دیتاشیت فنی LED مادون قرمز SMD بسته‌بندی 0603 - طول موج اوج 870 نانومتر - جریان 65 میلی‌آمپر - توان 110 میلی‌وات

1. مرور کلی محصول

این سند به تفصیل مشخصات یک دیود تابشی مادون قرمز (IR) با عملکرد بالا و مینیاتوری نصب سطحی را شرح می‌دهد. قطعه در یک بسته‌بندی فشرده 0603 قرار دارد که آن را برای کاربردهای با محدودیت فضا که نیاز به تابش مادون قرمز قابل اطمینان دارند، مناسب می‌سازد. عملکرد اصلی آن تابش نور در طیف مادون قرمز نزدیک است، با طول موج اوج معمولی 870 نانومتر (nm) که به طور بهینه با حساسیت طیفی فوتودیودها و فوتوترانزیستورهای سیلیکونی مطابقت دارد. ماده اصلی AlGaAs (آلومینیوم گالیم آرسنید) است که به دلیل تولید کارآمد نور مادون قرمز شناخته شده است.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

این قطعه چندین مزیت کلیدی برای طراحی الکترونیکی مدرن ارائه می‌دهد. بسته‌بندی SMD دو سر مینیاتوری آن امکان نصب با چگالی بالا روی PCB و سازگاری با فرآیندهای مونتاژ خودکار Pick-and-Place را فراهم می‌کند. این محصول برای سازگاری با هر دو روش لحیم‌کاری ریفلو مادون قرمز و فاز بخار طراحی شده است که جریان‌های کاری تولید مدرن را تسهیل می‌کند. محصول با استانداردهای اصلی زیست‌محیطی و ایمنی، از جمله RoHS (محدودیت مواد خطرناک)، مقررات REACH اتحادیه اروپا مطابقت دارد و فاقد هالوژن است (Br <900 ppm, Cl <900 ppm, Br+Cl < 1500 ppm). این ترکیب از اندازه کوچک، عملکرد و انطباق، آن را برای الکترونیک مصرفی، سنسورهای صنعتی و دستگاه‌های ارتباطی ایده‌آل می‌سازد.

کاربردهای اصلی شامل:

• سنسورهای مجاورتی و تشخیص حضور مادون قرمز نصب شده روی PCB.
• واحدهای کنترل از راه دور مادون قرمز که به شدت تابشی بالاتری نیاز دارند.
• اسکنرهای بارکد و انکودرهای نوری.
• انواع سیستم‌های انتقال داده و سنجش مبتنی بر مادون قرمز.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

درک کامل پارامترهای الکتریکی و نوری برای طراحی مدار قابل اطمینان و اطمینان از عملکرد LED در محدوده عملیاتی ایمن (SOA) آن حیاتی است.

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این مقادیر محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن‌ها ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. این مقادیر برای عملکرد عادی در نظر گرفته نشده‌اند.

• جریان مستقیم پیوسته (I_F):65 میلی‌آمپر. تجاوز از این جریان، حتی برای لحظه‌ای، می‌تواند به دلیل گرمایش بیش از حد اتصال نیمه‌هادی منجر به خرابی فاجعه‌بار شود.
• ولتاژ معکوس (V_R):5 ولت. LED دارای ولتاژ شکست معکوس پایینی است. طراحی‌های مدار باید اطمینان حاصل کنند که LED در معرض بایاس معکوس فراتر از این مقدار قرار نمی‌گیرد، که اغلب نیاز به محافظت در محیط‌های AC یا سیگنال دوطرفه دارد.
• اتلاف توان (P_c):110 میلی‌وات در 25 درجه سلسیوس. این حداکثر توانی است که بسته‌بندی می‌تواند به صورت گرما دفع کند. توان مجاز واقعی با افزایش دمای محیط (T_a) کاهش می‌یابد. برای کاربردهای با دمای بالا، کاهش رتبه (دریتینگ) ضروری است.
• محدوده‌های دمایی:عملیاتی: 25- تا 85+ درجه سلسیوس؛ نگهداری: 40- تا 100+ درجه سلسیوس.
• دمای لحیم‌کاری (T_sol):260 درجه سلسیوس حداکثر به مدت 5 ثانیه. این محدودیت‌های پروفیل لحیم‌کاری ریفلو را تعریف می‌کند.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی (T_a):

این‌ها پارامترهای عملکرد معمول تحت شرایط تست مشخص شده هستند. طراحان باید از مقادیر معمول یا حداکثر/حداقل به تناسب حاشیه طراحی خود استفاده کنند.

• شدت تابشی (I_E):1.3 میلی‌وات بر استرادیان (معمول) در I_F=20mA. شدت تابشی توان نوری تابش شده در واحد زاویه فضایی (استرادیان) را اندازه‌گیری می‌کند. این یک پارامتر کلیدی برای تعیین قدرت سیگنال در گیرنده است. مقدار حداقل مشخص شده 1.0 میلی‌وات بر استرادیان است.
• طول موج اوج (λ_p):870 نانومتر (معمول)، با محدوده‌ای از 860 تا 900 نانومتر. این طول‌موجی است که در آن طیف تابش قوی‌ترین است. تطابق این با حساسیت اوج گیرنده (مثلاً یک فوتودیودکتور سیلیکونی در محدوده ~850-950nm) بازدهی سیستم را به حداکثر می‌رساند.
• پهنای باند طیفی (Δλ):45 نانومتر (معمول). این عرض در نصف بیشینه (FWHM) طیف تابش است که محدوده طول‌موج‌های تابش شده را نشان می‌دهد.
• ولتاژ مستقیم (V_F):1.35 ولت (معمول) در I_F=20mA، در محدوده 1.20 تا 1.70 ولت. این پارامتر برای محاسبه مقدار مقاومت محدودکننده جریان ضروری است: R = (V_supply- V_F) / I_F. تغییرات باید در طراحی‌های مقاوم در نظر گرفته شود.
• جریان معکوس (I_R):10 میکروآمپر (حداکثر) در V_R=5V.
• زاویه دید (2θ_1/2):140 درجه. این زاویه کامل جایی است که شدت تابشی به نصف مقدار اوج خود (روی محور) کاهش می‌یابد. یک زاویه دید گسترده برای کاربردهایی که نیاز به پوشش وسیع دارند، مانند سنسورهای مجاورتی، مفید است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

منحنی‌های مشخصه ارائه شده بینش ارزشمندی در مورد رفتار قطعه تحت شرایط مختلف ارائه می‌دهند که برای طراحی کاربرد در دنیای واقعی حیاتی است.

3.1 جریان مستقیم در مقابل دمای محیط

این منحنی رابطه بین حداکثر جریان مستقیم پیوسته مجاز و دمای محیط را نشان می‌دهد. این منحنی کاهش رتبه (دریتینگ) ضروری جریان مستقیم را با افزایش دما برای ماندن در محدوده اتلاف توان نشان می‌دهد. در دماهای نزدیک به حداکثر دمای عملیاتی (85+ درجه سلسیوس)، جریان پیوسته مجاز به طور قابل توجهی کمتر از رتبه حداکثر مطلق 65 میلی‌آمپر در 25 درجه سلسیوس است.

3.2 توزیع طیفی

نمودار توزیع طیفی خروجی توان تابشی نسبی را به عنوان تابعی از طول موج نشان می‌دهد. این نمودار طول موج اوج (λ_p) 870 نانومتر و پهنای باند طیفی معمول (Δλ) تقریباً 45 نانومتر را تأیید می‌کند. شکل این منحنی برای فیلتر کردن و اطمینان از سازگاری با پاسخ طیفی گیرنده مهم است.

3.3 طول موج اوج تابش در مقابل دمای محیط

این منحنی نشان می‌دهد که طول موج اوج دارای ضریب دمایی مثبت است، به این معنی که با افزایش دمای اتصال کمی افزایش می‌یابد. این جابجایی (معمولاً حدود 0.1-0.3 نانومتر بر درجه سلسیوس برای قطعات AlGaAs) برای کاربردهای سنجش دقیق که پایداری طول موج حیاتی است، مهم است.

3.4 ولتاژ مستقیم در مقابل دمای محیط

ولتاژ مستقیم (V_F) دارای ضریب دمایی منفی است؛ با افزایش دما کاهش می‌یابد. این ویژگی باید در مدارهای درایو جریان ثابت در نظر گرفته شود، زیرا V_Fپایین‌تر در دمای بالا می‌تواند اگر از یک مقاومت سری ساده استفاده شود، محاسبه اتلاف توان را کمی تحت تأثیر قرار دهد.

3.5 شدت تابشی نسبی در مقابل جابجایی زاویه‌ای

این نمودار قطبی به صورت بصری زاویه دید (140 درجه در نقاط نیمه شدت) را تعریف می‌کند. الگوی تابش برای این سبک بسته‌بندی معمولاً لامبرتی یا نزدیک به لامبرتی است که برای مدل‌سازی تابندگی روی یک سطح هدف در زوایا و فواصل مختلف مفید است.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته‌بندی (0603)

قطعه مطابق با فوت‌پرینت استاندارد 0603 (1608 متریک) است: تقریباً 1.6 میلی‌متر طول، 0.8 میلی‌متر عرض و 0.8 میلی‌متر ارتفاع. نقشه‌های ابعادی دقیق طرح پد، خطوط کلی قطعه و موقعیت ترمینال‌ها را با تلرانس استاندارد ±0.1 میلی‌متر مشخص می‌کنند مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. طراحی صحیح الگوی لند برای لحیم‌کاری قابل اطمینان و پایداری مکانیکی ضروری است.

4.2 شناسایی قطبیت

دیتاشیت شامل نموداری است که ترمینال‌های آند و کاتد را نشان می‌دهد. قطبیت صحیح برای عملکرد قطعه اجباری است. معمولاً کاتد ممکن است با یک شکاف، یک نشانگر سبز یا یک شکل پد خاص روی بسته‌بندی نوار و قرقره مشخص شود.

4.3 مشخصات نوار و قرقره

محصول در نوار حامل برجسته به عرض 8 میلی‌متر روی قرقره‌هایی به قطر 7 اینچ عرضه می‌شود. ابعاد نوار حامل برای اطمینان از سازگاری با تجهیزات استاندارد مونتاژ SMD مشخص شده است. هر قرقره حاوی 4000 قطعه است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

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

5.1 حساسیت به رطوبت و نگهداری

قطعه به رطوبت حساس است (MSL). اقدامات احتیاطی شامل:

• کیسه مهر و موم شده ضد رطوبت را تا زمان آماده‌سازی برای استفاده باز نکنید.
• کیسه‌های باز نشده را در دمای ≤30°C و رطوبت نسبی ≤90% نگهداری کنید.
• ظرف یک سال از تاریخ حمل استفاده کنید.
• پس از باز کردن، در دمای ≤30°C و رطوبت نسبی ≤60% نگهداری کنید.
• ظرف 168 ساعت (7 روز) پس از باز کردن کیسه استفاده کنید.
• اگر زمان نگهداری بیش از حد مجاز باشد یا سیلیکاژل نشان‌دهنده نفوذ رطوبت باشد، قبل از استفاده به مدت حداقل 24 ساعت در دمای 60 ±5°C پخت (بیک) انجام دهید.

5.2 پروفیل لحیم‌کاری ریفلو

پروفیل لحیم‌کاری ریفلو بدون سرب توصیه می‌شود. پارامترهای کلیدی شامل دمای اوج 260 درجه سلسیوس است، با مدت زمان بالای 240 درجه سلسیوس که از حد توصیه شده (که با حداکثر 5 ثانیه در 260 درجه سلسیوس مشخص می‌شود) تجاوز نکند. لحیم‌کاری ریفلو نباید بیش از دو بار انجام شود تا از تنش حرارتی بیش از حد روی بسته‌بندی اپوکسی و اتصالات سیمی جلوگیری شود.

5.3 لحیم‌کاری دستی و تعمیر

در صورت نیاز به لحیم‌کاری دستی، از هویه با دمای نوک زیر 350 درجه سلسیوس استفاده کنید و حرارت را به هر ترمینال حداکثر به مدت 3 ثانیه اعمال کنید. از هویه کم‌توان (≤25 وات) استفاده کنید. بین لحیم‌کاری هر ترمینال، فاصله خنک‌سازی بیش از 2 ثانیه در نظر بگیرید. برای تعمیر، استفاده از هویه دو سر برای گرم کردن همزمان هر دو ترمینال و جلوگیری از تنش مکانیکی توصیه می‌شود. امکان‌سنجی و تأثیر تعمیر بر مشخصات قطعه باید از قبل تأیید شود.

6. ملاحظات طراحی کاربردی

6.1 محدود کردن جریان الزامی است

LED یک قطعه جریان‌محور است.یک مقاومت سری محدودکننده جریان کاملاً ضروری است.ولتاژ مستقیم (V_F) محدوده باریکی دارد، و یک افزایش کوچک در ولتاژ اعمالی فراتر از V_Fسبب افزایش زیاد و بالقوه مخرب در جریان مستقیم (I_F) می‌شود. مقدار مقاومت بر اساس ولتاژ تغذیه (V_supply)، جریان مستقیم مورد نظر (I_F) و ولتاژ مستقیم (V_F) محاسبه می‌شود، با استفاده از بدترین حالت V_F(حداقل) تا اطمینان حاصل شود که جریان از حداکثر طراحی تجاوز نمی‌کند.

6.2 مدیریت حرارتی

اگرچه بسته‌بندی کوچک است، اتلاف توان (تا 110 میلی‌وات) گرما تولید می‌کند. برای عملکرد پیوسته در جریان‌های بالا یا در دمای محیط بالا، مقاومت حرارتی PCB را در نظر بگیرید. فراهم کردن مساحت کافی مس (پدهای تخلیه حرارتی) در اطراف پدهای لحیم‌کاری به دفع گرما و حفظ دمای اتصال پایین‌تر کمک می‌کند، که قابلیت اطمینان بلندمدت را بهبود می‌بخشد و از کاهش خروجی نوری جلوگیری می‌کند.

6.3 طراحی اپتیکی

زاویه دید 140 درجه تابش گسترده‌ای فراهم می‌کند. برای کاربردهایی که نیاز به پرتو متمرکزتر دارند، می‌توان از لنزها یا بازتابنده‌های خارجی استفاده کرد. برعکس، برای پوشش منطقه بسیار وسیع، زاویه ذاتی ممکن است کافی باشد. لنز شفاف آب برای کاربردهایی که نقطه تابش دقیق حیاتی نیست مناسب است؛ اگر برای تراز مونتاژ به رنگ خاصی یا پخش نور نیاز است، این باید در نظر گرفته شود زیرا لنز آن را فراهم نمی‌کند.

6.4 محافظت مدار

در محیط‌هایی که امکان نوسانات ولتاژ معکوس وجود دارد (مانند بارهای القایی، اتصال داغ)، در نظر بگیرید که یک دیود محافظ به صورت موازی با LED (کاتد به آند) اضافه کنید تا هر ولتاژ معکوس را زیر حداکثر رتبه 5 ولت محدود کند.

7. راهنمای مقایسه و انتخاب

این قطعه بخشی از خانواده LEDهای مادون قرمز است. معیار انتخاب کلیدی از راهنمای ارائه شده، ماده چیپ (AlGaAs) و رنگ لنز (شفاف آب) است. هنگام انتخاب یک LED مادون قرمز، مهندسان باید پارامترهای کلیدی را مقایسه کنند:

• طول موج (λ_p):با حساسیت اوج گیرنده (فوتودیود، فوتوترانزیستور یا IC) مطابقت دهید. 870 نانومتر یک استاندارد رایج است.
• شدت تابشی (I_E):شدت بالاتر سیگنال قوی‌تری فراهم می‌کند که امکان برد بیشتر یا جریان درایو کمتر را فراهم می‌کند.
• زاویه دید:یک زاویه باریک برد بیشتر و نور متمرکزتر فراهم می‌کند؛ یک زاویه گسترده پوشش وسیع‌تری فراهم می‌کند.
• اندازه بسته‌بندی:بسته‌بندی 0603 یک فوت‌پرینت بسیار کوچک برای طراحی‌های مینیاتوری ارائه می‌دهد.
• ولتاژ مستقیم:V_Fپایین‌تر می‌تواند در مدارهای با باتری و ولتاژ پایین مزیت‌آفرین باشد.

مشخصه اصلی متمایزکننده این قطعه خاص، ترکیب فوت‌پرینت استاندارد 0603 با شدت تابشی نسبتاً بالا و زاویه دید گسترده است که برای سنجش و ارتباطات مادون قرمز عمومی مناسب است.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

8.1 هدف از طول موج 870 نانومتر چیست؟

870 نانومتر در طیف مادون قرمز نزدیک قرار دارد و برای چشم انسان نامرئی است. این طول موج به طور کارآمد توسط فوتودیودکتورهای مبتنی بر سیلیکون ارزان و رایج که حساسیت اوج آن‌ها حدود 800-950 نانومتر است، تشخیص داده می‌شود. این امر آن را برای کاربردهای سنجش، کنترل از راه دور و ایزولاسیون نوری ایده‌آل می‌سازد.

8.2 آیا می‌توانم این LED را مستقیماً از پایه میکروکنترلر 3.3 ولت یا 5 ولت راه‌اندازی کنم؟

No.شما باید از یک مقاومت محدودکننده جریان استفاده کنید. به عنوان مثال، برای راه‌اندازی در I_F=20mA از منبع تغذیه 3.3 ولت، با فرض V_Fمعمول 1.35 ولت: R = (3.3V - 1.35V) / 0.020A = 97.5Ω. از یک مقاومت استاندارد 100Ω استفاده کنید. همیشه تأیید کنید که جریان در بدترین حالت V_F conditions.

8.3 دما چگونه بر عملکرد تأثیر می‌گذارد؟

با افزایش دما: خروجی تابشی معمولاً کاهش می‌یابد، ولتاژ مستقیم کاهش می‌یابد و طول موج اوج کمی افزایش می‌یابد. برای عملکرد پایدار، مدار درایوری طراحی کنید که این تغییرات را در نظر بگیرد، به ویژه اگر در محدوده کامل 25- تا 85+ درجه سلسیوس کار می‌کند.

8.4 آیا هیت‌سینک مورد نیاز است؟

برای عملکرد پیوسته در جریان حداکثر مطلق (65 میلی‌آمپر) در دمای اتاق، اتلاف توان P = V_F* I_F≈ 1.35V * 0.065A ≈ 88mW است که زیر رتبه 110mW است. با این حال، در دمای محیط بالا، کاهش رتبه (دریتینگ) ضروری است. طراحی حرارتی خوب PCB (پدهای مسی) معمولاً کافی است؛ یک هیت‌سینک جداگانه برای بسته‌بندی‌های 0603 معمول نیست.

9. مثال کاربردی عملی: سنسور مجاورتی ساده IR

یک مورد استفاده رایج، یک سنسور جسم بازتابی است. LED مادون قرمز در مجاورت یک فوتوترانزیستور قرار می‌گیرد. یک میکروکنترلر LED را پالس می‌دهد (مثلاً در 20mA). نور از یک جسم نزدیک بازتاب می‌شود و توسط فوتوترانزیستور تشخیص داده می‌شود که خروجی آن توسط میکروکنترلر خوانده می‌شود. مراحل طراحی:

1. درایو LED:از یک پایه GPIO و یک ترانزیستور NPN (یا یک MOSFET) با یک مقاومت سری برای پالس دادن به LED در جریان مورد نظر استفاده کنید. پالس دادن امکان جریان لحظه‌ای بالاتر (برای سیگنال قوی‌تر) را در حالی که توان متوسط پایین نگه داشته می‌شود، فراهم می‌کند.
2. مدار گیرنده:فوتوترانزیستور در پیکربندی امیتر مشترک با یک مقاومت Pull-up برای ایجاد یک خروجی ولتاژ متصل می‌شود. مقدار مقاومت کلکتور حساسیت و سرعت پاسخ را تعیین می‌کند.
3. ملاحظات اپتیکی:یک مانع کوچک بین LED و فوتوترانزیستور روی PCB به کاهش تداخل مستقیم کمک می‌کند. زاویه دید گسترده 140 درجه LED به روشن کردن منطقه وسیعی در جلوی سنسور کمک می‌کند.
4. پردازش سیگنال:میکروکنترلر می‌تواند از تشخیص همزمان (فقط خواندن گیرنده در طول پالس LED) برای رد تداخل نور محیط استفاده کند.

10. اصل عملکرد و روندهای فناوری

10.1 اصل عملکرد پایه

یک LED مادون قرمز یک دیود پیوند p-n نیمه‌هادی است. هنگامی که در بایاس مستقیم قرار می‌گیرد، الکترون‌ها از ناحیه n با حفره‌های ناحیه p در ناحیه فعال (ساخته شده از AlGaAs) بازترکیب می‌شوند. این فرآیند بازترکیب انرژی را به شکل فوتون (نور) آزاد می‌کند. انرژی گاف نواری خاص ماده AlGaAs طول موج فوتون‌های تابش شده را تعیین می‌کند که در این مورد در محدوده مادون قرمز 870 نانومتر است. بسته‌بندی اپوکسی شفاف آب چیپ را محصور می‌کند، محافظت مکانیکی فراهم می‌کند و به عنوان یک لنز عمل می‌کند که الگوی تابش را شکل می‌دهد.

10.2 روندهای صنعت

روند در LEDهای مادون قرمز SMD به سمت بازدهی بالاتر (خروجی تابشی بیشتر به ازای هر واحد ورودی الکتریکی)، اندازه بسته‌بندی کوچکتر برای انعطاف‌پذیری طراحی بیشتر و یکپارچه‌سازی افزایشی ادامه دارد. این شامل قطعاتی با درایورهای داخلی، خروجی مدوله شده برای ایمنی نویز بهبودیافته و بسته‌بندی‌های چند چیپی که طول‌موج‌های مختلف را ترکیب می‌کنند یا یک فرستنده و گیرنده را در یک بسته واحد ترکیب می‌کنند، می‌شود. همچنین تمرکز قوی بر بهبود عملکرد و قابلیت اطمینان در دمای بالا برای کاربردهای خودرویی و صنعتی وجود دارد. قطعه توصیف شده در اینجا یک راه‌حل بالغ، قابل اطمینان و به طور گسترده پذیرفته شده در این چشم‌انداز در حال تکامل را نشان می‌دهد.