Die Verwendung von Tauchlötung wird nicht garantiert. Das Lötprofil muss möglicherweise basierend auf der verwendeten spezifischen Lötpaste angepasst werden.

6.3 Reinigung

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

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

7.1 Band- und Spulenspezifikationen

Die LEDs werden auf geprägter Trägerbahn geliefert, die mit einem Deckband versiegelt und auf 7-Zoll-Spulen aufgewickelt ist. Eine Standardspule enthält maximal 500 Stück, mit einer Mindestpackmenge von 100 Stück für Restposten. Die Verpackung entspricht den EIA-481-1-B-Spezifikationen. Maximal zwei aufeinanderfolgende fehlende Bauteile im Band sind zulässig.

8. Anwendungsvorschläge

8.1 Typische Anwendungsszenarien

Diese UVC LED eignet sich für eine Vielzahl von keimtötenden Anwendungen, darunter: Desinfektion von Oberflächen in medizinischen und Laborgeräten, Sterilisation von Werkzeugen, Wasseraufbereitungssysteme für Point-of-Use- oder Kleinanwendungen sowie Luftreinigung in HLK-Systemen oder tragbaren Geräten. Ihre Festkörpernatur macht sie ideal für batteriebetriebene oder kompakte Designs, bei denen Quecksilberlampen unpraktisch sind.

8.2 Designüberlegungen

Ansteuerungsmethode:LEDs sind strombetriebene Bauteile. Ein Konstantstromtreiber ist zwingend erforderlich, um eine stabile Lichtausgabe zu gewährleisten und thermisches Durchgehen zu verhindern. Bei der Verbindung mehrerer LEDs ist eine Reihenschaltung für eine gleichmäßige Stromverteilung vorzuziehen. Falls eine Parallelschaltung unvermeidbar ist, wird dringend empfohlen, für jeden Zweig individuelle strombegrenzende Widerstände oder separate Treiber zu verwenden, um leichte Vf-Schwankungen zwischen den Bauteilen auszugleichen.
Wärmemanagement:Dies ist der mit Abstand kritischste Designfaktor. Verwenden Sie eine geeignete MCPCB oder eine andere effektive Wärmeableitungsmethode, um die Sperrschichttemperatur so niedrig wie möglich zu halten, idealerweise unter 85°C für maximale Lebensdauer und Ausgangsstabilität. Der Wärmeweg vom Lötpunkt zur Umgebung muss sorgfältig ausgelegt werden.
Optisches Design:Berücksichtigen Sie den Abstrahlwinkel von 120 Grad. Für fokussierende Anwendungen können Sekundäroptiken (Linsen oder Reflektoren) aus UVC-durchlässigen Materialien wie Quarz oder speziellen Kunststoffen erforderlich sein. Stellen Sie sicher, dass alle Materialien im Strahlengang resistent gegen UVC-bedingten Abbau sind.
Sicherheit:UVC-Strahlung ist schädlich für menschliche Haut und Augen. Gehäuse müssen jegliches Austreten von UVC-Licht während des Betriebs verhindern. Integrieren Sie gegebenenfalls Sicherheitsverriegelungen und Warnhinweise.

9. Zuverlässigkeit und Lebensdauer

9.1 Zuverlässigkeitstestplan

Das Produkt durchläuft ein umfassendes Zuverlässigkeitstestprogramm, darunter: Betriebslebensdauer bei Raumtemperatur (RTOL) bei 120mA für 3000 Stunden und bei 150mA für 1000 Stunden; Hoch- und Tieftemperatur-Lagerung (HTSL/LTSL) bei 100°C und -40°C für jeweils 1000 Stunden; Hochtemperatur- und Feuchtigkeitslagerung (WHTSL) bei 60°C/90% relativer Luftfeuchtigkeit für 1000 Stunden; sowie thermische Schocktests im nicht betriebenen Zustand (TS) von -30°C bis 85°C für 100 Zyklen. Die Lebensdauertests werden mit der LED auf einem 90x70x4mm großen Metallkühlkörper durchgeführt.

9.2 Ausfallkriterien

Ein Bauteil gilt als ausgefallen, wenn nach dem Testen die Durchlassspannung (Vf) bei 120mA um mehr als ±10% von ihrem Ausgangswert abweicht oder wenn der Strahlungsfluss (Φe) bei 120mA unter 50% seines Ausgangswerts fällt.

10. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Wie hoch ist die typische optische Ausgangsleistung?
A: Bei einem Treiberstrom von 120mA und 25°C beträgt der typische Strahlungsfluss 19 mW, wobei die Bauteile von 14 mW (min) bis 23 mW und mehr klassifiziert sind.

F: Wie steuere ich diese LED an?
A: Sie müssen einen Konstantstromtreiber verwenden. Der absolute Maximalstrom beträgt 150mA. Ein typischer Arbeitspunkt ist 120mA, was eine typische Durchlassspannung von 5,7V ergibt. Schließen Sie sie niemals ohne Strombegrenzung direkt an eine Spannungsquelle an.

F: Warum ist das Wärmemanagement so wichtig?
A: Der Wirkungsgrad von UVC LEDs sinkt mit der Temperatur deutlich (siehe Kurve "Relativer Strahlungsfluss vs. Sperrschichttemperatur"). Hohe Sperrschichttemperaturen verkürzen auch die Betriebslebensdauer des Bauteils drastisch. Eine ordnungsgemäße Wärmeableitung ist für eine zuverlässige Leistung unabdingbar.

F: Kann ich diese für Wassersterilisation verwenden?
A: Ja, sie eignet sich für die Wasseraufbereitung. Die Wellenlänge von 265-280 nm ist wirksam gegen Bakterien, Viren und Protozoen. Das Design muss sicherstellen, dass das UVC-Licht das Wasser effektiv durchdringt, und das LED-Gehäuse muss ordnungsgemäß vor der Umgebung abgedichtet sein.

F: Wie oft kann ich dieses Bauteil reflow-löten?
A: Das empfohlene Maximum sind drei Reflow-Zyklen. Handlötung sollte nur einmal durchgeführt werden, mit strengen Grenzen für Zeit und Temperatur.

11. Design- und Anwendungsbeispiel

Szenario: Entwicklung eines tragbaren Oberflächendesinfektions-Stabs.
1. Elektrisches Design:Verwenden Sie einen Lithium-Ionen-Akku (3,7V Nennspannung) mit einer Aufwärtswandler-Konstantstromtreiberschaltung, die auf 120mA eingestellt ist. Der Treiber muss die Batteriespannung effizient auf die von der LED benötigten ~5,7V umwandeln. 2.Thermisches Design:Montieren Sie die LED auf einem kleinen, berippten Aluminiumkühlkörper. Der thermische Widerstand des gesamten Pfads (Sperrschicht-zum-Lötpunkt, Lötpunkt-zum-Kühlkörper, Kühlkörper-zur-Umgebung) muss berechnet werden, um sicherzustellen, dass Tj während des typischen 30-60 Sekunden Betriebszyklus unter 85°C bleibt. Erwägen Sie aktive Kühlung (einen kleinen Lüfter), wenn der Stab für längere Nutzung vorgesehen ist. 3.Mechanisches/Optisches Design:Befestigen Sie die LED und den Kühlkörper in einem Stabkopf. Verwenden Sie eine Quarzlinse, um den 120-Grad-Strahl auf einen kleineren Punkt zu fokussieren, um eine höhere Bestrahlungsstärke auf der Zieloberfläche zu erreichen. Das Gehäuse muss jegliches Austreten von UVC-Strahlung zum Benutzer vollständig blockieren. 4.Sicherheitsfunktionen:Integrieren Sie einen Annäherungssensor oder einen physischen Schutz, der in Kontakt mit einer Oberfläche sein muss, bevor die LED eingeschaltet wird. Bauen Sie einen Timer ein, um die Belichtungsdauer pro Aktivierung zu begrenzen.

12. Technologieeinführung und Trends

12.1 Funktionsprinzip

UVC LEDs sind Halbleiterbauteile, die Licht im Bereich von 200-280 Nanometern emittieren, wenn elektrischer Strom durch sie fließt. Diese Emission erfolgt, wenn sich Elektronen mit Elektronenlöchern im aktiven Bereich des Bauteils rekombinieren und Energie in Form von Photonen freisetzen. Die spezifische Wellenlänge wird durch die Bandlückenenergie der verwendeten Halbleitermaterialien bestimmt, typischerweise Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)-basierte Verbindungen für UVC. Die emittierte UVC-Strahlung inaktiviert Mikroorganismen, indem sie deren DNA und RNA schädigt und so die Replikation verhindert.

12.2 Entwicklungstrends

Der UVC LED-Markt konzentriert sich auf die Steigerung der Wandsteckdosen-Effizienz (optische Ausgangsleistung pro elektrische Eingangsleistung), die historisch niedriger war als bei sichtbaren LEDs. Verbesserungen in der epitaktischen Wachstumstechnik, im Chipdesign und in der Extraktionseffizienz des Gehäuses treiben die Effizienz stetig nach oben. Ein weiterer wichtiger Trend ist die Erhöhung der Ausgangsleistung pro Chip und pro Gehäuse, was kompaktere und leistungsfähigere Desinfektionssysteme ermöglicht. Es wird auch weiterhin an der Verbesserung der Bauteillebensdauer und -zuverlässigkeit unter Hochstrom- und Hochtemperatur-Betriebsbedingungen geforscht. Die Kostensenkung durch Skaleneffekte in der Fertigung und Verbesserung der Ausbeute bleibt ein kritischer Treiber für eine breitere Marktdurchdringung gegenüber der konventionellen Quecksilberlampentechnologie.