Fiche technique de la LED infrarouge haute puissance HIR-C19D-1N90/L649-P03/TR - Boîtier CMS - 850nm - 3.5V - 3W - Document technique en français

1. Vue d'ensemble du produit

La HIR-C19D-1N90/L649-P03/TR est une diode électroluminescente infrarouge haute puissance conçue pour des applications exigeantes nécessitant un éclairage infrarouge robuste et efficace. Elle est logée dans un boîtier CMS (Composant Monté en Surface) compact, la rendant adaptée aux processus d'assemblage automatisés. Le composant est moulé dans un matériau silicone transparent avec une lentille supérieure sphérique, ce qui contribue à atteindre son angle de vision et son profil d'intensité rayonnante spécifiés.

L'avantage principal de cette LED réside dans la combinaison de son facteur de forme réduit et de son rendement optique élevé. Elle est fabriquée à partir d'une puce en GaAlAs (Arséniure de Gallium Aluminium), optimisée pour l'émission dans le spectre proche infrarouge. Une caractéristique clé est sa correspondance spectrale avec les photodiodes et phototransistors au silicium, ce qui en fait une source lumineuse idéale pour les systèmes de détection et d'imagerie utilisant ces détecteurs au silicium courants. Cela garantit une responsivité et un rapport signal/bruit maximaux dans l'application cible.

Les marchés et applications cibles principaux incluent les systèmes de surveillance et de sécurité, en particulier les caméras à base de CCD pour la vision nocturne, ainsi que divers systèmes à infrarouge tels que les capteurs de proximité, l'automatisation industrielle et la vision industrielle. Sa conformité aux normes environnementales telles que RoHS, REACH et les exigences sans halogène la rend adaptée à une utilisation dans des produits soumis à des exigences réglementaires strictes.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Valeurs maximales absolues

Le composant est conçu pour un courant direct continu (I_F) de 1500 mA. Pour un fonctionnement en impulsions, il peut supporter un courant direct de crête (I_FP) de 5000 mA dans des conditions spécifiques (largeur d'impulsion ≤100μs, rapport cyclique ≤1%). La tension inverse maximale (V_R) est de 5V, une valeur typique pour les LED, indiquant que le composant ne doit pas être soumis à une polarisation inverse significative. La plage de température de fonctionnement et de stockage est spécifiée de -40°C à +100°C, avec une température de jonction maximale (T_j) de 125°C. Dépasser ces valeurs peut causer des dommages permanents.

La résistance thermique de la jonction au cadre de sortie (R_th(j-L)) est de 18 K/W. Ce paramètre est crucial pour la gestion thermique. Il définit l'augmentation de la température de jonction pour chaque watt de puissance dissipée. Avec une dissipation de puissance spécifiée (P_d) de 3W à I_F=700mA, un dissipateur thermique efficace est essentiel pour maintenir la température de jonction dans des limites sûres, en particulier à des courants de commande plus élevés.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Les principaux paramètres optiques sont mesurés à une température ambiante standard de 25°C. La longueur d'onde de crête (λ_p) est de 850 nm, située dans la région du proche infrarouge, invisible à l'œil nu mais hautement détectable par les capteurs au silicium. La largeur de bande spectrale (Δλ) est typiquement de 25 nm, indiquant la pureté spectrale de la lumière émise.

La performance rayonnante évolue avec le courant de commande :

• À I_F=350 mA : La Puissance Rayonnante Totale (P_o) est de 500 mW (typ.), l'Intensité Rayonnante (I_E) est de 200 mW/sr (typ.).
• À I_F=700 mA : P_oest de 900 mW (typ.), I_Eest de 400 mW/sr (typ.).
• À I_F=1 A : P_oest de 1300 mW (typ.), I_Eest de 560 mW/sr (typ.).

La tension directe (V_F) augmente avec le courant en raison de la résistance inhérente de la diode :

• 3.0V (typ.) à 350 mA.
• 3.3V (typ.) à 700 mA.
• 3.5V (typ.) à 1 A.
• 3.8V (typ.) à 5 A (impulsionnel).

Le courant inverse (I_R) est au maximum de 10 μA à V_R=5V. L'angle de vision (2θ_1/2), défini comme l'angle total à mi-intensité, est de 90 degrés, fournissant un faisceau relativement large adapté à l'éclairage de zone.

3. Explication du système de classement (binning)

Le produit utilise un système de classement pour la Puissance Rayonnante Totale mesurée à un courant de commande de 1000 mA (1A). Ce système catégorise les LED en fonction de leur puissance optique de sortie pour garantir une cohérence dans les performances de l'application. Les codes de classement et leurs plages de puissance correspondantes (incluant une tolérance de test de ±10%) sont :

• Classe G :Minimum 800 mW, Maximum 1260 mW.
• Classe H :Minimum 1000 mW, Maximum 1600 mW.
• Classe I :Minimum 1260 mW, Maximum 2000 mW.

Cela permet aux concepteurs de sélectionner des composants répondant à des exigences spécifiques de luminosité minimale pour leur système. La fiche technique n'indique pas de classes séparées pour la longueur d'onde ou la tension directe pour cette référence spécifique, suggérant un contrôle serré de ces paramètres lors de la fabrication.

4. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fait référence à plusieurs courbes caractéristiques typiques qui sont cruciales pour comprendre le comportement du composant dans différentes conditions de fonctionnement.

Courant direct vs. Tension directe (Fig.1) :Cette courbe IV montre la relation exponentielle typique d'une diode. Elle est essentielle pour concevoir le circuit d'alimentation en courant et calculer la consommation électrique (V_F* I_F). La courbe se déplace avec la température.

Courant direct vs. Intensité Rayonnante / Puissance Totale (Fig.2 & Fig.3) :Ces graphiques illustrent la sortie lumineuse en fonction du courant de commande. La relation est généralement linéaire à faible courant mais peut montrer des signes de baisse d'efficacité (augmentation sous-linéaire) à très fort courant en raison d'effets thermiques et électriques. Cela aide à sélectionner le point de fonctionnement optimal pour équilibrer la sortie et l'efficacité/la chaleur.

Intensité Rayonnante Relative vs. Déplacement Angulaire (Fig.4) :Ce diagramme polaire définit le modèle de rayonnement spatial. L'angle de vision de 90 degrés est confirmé ici. La forme de la courbe (par ex., Lambertienne, en ailes de chauve-souris) impacte la distribution de la lumière sur la zone cible.

Courant direct vs. Température Ambiante (Fig.5) :Cette courbe de déclassement est l'une des plus critiques pour la fiabilité. Elle montre le courant direct maximal autorisé pour maintenir la température de jonction en dessous de 125°C à mesure que la température ambiante augmente. À 100°C ambiant, le courant continu autorisé est considérablement réduit. Ce graphique doit être utilisé pour toute conception fonctionnant dans un environnement différent de 25°C.

5. Informations mécaniques et sur le boîtier

5.1 Dimensions du boîtier

La LED est logée dans un boîtier pour montage en surface. Les dimensions clés du dessin incluent la taille du corps, la hauteur de la lentille et l'espacement des broches. Les tolérances sont typiquement de ±0.1mm sauf indication contraire. Une note de manipulation critique met en garde contre l'application d'une force sur la lentille, car cela peut endommager la structure interne et entraîner une défaillance du composant. Le composant doit être manipulé par son corps ou ses broches pendant l'assemblage.

5.2 Configuration des pastilles et polarité

Le composant possède trois pastilles électriques : la Pastille 1 est l'Anode (+), la Pastille 2 est la Cathode (-), et la Pastille P est une Pastille Thermique dédiée. La pastille thermique est cruciale pour transférer la chaleur de la jonction de la LED vers la carte de circuit imprimé (PCB). Pour des performances thermiques et électriques optimales, le dessin du PCB doit inclure une zone de cuivre de taille appropriée connectée à cette pastille, avec des vias thermiques vers les couches internes ou inférieures si nécessaire. Une connexion de polarité correcte (Anode vers l'alimentation positive) est obligatoire pour le fonctionnement.

6. Recommandations de soudage et d'assemblage

6.1 Profil de soudage par refusion

Le composant est adapté aux processus standard de refusion SMT. Un profil de refusion sans plomb est fourni :

• Vitesse de montée :2~3 °C/sec.
• Préchauffage :150~200°C pendant 60~120 secondes.
• Température de liquidus (T_L) :217°C.
• Temps au-dessus de T_L:60~90 secondes.
• Température de pic (T_P) :240 ±5°C.
• Temps au pic (t_P) :Maximum 20 secondes.
• Vitesse de descente :3~5 °C/sec.

Il est recommandé de ne pas effectuer le soudage par refusion plus de deux fois pour minimiser la contrainte thermique sur le boîtier et les liaisons internes. Il faut éviter toute contrainte sur la LED pendant le chauffage, et la carte de circuit ne doit pas être pliée après soudage pour éviter tout dommage mécanique aux soudures ou à la LED elle-même.

6.2 Conditions de stockage

Le composant est expédié dans un emballage résistant à l'humidité, comprenant un sac aluminium étanche avec dessiccant. Si l'emballage est ouvert, les composants sont sensibles à l'absorption d'humidité et doivent être utilisés dans un délai spécifié ou être "séchés" selon les procédures standard MSL (Niveau de Sensibilité à l'Humidité) avant refusion pour éviter les dommages de type "pop-corn" pendant le soudage. Le niveau MSL spécifique n'est pas indiqué dans l'extrait fourni.

7. Conditionnement et informations de commande

Le composant est fourni sur bande porteuse et en bobine pour l'assemblage automatisé par pick-and-place. Chaque bobine contient 400 pièces. Les dimensions de la bande porteuse sont fournies pour assurer la compatibilité avec les équipements d'alimentation. L'étiquette d'emballage comprend les informations standard telles que la Référence (P/N), la quantité (QTY) et le numéro de lot (LOT No.) pour la traçabilité. Le code de classe pour la puissance rayonnante (CAT) serait également indiqué ici.

8. Notes d'application et considérations de conception

8.1 Circuits d'application typiques

Cette LED infrarouge nécessite une source de courant constant pour un fonctionnement stable, et non une tension constante. Une simple résistance en série peut être utilisée pour des applications à faible courant, mais pour les courants élevés que ce composant peut supporter, un circuit intégré pilote de LED dédié ou un régulateur de courant à base de transistor est recommandé pour garantir une sortie lumineuse constante et protéger la LED des pointes de courant. Le pilote doit être capable de fournir jusqu'au courant direct requis et de supporter la chute de tension directe.

8.2 Gestion thermique

C'est l'aspect le plus critique de l'utilisation de cette LED haute puissance. La fiche technique suggère explicitement d'ajouter un dissipateur thermique. La conception du PCB doit incorporer une pastille thermique importante connectée à la pastille thermique de la LED avec une surface de cuivre généreuse. L'utilisation de vias thermiques pour conduire la chaleur vers d'autres couches du PCB ou vers un dissipateur externe est fortement recommandée. La température de jonction maximale de 125°C ne doit pas être dépassée ; par conséquent, des calculs ou des mesures thermiques doivent être effectués en fonction du courant de fonctionnement réel, de la température ambiante et des propriétés thermiques du PCB.

8.3 Conception optique

Pour des applications comme l'éclairage de caméra, des optiques secondaires (lentilles ou réflecteurs) peuvent être utilisées pour collimater ou façonner le faisceau de 90 degrés en un motif plus focalisé pour augmenter la portée ou l'efficacité. La lentille transparente garantit une absorption minimale de la lumière infrarouge. Les concepteurs doivent considérer l'intensité rayonnante (mW/sr) plutôt que la puissance totale uniquement lors de la conception pour un éclairage à distance.

9. Comparaison et différenciation technique

Comparée aux LED infrarouges traversantes standard de 5mm ou 3mm, ce composant CMS offre une puissance optique de sortie significativement plus élevée (jusqu'à 1300+ mW contre quelques dizaines de mW) dans un boîtier plus compact et plus facile à intégrer. Sa résistance thermique de 18 K/W est relativement faible pour une LED CMS, indiquant un bon chemin thermique, mais nécessite tout de même une gestion attentive par rapport aux LED montées sur des PCB à âme métallique ou avec des dissipateurs intégrés. La longueur d'onde de 850nm est une norme courante, offrant un bon équilibre entre la sensibilité des détecteurs au silicium et une visibilité réduite par rapport aux LED 940nm (qui sont presque invisibles mais produisent une réponse des capteurs plus faible).

10. Questions fréquemment posées (FAQ)

Q : Puis-je alimenter cette LED directement avec une alimentation 5V et une résistance ?

R : C'est possible, mais cela nécessite un calcul minutieux. À 1A, V_Fest d'environ 3.5V. Une résistance en série devrait dissiper 1.5V à 1A, ce qui signifie R = 1.5Ω et elle dissiperait 1.5W. C'est inefficace et génère plus de chaleur. Un régulateur de courant dédié est fortement préférable pour des courants supérieurs à 350mA.

Q : Pourquoi un dissipateur thermique est-il nécessaire ?

R : À 700mA, la dissipation de puissance est d'environ 3.3V * 0.7A = 2.31W. Avec une résistance thermique de 18 K/W, la jonction s'élèverait de 2.31W * 18 K/W = ~41.6°C au-dessus de la température des broches. Si le PCB/les broches ne sont pas refroidis, la jonction peut facilement dépasser 125°C, entraînant une dégradation rapide ou une défaillance.

Q : Quelle est la différence entre la Puissance Rayonnante Totale (mW) et l'Intensité Rayonnante (mW/sr) ?

R : La Puissance Rayonnante Totale est la puissance optique intégrée émise dans toutes les directions. L'Intensité Rayonnante est la puissance émise par unité d'angle solide dans une direction spécifique (typiquement sur l'axe). L'intensité est plus pertinente pour les applications directionnelles, tandis que la puissance totale importe pour l'efficacité globale du système.

Q : Cette LED est-elle sûre pour l'exposition des yeux ?

R : Les LED infrarouges, en particulier les modèles haute puissance, peuvent être dangereuses pour les yeux. Elles émettent un rayonnement invisible qui peut causer des dommages à la rétine avant que le réflexe de clignement n'intervienne. Suivez toujours les normes de sécurité applicables aux produits laser/infrarouge (comme l'IEC 62471) et mettez en œuvre des protections appropriées (diffuseurs, boîtiers, limites d'intensité) dans le produit final.

11. Étude de cas de conception et d'utilisation

Scénario : Éclairage pour vision nocturne d'une caméra de sécurité.

Un concepteur crée une caméra IP compacte avec capacité de vision nocturne utilisant un capteur d'image au silicium. Il sélectionne cette LED 850nm pour sa puissance de sortie élevée et sa correspondance spectrale. Quatre LED sont placées autour de l'objectif de la caméra. Chacune est pilotée à 700mA par un circuit intégré pilote de LED à découpage compact pour garantir une sortie stable malgré les variations de tension de la batterie. Le PCB est une carte 4 couches dont le plan de masse interne est connecté via de multiples vias thermiques à la grande pastille de cuivre sous chaque LED pour la dissipation thermique. Un film diffuseur léger est placé sur les LED pour mélanger les faisceaux et réduire les points chauds dans l'image. La conception thermique est validée avec une caméra thermique, confirmant que la température du boîtier de la LED reste inférieure à 85°C dans un environnement ambiant à 40°C, maintenant la jonction en toute sécurité en dessous de sa limite. Le système résultant fournit des images de vision nocturne claires et uniformément éclairées jusqu'à 30 mètres.

12. Introduction au principe technique

Les LED infrarouges fonctionnent sur le même principe fondamental que les LED visibles : l'électroluminescence dans une jonction p-n d'un semi-conducteur. Lorsqu'une tension directe est appliquée, des électrons et des trous sont injectés dans la région active où ils se recombinent, libérant de l'énergie sous forme de photons. La longueur d'onde (couleur) de la lumière émise est déterminée par l'énergie de la bande interdite du matériau semi-conducteur. Le GaAlAs (Arséniure de Gallium Aluminium) est un semi-conducteur composé dont la bande interdite peut être ajustée en variant la teneur en Aluminium pour émettre dans la gamme du proche infrarouge, spécifiquement autour de 850nm. L'encapsulation en silicone transparent est transparente à cette longueur d'onde et est façonnée en lentille pour former le faisceau de sortie. La capacité haute puissance est obtenue en utilisant une puce semi-conductrice plus grande et un boîtier efficace conçu pour extraire la chaleur.

13. Tendances technologiques

La tendance pour les LED infrarouges, en particulier pour la détection et l'imagerie, va vers une efficacité plus élevée (plus de puissance rayonnante par watt électrique), ce qui réduit la génération de chaleur et la consommation d'énergie. Cela est réalisé grâce aux progrès dans la conception des couches épitaxiales et les techniques d'extraction de la lumière. Il y a également une évolution vers une intégration plus poussée, comme des LED avec pilotes intégrés ou combinées avec des photodétecteurs dans un seul boîtier. Les longueurs d'onde comme 940nm gagnent en popularité pour l'éclairage "discret" car elles sont moins visibles à l'œil nu que les 850nm, bien qu'elles nécessitent des capteurs avec une sensibilité plus élevée. De plus, la tendance à la miniaturisation se poursuit, poussant à obtenir une haute puissance dans des boîtiers CMS toujours plus petits, ce qui augmente à son tour l'importance des solutions avancées de gestion thermique au niveau du PCB et du système.