دیتاشیت LED مدل IRR60-48C/TR8 - ابعاد 6.0x4.8x1.1 میلی‌متر - ولتاژ 1.4-2.1 ولت - توان 50-70 میلی‌وات - دو طول موج 660 نانومتر/905 نانومتر - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

IRR60-48C/TR8 یک دیود ساطع‌کننده مادون قرمز مینیاتوری از نوع نصب سطحی (SMD) است. این قطعه دو رنگ بوده و دارای دو چیپ نیمه‌هادی مجزا در یک پکیج واحد است: یکی با طول موج 660 نانومتر (قرمز، جنس AlGaInP) و دیگری با طول موج 905 نانومتر (مادون قرمز، جنس AlGaAs). قطعه در یک پکیج پلاستیکی شفاف با لنز تخت بسته‌بندی شده و برای سازگاری با سیستم‌های مونتاژ اتوماتیک Pick-and-Place و فرآیندهای لحیم‌کاری رفلوی استاندارد مادون قرمز یا فاز بخار طراحی شده است.

هدف اصلی طراحی این قطعه، تطابق طیفی با آشکارسازهای نوری مبتنی بر سیلیکون مانند فوتودیودها و فوتوترانزیستورها است. این ویژگی آن را به‌ویژه برای کاربردهای سنجشی که نیاز به کوپلینگ نوری دقیق دارند، مناسب می‌سازد. قطعه مطابق با استانداردهای زیست‌محیطی مدرن بوده، فاقد هالوژن است و با مقررات RoHS و REACH اتحادیه اروپا مطابقت دارد.

2. بررسی عمیق مشخصات فنی

2.1 حداکثر مقادیر مجاز مطلق

این مقادیر محدوده‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. عملکرد در این شرایط تضمین نمی‌شود.

• جریان مستقیم پیوسته (I_F): 30 میلی‌آمپر برای هر دو طول موج. این حداکثر جریان DC است که می‌توان به طور پیوسته اعمال کرد.
• جریان مستقیم پیک (I_FP): 150 میلی‌آمپر. این مقدار فقط در شرایط پالسی با عرض پالس ≤10 میکروثانیه و چرخه کاری ≤1٪ اعمال می‌شود.
• ولتاژ معکوس (V_R): 5 ولت. تجاوز از این ولتاژ در بایاس معکوس می‌تواند باعث شکست پیوندگاه شود.
• توان تلف شده (P_d): 70 میلی‌وات برای چیپ 660 نانومتر و 50 میلی‌وات برای چیپ 905 نانومتر، اندازه‌گیری شده در دمای محیط 25 درجه سانتی‌گراد یا کمتر. این تفاوت بازتاب‌دهنده بازده و ویژگی‌های حرارتی معمول مواد نیمه‌هادی مختلف است.
• مقاومت حرارتی، پیوندگاه به محیط (R_θj-a): 550 کلوین بر وات. این پارامتر نشان می‌دهد که حرارت با چه کارایی از پیوندگاه نیمه‌هادی به محیط اطراف منتقل می‌شود. مقدار کمتر نشان‌دهنده دفع حرارت بهتر است.
• محدوده دمای عملکرد و ذخیره‌سازی: 25- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد.
• دمای لحیم‌کاری (T_sol): حداکثر 260 درجه سانتی‌گراد برای مدت زمان حداکثر 5 ثانیه، که معمولاً برای فرآیندهای رفلوی بدون سرب است.

2.2 ویژگی‌های الکترواپتیکی

اینها پارامترهای عملکرد معمول هستند که در دمای 25 درجه سانتی‌گراد و با جریان مستقیم 20 میلی‌آمپر اندازه‌گیری شده‌اند، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد.

• شدت تابشی (I_E): این توان نوری ساطع شده در واحد زاویه فضایی (استرادیان) است. برای چیپ 660 نانومتر (قرمز)، مقدار معمول 2.3 میلی‌وات بر استرادیان (حداقل 1.0) است. برای چیپ 905 نانومتر (مادون قرمز)، مقدار معمول 1.0 میلی‌وات بر استرادیان (حداقل 0.5) است.
• توان تابشی کل (P_o): کل توان نوری ساطع شده در تمام جهات. مقادیر معمول 7.0 میلی‌وات برای قرمز و 3.0 میلی‌وات برای مادون قرمز است.
• طول موج پیک (λ_p): طول موجی که در آن تابش ساطع شده در قوی‌ترین حالت است. چیپ قرمز در مرکز 660 نانومتر (محدوده 663-657 نانومتر) قرار دارد. چیپ مادون قرمز در مرکز 905 نانومتر (محدوده 915-895 نانومتر) قرار دارد.
• پهنای باند طیفی (Δλ): عرض طیف تابش در نصف حداکثر شدت آن (عرض کامل در نصف بیشینه - FWHM). مقادیر معمول 20 نانومتر برای قرمز و 60 نانومتر برای مادون قرمز است. پهنای باند وسیع‌تر چیپ مادون قرمز، مشخصه مواد AlGaAs است.
• ولتاژ مستقیم (V_F): افت ولتاژ دو سر دیود هنگام هدایت جریان. چیپ قرمز معمولاً به 2.10 ولت (محدوده 1.80-2.50 ولت) نیاز دارد. چیپ مادون قرمز معمولاً به 1.40 ولت (محدوده 1.10-1.60 ولت) نیاز دارد. این تفاوت برای طراحی مدار، به‌ویژه هنگام راه‌اندازی هر دو چیپ از یک منبع مشترک، بسیار مهم است.
• زاویه دید (2θ_1/2): گستره زاویه‌ای که در آن شدت تابشی حداقل نصف مقدار پیک است. چیپ قرمز دارای زاویه دید معمول 140 درجه است، در حالی که چیپ مادون قرمز دارای زاویه دید 130 درجه است. لنز تخت در ایجاد این زاویه دید وسیع نقش دارد.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

3.1 جریان مستقیم در مقابل دمای محیط

منحنی‌های کاهش رتبه نشان می‌دهند که حداکثر جریان مستقیم پیوسته مجاز با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد. این یک ملاحظه طراحی حیاتی برای جلوگیری از فرار حرارتی است. منحنی‌های هر دو چیپ قرمز و مادون قرمز از یک شیب منفی مشابه پیروی می‌کنند که بر نیاز به مدیریت حرارتی کافی در محیط‌های با دمای بالا یا کاربردهای با جریان زیاد تأکید می‌کند.

3.2 توزیع طیفی

نمودارهای طیفی، شدت تابشی نسبی را در طول‌موج‌های مختلف نشان می‌دهند. تابش قرمز 660 نانومتر یک پیک تیز و باریک مشخصه مواد AlGaInP را نشان می‌دهد. تابش مادون قرمز 905 نانومتر یک توزیع گوسی وسیع‌تر معمول برای AlGaAs را نشان می‌دهد. این خلوص طیفی (برای قرمز) و پهنای باند (برای مادون قرمز) برای طراحی سیستم‌های سنسور کلیدی بوده و بر انتخاب فیلتر و نسبت سیگنال به نویز تأثیر می‌گذارد.

3.3 شدت تابشی در مقابل جریان مستقیم

این نمودارها یک رابطه تقریباً خطی بین جریان راه‌انداز و خروجی نوری را برای هر دو چیپ در محدوده عملکرد استاندارد نشان می‌دهند. این خطی بودن، کنترل خروجی نوری در کاربردهای مدولاسیون آنالوگ را ساده می‌کند. شیب خط (بازده) بین دو طول موج متفاوت است.

3.4 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (منحنی I-V)

منحنی‌های I-V رابطه نمایی معمول دیودها را نشان می‌دهند. ولتاژ روشن شدن به وضوح قابل مشاهده است و بین دو چیپ متفاوت است (برای قرمز بالاتر است). منحنی‌ها در شرایط پالسی (پالس 100 میکروثانیه، چرخه کاری 1/100) اندازه‌گیری شده‌اند تا اثرات خودگرمایشی به حداقل برسد و دقیق‌ترین نمایش از ویژگی‌های پیوندگاه ارائه شود.

3.5 شدت تابشی نسبی در مقابل جابجایی زاویه‌ای

این نمودارهای قطبی، زاویه دید را به صورت بصری نشان می‌دهند. توزیع شدت برای هر دو چیپ تقریباً لامبرتی (شبیه کسینوس) است، با این تفاوت که قرمز کمی وسیع‌تر است. این اطلاعات برای طراحی سیستم‌های نوری جهت اطمینان از پوشش روشنایی مناسب یا هم‌ترازی با آشکارساز حیاتی است.

4. اطلاعات مکانیکی و پکیج

قطعه در یک پکیج SMD فشرده با ابعاد طول 6.0 میلی‌متر، عرض 4.8 میلی‌متر و ارتفاع 1.1 میلی‌متر قرار دارد. نقشه کلی پکیج ابعاد حیاتی برای طراحی جایگاه PCB از جمله اندازه پد، محل قرارگیری و مناطق ممنوعه را ارائه می‌دهد. قطعه دارای بدنه پلاستیکی قالب‌گیری شده شفاف با سطح تخت است که به عنوان لنز عمل می‌کند. قطبیت توسط علامت روی پکیج نشان داده شده و در هنگام نصب باید رعایت شود تا عملکرد الکتریکی صحیح تضمین گردد.

5. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 لحیم‌کاری رفلوی

قطعه با پروفیل‌های لحیم‌کاری رفلوی بدون سرب با حداکثر دمای 260 درجه سانتی‌گراد سازگار است. رعایت پروفیل دمایی-زمانی توصیه شده برای جلوگیری از شوک حرارتی یا آسیب به پکیج پلاستیکی بسیار مهم است. لحیم‌کاری رفلوی نباید بیش از دو بار روی یک قطعه انجام شود. باید از اعمال تنش بر بدنه LED در حین گرمایش و تاب برداشتن برد مدار پس از لحیم‌کاری اجتناب کرد.

5.2 لحیم‌کاری دستی

اگر برای تعمیر نیاز به لحیم‌کاری دستی است، احتیاط شدید لازم است. دمای نوک هویه باید زیر 350 درجه سانتی‌گراد باشد و زمان تماس برای هر پایه نباید از 3 ثانیه تجاوز کند. استفاده از هویه کم‌توان (≤25 وات) توصیه می‌شود. حداقل فاصله 2 ثانیه‌ای بین لحیم‌کاری هر پایه باید رعایت شود. برای برداشتن قطعه، استفاده از هویه دو سر برای به حداقل رساندن تنش حرارتی پیشنهاد می‌شود، اما تأثیر آن بر ویژگی‌های قطعه باید از قبل تأیید شود.

5.3 ذخیره‌سازی و حساسیت به رطوبت

قطعه به رطوبت حساس است. اقدامات احتیاطی شامل موارد زیر است:

• کیسه ضد رطوبت را تا زمان آمادگی برای استفاده باز نکنید.
• کیسه‌های بازنشده را در دمای ≤30 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی ≤90٪ ذخیره کنید. ظرف یک سال استفاده شود.
• پس از باز کردن، در دمای ≤30 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی ≤60٪ ذخیره کنید. ظرف 24 ساعت استفاده شود.
• اگر زمان ذخیره‌سازی بیش از حد مجاز باشد یا جاذب رطوبت نشان‌دهنده نفوذ رطوبت باشد، قبل از رفلو نیاز به عملیات پخت در دمای 5±60 درجه سانتی‌گراد به مدت حداقل 24 ساعت است.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

قطعه روی نوار حامل برجسته برای جابجایی اتوماتیک عرضه می‌شود. ریل استاندارد حاوی 1000 قطعه است. ابعاد نوار حامل برای اطمینان از سازگاری با سیستم‌های فیدر استاندارد مشخص شده است. بسته‌بندی مقاوم در برابر رطوبت شامل یک کیسه لایه‌ای آلومینیومی حاوی جاذب رطوبت و کارت نشانگر رطوبت است. برچسب کیسه شامل فیلدهایی برای شماره قطعه مشتری (CPN)، شماره تولید (P/N)، تعداد، کدهای رتبه (CAT, HUE)، مرجع، شماره بچ و کشور مبدا است.

7. پیشنهادات کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی معمول

• سنسورهای نوری: دو طول موج امکان استفاده در سنسورهای بازتابی یا عبوری برای تشخیص، شمارش یا سنجش موقعیت اجسام را فراهم می‌کند. طول موج 905 نانومتر اغلب در جایی که نور مرئی نامطلوب است استفاده می‌شود، در حالی که قرمز 660 نانومتر می‌تواند به عنوان نشانگر مرئی یا برای سنجش فتومتریک خاص عمل کند.
• پالس اکسیمتری پزشکی: طول‌موج‌های 660 نانومتر و 905 نانومتر (یا 940 نانومتر) در دستگاه‌های پالس اکسیمتر برای اندازه‌گیری اشباع اکسیژن خون (SpO2) استاندارد هستند. تطابق طیفی قطعه با آشکارسازهای سیلیکونی برای این کاربرد ضروری است.
• اتوماسیون صنعتی: در انکودرهای نوری، سیستم‌های تشخیص لبه و پرده‌های ایمنی استفاده می‌شود.

7.2 ملاحظات طراحی

• محدود کردن جریان: یک مقاومت سری خارجی برای کار از یک منبع ولتاژ الزامی است. شیب تند منحنی I-V به این معنی است که یک تغییر کوچک ولتاژ باعث تغییر بزرگی در جریان می‌شود که می‌تواند به سرعت LED را از بین ببرد.
• مدیریت حرارتی: مقاومت حرارتی مشخص شده (550 کلوین بر وات) نسبتاً بالا است. برای عملکرد پیوسته در جریان‌های بالا یا در محیط‌های گرم، چیدمان PCB با مساحت مسی کافی برای هیت‌سینک توصیه می‌شود تا دمای پیوندگاه در محدوده مجاز حفظ شود.
• طراحی نوری: زاویه دید وسیع ممکن است نیاز به اپتیک ثانویه (لنزها، دیافراگم) برای موازی‌سازی یا متمرکز کردن نور برای کارهای سنجشی خاص داشته باشد. لنز شفاف برای کاربردهایی که الگوی تابش دقیق حیاتی نیست یا از اپتیک خارجی استفاده می‌شود مناسب است.
• مدار راه‌انداز: ولتاژهای مستقیم متفاوت دو چیپ در صورتی که قرار باشد به طور مستقل یا مالتی‌پلکس راه‌اندازی شوند، باید در نظر گرفته شود. درایورهای جریان ثابت برای خروجی نوری پایدار نسبت به درایورهای ولتاژ ثابت ترجیح داده می‌شوند.

8. مقایسه و تمایز فنی

تمایز اصلی IRR60-48C/TR8 در طراحی دو طول موج و تک پکیج آن نهفته است. در مقایسه با استفاده از دو LED SMD جداگانه، این مزایای قابل توجهی ارائه می‌دهد:

• صرفه‌جویی در فضا: جایگاه PCB را تا 50٪ کاهش می‌دهد.
• ساده‌سازی مونتاژ: فقط یک قطعه برای نصب وجود دارد که بازده تولید را بهبود بخشیده و هزینه نصب را کاهش می‌دهد.
• هم‌ترازی بهبود یافته: دو نقطه تابش در یک پکیج مشترک قرار دارند که هم‌ترازی فضایی کامل را برای کاربردهایی که نیاز به تابش هر دو طول موج بر یک نقطه دارند تضمین می‌کند. این در دستگاه‌هایی مانند پالس اکسیمترها حیاتی است.
• سازگاری مواد: استفاده از AlGaInP برای قرمز، بازده بالاتر و خلوص طیفی بهتری نسبت به فناوری‌های قدیمی مانند GaAsP ارائه می‌دهد، در حالی که چیپ مادون قرمز AlGaAs خروجی قوی در منطقه مادون قرمز نزدیک فراهم می‌کند.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: آیا می‌توانم هر دو چیپ LED را همزمان در حداکثر جریان پیوسته 30 میلی‌آمپر هر کدام راه‌اندازی کنم؟

ج: خیر. توان تلف شده کل باید در نظر گرفته شود. عملکرد همزمان در 30 میلی‌آمپر احتمالاً از قابلیت دفع حرارتی پکیج فراتر رفته و منجر به گرمای بیش از حد می‌شود. کاهش رتبه بر اساس دمای محیط و چرخه‌های کاری خاص کاربرد ضروری است.

س: چرا شدت تابشی برای چیپ مادون قرمز در جریان یکسان کمتر از چیپ قرمز است؟

ج: این امر عمدتاً به دلیل تفاوت در حساسیت چشم (اندازه‌گیری فوتوپیک در مقابل رادیومتریک) و بازده تبدیل ذاتی مواد نیمه‌هادی مختلف (AlGaAs در مقابل AlGaInP) در طول‌موج‌های مربوطه آنها است. معیار توان تابشی کل مقایسه بهتری از کل خروجی نوری ارائه می‌دهد.

س: دیتاشیت دمای لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد را نشان می‌دهد، اما پروفیل رفلوی من در 245 درجه سانتی‌گراد به پیک می‌رسد. آیا این قابل قبول است؟

ج: بله، حداکثر دمای 245 درجه سانتی‌گراد قابل قبول است و حتی ممکن است ترجیح داده شود زیرا قطعه را در معرض تنش حرارتی کمتری قرار می‌دهد، مشروط بر اینکه زمان بالای نقطه ذوب (TAL) برای تشکیل اتصال لحیم مناسب کافی باشد.

س: محدودیت 24 ساعته استفاده پس از باز کردن چقدر حیاتی است؟

ج: برای لحیم‌کاری رفلوی قابل اعتماد حیاتی است. رطوبت جذب شده در پکیج پلاستیکی می‌تواند در حین رفلو تبخیر شده و باعث لایه‌لایه شدن داخلی، ترک خوردگی ("پاپ کورن") یا آسیب سیم اتصال شود. رعایت این دستورالعمل برای بازده بالا در تولید ضروری است.

10. مطالعه موردی طراحی و استفاده

سناریو: طراحی یک سنسور جسم بازتابی

در یک کاربرد معمول برای تشخیص یک جسم سفید روی نوار نقاله سیاه، IRR60-48C/TR8 با یک فوتوترانزیستور سیلیکونی جفت می‌شود. چیپ مادون قرمز 905 نانومتر برای سنجش اولیه به منظور جلوگیری از تداخل نور مرئی محیطی استفاده می‌شود. یک منبع جریان ثابت تنظیم شده روی 20 میلی‌آمپر LED را راه‌اندازی می‌کند. نور از جسم بازتابیده شده و توسط فوتوترانزیستور تشخیص داده می‌شود که سیگنال خروجی آن توسط یک مدار تقویت‌کننده/مقایسه‌کننده پردازش می‌شود. زاویه دید وسیع 130 درجه‌ای چیپ مادون قرمز یک میدان تشخیص سخاوتمندانه را تضمین کرده و نیاز به دقت هم‌ترازی را کاهش می‌دهد. طراح باید در صورت استفاده از منبع ولتاژ، یک مقاومت محدودکننده جریان را لحاظ کند، اطمینان حاصل کند که چیدمان PCB مقداری تخفیف حرارتی فراهم می‌کند و قبل از عبور برد از فرآیند لحیم‌کاری رفلوی، روش‌های سختگیرانه کنترل رطوبت را رعایت کند.

11. اصل عملکرد

تابش نور در IRR60-48C/TR8 بر اساس الکترولومینسانس در مواد نیمه‌هادی است. هنگامی که یک ولتاژ بایاس مستقیم بیش از انرژی گپ چیپ اعمال می‌شود، الکترون‌ها و حفره‌ها به ناحیه فعال نیمه‌هادی تزریق شده و در آنجا بازترکیب می‌شوند. این بازترکیب انرژی را به شکل فوتون (نور) آزاد می‌کند. طول موج (رنگ) نور ساطع شده توسط انرژی گپ ماده نیمه‌هادی تعیین می‌شود: AlGaInP برای 660 نانومتر (قرمز) و AlGaAs برای 905 نانومتر (مادون قرمز). پکیج اپوکسی شفاف چیپ را محصور کرده، محافظت مکانیکی فراهم می‌کند و سطح بالایی شکل‌یافته آن به عنوان لنز اولیه برای کنترل الگوی تابش عمل می‌کند.

12. روندهای فناوری

توسعه LEDهای SMD مانند IRR60-48C/TR8 چندین روند صنعتی را دنبال می‌کند:

• مینیاتوری‌سازی: کاهش مداوم اندازه پکیج (به عنوان مثال از 0603 به 0402) برای امکان مونتاژهای الکترونیکی متراکم‌تر.
• ادغام چند چیپی: ترکیب چندین طول موج یا حتی انواع مختلف قطعات (LEDها و فوتودیودها) در پکیج‌های واحد برای ماژول‌های سنسور هوشمندتر و فشرده‌تر.
• افزایش بازده: بهبودهای مداوم در بازده کوانتومی داخلی و استخراج نور از ماده نیمه‌هادی و پکیج، منجر به خروجی نوری بالاتر برای همان ورودی الکتریکی می‌شود.
• قابلیت اطمینان بهبود یافته: پیشرفت در مواد و فرآیندهای بسته‌بندی برای مقاومت در برابر دمای رفلوی بالاتر، شرایط محیطی سخت‌تر و ارائه طول عمر عملیاتی طولانی‌تر.
• استانداردسازی: پذیرش گسترده‌تر جایگاه‌ها و ویژگی‌های نوری استاندارد برای بهبود قابلیت تعویض و ساده‌سازی طراحی برای مهندسان.

این روندها تکامل قطعات را به سمت راه‌حل‌های کوچک‌تر، هوشمندتر، کارآمدتر و قابل اطمینان‌تر برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای اپتوالکترونیکی هدایت می‌کنند.