دیتاشیت فنی کامل برای LED مادون قرمز SMD با ارتفاع 0.8 میلی‌متر و عدسی تخت - 1.6 ولت - 875 نانومتر - 110 میلی‌وات

1. مرور کلی محصول

این سند مشخصات فنی کامل یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (IR) مونتاژ سطحی و مینیاتوری را ارائه می‌دهد. این قطعه برای کاربردهایی طراحی شده است که به یک منبع فشرده و قابل اعتماد نور مادون قرمز، منطبق بر فوتودتکتورهای سیلیکونی، نیاز دارند.

1.1 ویژگی‌های اصلی و جایگاه محصول

این LED با پروفایل بسیار کم‌ارتفاع 0.8 میلی‌متری خود شناخته می‌شود که آن را برای طراحی‌های PCB با محدودیت فضا مناسب می‌سازد. این قطعه دارای یک عدسی تخت است که از پلاستیک شفاف قالب‌گیری شده و یک الگوی تابش خاص را ارائه می‌دهد. دستگاه با استفاده از ماده چیپ GaAlAs (گالیوم آلومینیوم آرسناید) ساخته شده است که برای تابش مادون قرمز بهینه‌سازی شده است. یک مزیت طراحی کلیدی، خروجی طیفی آن است که به منحنی حساسیت فوتودیودها و فوتوترانزیستورهای سیلیکونی متداول بسیار نزدیک است و کارایی تشخیص را در سیستم‌های سنسوری به حداکثر می‌رساند.

1.2 انطباق‌ها و مشخصات محیطی

این قطعه با دستورالعمل‌های اصلی محیطی و ایمنی مطابقت دارد. به عنوان یک محصول بدون سرب (Pb-free) تولید می‌شود. همچنین با الزامات بدون هالوژن مطابقت دارد و به طور خاص محتوای برم (Br) و کلر (Cl) را به کمتر از 900 ppm به صورت جداگانه و مجموع کل کمتر از 1500 ppm محدود می‌کند. محصول طوری طراحی شده است که در چارچوب پارامترهای دستورالعمل RoHS (محدودیت مواد خطرناک) باقی بماند.

2. تحلیل پارامترهای فنی

این بخش محدودیت‌های مطلق و ویژگی‌های عملکرد استاندارد LED مادون قرمز را به تفصیل شرح می‌دهد. تمام پارامترها در دمای محیط (Ta) 25 درجه سلسیوس مشخص شده‌اند، مگر اینکه خلاف آن ذکر شود.

2.1 حداکثر مقادیر مجاز مطلق

این مقادیر، محدودیت‌های تنشی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. عملکرد در این محدودیت‌ها یا زیر آن تضمین نمی‌شود.

• جریان مستقیم پیوسته (I_F):65 میلی‌آمپر
• ولتاژ معکوس (V_R):5 ولت
• دمای کاری (T_opr):25- تا 85+ درجه سلسیوس
• دمای نگهداری (T_stg):40- تا 85+ درجه سلسیوس
• دمای لحیم‌کاری (T_sol):260 درجه سلسیوس برای مدت زمان حداکثر 5 ثانیه.
• توان تلف شده (P_d):110 میلی‌وات (در دمای هوای آزاد 25 درجه سلسیوس یا کمتر).

2.2 ویژگی‌های الکترواپتیکی

این پارامترها عملکرد معمول دستگاه را تحت شرایط آزمایش استاندارد (I_F= 20mA, Ta=25°C) تعریف می‌کنند.

• شدت تابشی (I_e):0.2 میلی‌وات بر استرادیان (حداقل)، 0.5 میلی‌وات بر استرادیان (معمول). این پارامتر توان نوری ساطع شده در واحد زاویه فضایی را اندازه‌گیری می‌کند.
• طول موج پیک (λ_p):875 نانومتر (معمول). این طول‌موجی است که در آن خروجی نوری در قوی‌ترین حالت خود است.
• پهنای باند طیفی (Δλ):80 نانومتر (معمول). این محدوده طول‌موج‌های ساطع شده را نشان می‌دهد که معمولاً در نصف شدت پیک (FWHM) اندازه‌گیری می‌شود.
• ولتاژ مستقیم (V_F):1.3 ولت (معمول)، 1.6 ولت (حداکثر). افت ولتاژ دو سر LED هنگام عبور جریان 20mA.
• جریان معکوس (I_R):10 میکروآمپر (حداکثر). جریان نشتی هنگامی که 5 ولت به صورت بایاس معکوس اعمال می‌شود.
• زاویه دید (2θ_1/2):145 درجه (معمول). زاویه کامل‌ای که در آن شدت تابشی نصف شدت پیک (در 0 درجه) است. عدسی تخت در ایجاد این زاویه دید گسترده نقش دارد.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت شامل چندین نمودار است که رفتار دستگاه را تحت شرایط مختلف نشان می‌دهد. این منحنی‌ها برای مهندسان طراح جهت پیش‌بینی عملکرد در کاربردهای واقعی ضروری هستند.

3.1 جریان مستقیم در مقابل دمای محیط

این منحنی کاهش (درریت) حداکثر جریان مستقیم مجاز را با افزایش دمای محیط نشان می‌دهد. برای جلوگیری از آسیب حرارتی، جریان مستقیم باید هنگام کار در دمای بالاتر از 25 درجه سلسیوس کاهش یابد. رتبه‌بندی توان تلف شده 110mW یک عامل حیاتی در این محاسبه درریت است.

3.2 توزیع طیفی

نمودار خروجی توان نوری نسبی را در سراسر طیف طول‌موج به تصویر می‌کشد. این نمودار تابش پیک در حدود 875nm و پهنای باند طیفی ~80nm را تأیید می‌کند و هماهنگی آن با حساسیت دتکتور سیلیکونی (که پیک آن حدود 800-900nm است) را برجسته می‌سازد.

3.3 شدت نسبی در مقابل جریان مستقیم

این نمودار رابطه بین جریان درایو و خروجی نور را نشان می‌دهد. معمولاً یک روند زیرخطی را نشان می‌دهد، جایی که افزایش جریان، بازدهی کاهش‌یافته‌ای در شدت تابشی به همراه دارد، به ویژه زمانی که اثرات حرارتی قابل توجه می‌شوند. این اطلاعات برای تصمیم‌گیری در مورد جریان درایو برای خروجی مورد نظر در مقابل کارایی و طول عمر دستگاه مفید است.

3.4 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم

منحنی IV (جریان-ولتاژ) برای طراحی مدار اساسی است. این منحنی رابطه نمایی را نشان می‌دهد و به طراحان اجازه می‌دهد تا مقاومت سری لازم را برای یک ولتاژ تغذیه معین، برای دستیابی به جریان درایو هدف (مثلاً 20mA) محاسبه کنند. مقدار معمول V_F برابر 1.3V یک مقدار کلیدی برای این محاسبات است.

3.5 شدت تابشی نسبی در مقابل جابجایی زاویه‌ای

این نمودار قطبی به صورت بصری الگوی تابش یا زاویه دید را نشان می‌دهد. زاویه دید 145 درجه در اینجا تأیید می‌شود و نشان می‌دهد که شدت چگونه با افزایش زاویه از محور مرکزی (0 درجه) کاهش می‌یابد. این موضوع برای هم‌تراز کردن LED با یک دتکتور در کاربردهای سنسوری حیاتی است.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد پکیج

دستگاه در یک پکیج مونتاژ سطحی بسیار فشرده قرار دارد. ابعاد کلیدی شامل اندازه بدنه تقریباً 1.6mm x 1.2mm با ارتفاع کل 0.8mm است. پدهای آند و کاتد در پایین پکیج قرار دارند. نقشه‌های مکانیکی دقیق در دیتاشیت تمام ابعاد حیاتی را با تلرانس استاندارد ±0.1mm ارائه می‌دهند، مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد. یک الگوی لند پیشنهادی (فوترپرینت) برای طراحی PCB به عنوان مرجع ارائه شده است، اما به طراحان توصیه می‌شود که آن را بر اساس فرآیند مونتاژ خاص و الزامات قابلیت اطمینان خود اصلاح کنند.

4.2 شناسایی قطبیت

پکیج شامل یک نشانگر قطبیت، معمولاً یک شکاف یا علامت در یک انتها، برای تشخیص آند از کاتد است. جهت‌گیری صحیح برای عملکرد مدار حیاتی است.

4.3 بسته‌بندی برای مونتاژ

قطعات بر روی نوار و قرقره عرضه می‌شوند تا با تجهیزات مونتاژ اتوماتیک Pick-and-Place سازگار باشند. عرض نوار 8mm است که بر روی یک قرقره استاندارد با قطر 7 اینچ پیچیده شده است. هر قرقره حاوی 3000 قطعه است. ابعاد نوار حامل برای اطمینان از سازگاری با سیستم‌های فیدر ارائه شده است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

مدیریت صحیح برای حفظ قابلیت اطمینان و عملکرد دستگاه حیاتی است.

5.1 نگهداری و حساسیت به رطوبت

LEDها در یک کیسه ضد رطوبت همراه با جاذب رطوبت بسته‌بندی شده‌اند. کیسه نباید تا زمانی که قطعات آماده استفاده هستند باز شود. قبل از باز کردن، در دمای 10-30 درجه سلسیوس و رطوبت نسبی ≤90% نگهداری شود. پس از باز کردن، "عمر مفید در محیط کار" 168 ساعت (7 روز) است، مشروط بر اینکه در دمای 10-30 درجه سلسیوس و رطوبت نسبی ≤60% نگهداری شوند. قطعات استفاده نشده باید مجدداً با جاذب رطوبت بسته‌بندی شوند. اگر عمر مفید در محیط کار یا عمر قفسه‌ای سپری شود، قبل از استفاده نیاز به پخت (بیکینگ) در دمای 60°C ±5°C به مدت 96 ساعت است تا رطوبت جذب شده حذف شده و از "پاپ کورن شدن" در حین لحیم‌کاری ریفلو جلوگیری شود.

5.2 پروفیل لحیم‌کاری ریفلو

یک پروفیل دمایی لحیم‌کاری ریفلو بدون سرب توصیه شده ارائه شده است. پارامترهای کلیدی شامل مرحله پیش‌گرم، نرخ افزایش دمای تعریف شده، حداکثر دمای مجاز که از 260 درجه سلسیوس تجاوز نکند، و زمان بالای مایع شدن (TAL) مناسب برای خمیر لحیم است. لحیم‌کاری ریفلو نباید بیش از دو بار بر روی یک دستگاه انجام شود. باید از تنش بر روی بدنه LED در حین گرمایش و تاب برداشتن PCB پس از لحیم‌کاری اجتناب شود.

5.3 لحیم‌کاری دستی و تعمیر

در صورت نیاز به لحیم‌کاری دستی، دقت شدید الزامی است. دمای نوک هویه باید زیر 350 درجه سلسیوس باشد و به هر ترمینال حداکثر به مدت 3 ثانیه اعمال شود. استفاده از هویه کم‌توان (≤25W) توصیه می‌شود. بین لحیم‌کاری دو ترمینال باید یک فاصله خنک‌سازی حداقل 2 ثانیه رعایت شود. تعمیر (ری‌ورک) پس از لحیم شدن LED به شدت توصیه نمی‌شود. در صورت اجتناب ناپذیر بودن، باید از یک هویه دو نوک تخصصی استفاده شود تا هر دو ترمینال به طور همزمان گرم شده و قطعه بدون اعمال تنش مکانیکی برداشته شود. تأثیر تعمیر بر ویژگی‌های دستگاه باید از قبل تأیید شود.

6. نکات کاربردی و ملاحظات طراحی

6.1 سناریوهای کاربردی اصلی

• سنسورهای مادون قرمز نصب شده بر روی PCB:سنجش مجاورت، تشخیص شیء، دنبال کردن خط.
• واحدهای کنترل از راه دور مادون قرمز:مناسب برای طراحی‌هایی که به توان خروجی بالاتر برای برد بیشتر نیاز دارند.
• اسکنرها:بارکد ریدرها، اسکنرهای اسناد.
• سیستم‌های مادون قرمز عمومی:هر کاربرد دیگری که به یک منبع IR فشرده و کارآمد همراه با یک دتکتور سیلیکونی نیاز دارد.

6.2 ملاحظات طراحی حیاتی

• محدود کردن جریان:استفاده از یک مقاومت سری خارجی الزامی است. مشخصه نمایی IV LED به این معنی است که یک افزایش کوچک در ولتاژ می‌تواند باعث افزایش بزرگ و مخرب جریان شود. مقدار مقاومت با استفاده از رابطه R = (V_{منبع تغذیه}- V_F) / I_F.
• مدیریت حرارتی:حد مجاز توان تلف شده 110mW باید رعایت شود. مساحت مس PCB (پدهای حرارتی) را برای هیت سینک در نظر بگیرید، به ویژه هنگام درایو با جریان‌های بالاتر یا در دمای محیط بالا.
• هم‌ترازی نوری:زاویه دید گسترده 145 درجه، هم‌ترازی را ساده می‌کند اما شدت را در یک نقطه خاص کاهش می‌دهد. برای پرتوهای متمرکز، ممکن است به اپتیک خارجی نیاز باشد.
• محافظت الکتریکی:رتبه‌بندی ولتاژ معکوس پایین (5V) به این معنی است که باید مراقب بود تا از شرایط بایاس معکوس که ممکن است ناشی از بارهای القایی یا چیدمان نادرست PCB باشد، اجتناب شود.

6.3 عوامل مقایسه و انتخاب

هنگام انتخاب یک LED مادون قرمز، عوامل تفکیک‌کننده کلیدی عبارتند از:
اندازه/ارتفاع پکیج:پروفایل 0.8mm این دستگاه یک مزیت عمده برای طراحی‌های فوق‌نازک است.
زاویه دید:عدسی تخت با زاویه دید گسترده برای پوشش وسیع ایده‌آل است، در حالی که عدسی‌های گنبدی پرتوهای متمرکزتری ارائه می‌دهند.
طول موج:پیک 875nm یک استاندارد منطبق بر سیلیکون است. طول‌موج‌های دیگر (مانند 940nm) قابلیت مشاهده کمتری دارند اما ممکن است پاسخ دتکتور کمی پایین‌تری داشته باشند.
شدت تابشی:خروجی معمول 0.5mW/sr برای بسیاری از کاربردهای با برد متوسط مناسب است. دستگاه‌های با خروجی بالاتر موجود هستند اما ممکن است در اندازه یا زاویه دید مصالحه کنند.

7. اطلاعات برچسب‌گذاری و سفارش

برچسب قرقره حاوی اطلاعات ضروری برای ردیابی و کنترل تولید است. فیلدها معمولاً شامل: شماره قطعه مشتری (CPN)، شماره قطعه سازنده (P/N)، شماره بچ (LOT No)، تعداد (QTY)، طول موج پیک (H.E.)، رتبه عملکرد (CAT)، کد مرجع (REF)، سطح حساسیت به رطوبت (MSL-X) و کشور سازنده (Made In) می‌شوند. شماره قطعه خاص این دستگاه SIR19-21C/TR8 است، که در آن "TR8" نشان‌دهنده بسته‌بندی نوار 8mm روی قرقره است.

8. اصول فنی و روندها

8.1 اصل عملکرد

یک LED مادون قرمز یک دیود پیوند p-n نیمه‌هادی است. هنگامی که بایاس مستقیم اعمال می‌شود، الکترون‌ها و حفره‌ها در ناحیه فعال (چیپ GaAlAs) بازترکیب شده و انرژی را به شکل فوتون آزاد می‌کنند. انرژی گپ باند خاص ماده GaAlAs طول‌موج فوتون را تعیین می‌کند که منجر به نور مادون قرمز در حدود 875nm می‌شود. عدسی اپوکسی شفاف از چیپ محافظت کرده و الگوی نور ساطع شده را شکل می‌دهد.

8.2 روندهای صنعت

روند در اپتوالکترونیک SMD به سمت مینیاتوری‌سازی، کارایی بالاتر و یکپارچه‌سازی بیشتر ادامه دارد. تقاضا برای فوت‌پرینت‌های پکیج حتی کوچک‌تر و ارتفاعات کمتر برای امکان‌پذیر کردن الکترونیک مصرفی نازک‌تر در حال افزایش است. پیشرفت‌ها در طراحی چیپ و مواد بسته‌بندی هدف ارائه شدت تابشی بالاتر از دستگاه‌های کوچک‌تر، در حالی که قابلیت اطمینان حفظ یا بهبود می‌یابد، را دنبال می‌کنند. یکپارچه‌سازی با درایورها و سنسورها در ماژول‌های چند-چیپی (MCMs) یا راه‌حل‌های سیستم-در-پکیج (SiP) نیز یک حوزه در حال رشد است که طراحی را ساده کرده و فضای برد را ذخیره می‌کند.