Scheda Tecnica LED Infrarosso IR67-21C/TR8 - Package SMD - Lunghezza d'Onda di Picco 940nm - Angolo di Visione 120° - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

L'IR67-21C/TR8 è un diodo emettitore infrarosso a vista dall'alto, alloggiato in un package SMD (Surface-Mount Device) miniaturizzato. Il dispositivo è stampato in plastica trasparente con lente superiore piatta, progettato per la compatibilità con i moderni processi di saldatura a rifusione a infrarossi e a fase di vapore. La sua funzione principale è emettere luce infrarossa a una lunghezza d'onda di picco corrispondente a quella dei fotodiodi e fototransistor al silicio, rendendolo un componente fondamentale in varie applicazioni di rilevamento e commutazione.

I vantaggi principali di questo componente includono il basso requisito di tensione diretta, un ampio angolo di visione di 120 gradi e la conformità agli standard ambientali senza piombo e RoHS. Il suo fattore di forma SMD miniaturizzato consente un posizionamento ad alta densità sui circuiti stampati, essenziale per l'elettronica di consumo e industriale compatta.

1.1 Specifiche Principali e Selezione del Dispositivo

Le specifiche fondamentali che definiscono l'IR67-21C/TR8 sono il materiale del chip e le caratteristiche ottiche. Il chip emettitore è realizzato in Arseniuro di Gallio e Alluminio (GaAlAs), un materiale semiconduttore particolarmente adatto per produrre radiazione infrarossa. Il package presenta una lente trasparente, che non filtra la luce infrarossa emessa, garantendo la massima intensità radiante in uscita. Questa combinazione di chip GaAlAs e lente trasparente è progettata specificamente per prestazioni ottimali nelle applicazioni di sensori dove l'intensità del segnale rilevato è critica.

2. Parametri Tecnici: Interpretazione Oggettiva Approfondita

Questa sezione fornisce un'analisi dettagliata e oggettiva dei parametri elettrici, ottici e termici specificati per il LED infrarosso IR67-21C/TR8. Comprendere questi valori è cruciale per una progettazione del circuito affidabile e per garantire l'integrità operativa a lungo termine del dispositivo.

2.1 Valori Massimi Assoluti

I Valori Massimi Assoluti definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Questi non sono condizioni operative raccomandate, ma piuttosto soglie che non devono essere superate in nessuna circostanza, inclusi eventi transitori.

• Corrente Diretta Continua (I_F): 65 mA. Questa è la massima corrente continua che può attraversare la giunzione del LED indefinitamente a una temperatura ambiente (T_a) di 25°C.
• Corrente Diretta di Picco (I_FP): 1.0 A. Questa elevata corrente è consentita solo in condizioni di impulso strette: larghezza dell'impulso ≤ 100 µs e ciclo di lavoro ≤ 1%. Questo valore è rilevante per applicazioni che richiedono brevi impulsi ad alta intensità di luce IR.
• Tensione Inversa (V_R): 5 V. Applicare una tensione di polarizzazione inversa superiore a questo valore può causare la rottura della giunzione.
• Dissipazione di Potenza (P_d): 130 mW a 25°C. Questa è la massima potenza che il package può dissipare come calore. La potenza effettiva consentita diminuisce all'aumentare della temperatura ambiente, come mostrato nella curva di derating.
• Resistenza Termica, Giunzione-Ambiente (R_thj-a): 400 K/W. Questo parametro quantifica quanto efficacemente il calore si trasferisce dalla giunzione del semiconduttore all'aria circostante. Un valore più basso indica una migliore dissipazione del calore. Con questo valore, per ogni watt di potenza dissipata, la temperatura di giunzione aumenterà di 400°C rispetto alla temperatura ambiente.
• Temperatura di Saldatura (T_sol): 260°C per un massimo di 5 secondi. Questo definisce la tolleranza del profilo di saldatura a rifusione.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

Questi parametri, misurati in condizioni di prova standard di 25°C, descrivono le prestazioni del dispositivo in condizioni operative normali. La colonna 'Tip.' rappresenta i valori tipici o attesi, mentre 'Min.' e 'Max.' definiscono i limiti di prestazione garantiti.

• Intensità Radiante (I_e): Questa è la potenza ottica emessa per unità di angolo solido (misurata in milliwatt per steradiante, mW/sr). A una corrente di pilotaggio standard di 20mA, l'intensità radiante tipica è di 1.5 mW/sr, con un minimo garantito di 1.0 mW/sr. In condizioni di impulso ad alta corrente (100mA, ≤100µs, ≤1% duty), l'intensità può raggiungere un valore tipico di 20 mW/sr.
• Lunghezza d'Onda di Picco (λ_p): 940 nm (tipico). Questa è la lunghezza d'onda alla quale il LED emette la maggior potenza ottica. È spettralmente corrispondente alla sensibilità di picco dei comuni fotorivelatori al silicio.
• Larghezza di Banda Spettrale (Δλ): 45 nm (tipico). Questo definisce l'intervallo di lunghezze d'onda emesse, tipicamente misurato a metà dell'intensità massima (Larghezza a Metà Altezza, FWHM). Una larghezza di banda di 45nm centrata a 940nm significa che si verifica un'emissione significativa da circa 917.5nm a 962.5nm.
• Tensione Diretta (V_F): A 20mA, la tensione diretta tipica è di 1.2V, con un massimo di 1.5V. Nella condizione di impulso a 100mA, V_Faumenta a un tipico 1.4V (max 1.8V). Questo basso V_Fè vantaggioso per applicazioni a bassa tensione e alimentate a batteria.
• Angolo di Visione (2θ_1/2): 120 gradi. Questo è l'angolo totale in cui l'intensità radiante scende alla metà del suo valore di picco (misurato sull'asse). Un ampio angolo di 120° fornisce un'illuminazione ampia e diffusa, ideale per il rilevamento di prossimità o presenza dove la posizione del bersaglio può variare.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica include diverse curve caratteristiche che illustrano come i parametri chiave variano con le condizioni operative. Questi grafici sono essenziali per la progettazione di sistemi dinamici.

3.1 Dissipazione di Potenza vs. Temperatura Ambiente

Questa curva di derating mostra che la massima dissipazione di potenza consentita (P_d) diminuisce linearmente da 130 mW a 25°C a 0 mW a circa 150°C. I progettisti devono utilizzare questo grafico per calcolare la corrente operativa sicura per la loro specifica temperatura ambiente massima. Ad esempio, se la temperatura ambiente massima è di 85°C, il grafico indica che la dissipazione di potenza consentita è significativamente ridotta, il che a sua volta limita la massima corrente diretta ammissibile.

3.2 Distribuzione Spettrale

La curva di distribuzione spettrale traccia l'intensità radiante relativa rispetto alla lunghezza d'onda. Conferma visivamente la lunghezza d'onda di picco di 940nm e la larghezza di banda spettrale di circa 45nm. La curva ha tipicamente una forma gaussiana, centrata sulla lunghezza d'onda di picco.

3.3 Lunghezza d'Onda di Emissione di Picco vs. Temperatura Ambiente

Questa curva dimostra la dipendenza dalla temperatura della lunghezza d'onda di picco. Tipicamente, la lunghezza d'onda di picco di un LED si sposta verso lunghezze d'onda più lunghe (uno \"spostamento verso il rosso\") all'aumentare della temperatura di giunzione. Il grafico quantifica questo spostamento, importante per applicazioni che richiedono una corrispondenza spettrale precisa, poiché anche la sensibilità del rivelatore può dipendere dalla temperatura.

3.4 Corrente Diretta vs. Tensione Diretta (Curva I-V)

La curva I-V è non lineare, come un diodo standard. Mostra la relazione tra la corrente che attraversa il LED e la tensione ai suoi capi. Il \"ginocchio\" di questa curva è intorno alla tipica tensione diretta. La curva aiuta nella progettazione del circuito limitatore di corrente, specialmente per pilotare il LED con una sorgente di tensione.

3.5 Intensità Radiante Relativa vs. Spostamento Angolare

Questo grafico polare illustra il modello di emissione spaziale. Conferma l'angolo di visione di 120°, mostrando come l'intensità è distribuita. Il modello per un LED a cima piatta in un package trasparente è tipicamente vicino a una distribuzione di Lambert, dove l'intensità è proporzionale al coseno dell'angolo dalla normale (centro).

4. Informazioni Meccaniche e di Imballaggio

4.1 Dimensioni del Package

L'IR67-21C/TR8 è alloggiato in un package SMD miniaturizzato. Il disegno dimensionale fornisce tutte le misure critiche per la progettazione dell'impronta PCB, inclusa lunghezza, larghezza, altezza del corpo, spaziatura dei terminali e dimensioni dei pad. Le dimensioni chiave includono la dimensione complessiva (ad esempio, circa 3.2mm x 2.8mm, sebbene i valori esatti debbano essere presi dal disegno), la distanza tra i pad di saldatura e il modello di piazzola raccomandato per una saldatura affidabile. Tutte le dimensioni sono in millimetri con una tolleranza standard di ±0.1mm salvo diversa specificazione.

4.2 Identificazione della Polarità

Il package include segni o caratteristiche (come una tacca, un angolo smussato o un segno del catodo) per identificare i terminali anodo e catodo. La polarità corretta deve essere osservata durante l'assemblaggio, poiché applicare una polarizzazione inversa può danneggiare il dispositivo.

4.3 Specifiche del Nastro Portacomponenti e della Bobina

Per l'assemblaggio automatizzato, i componenti sono forniti su nastro portacomponenti goffrato avvolto su bobine. La scheda tecnica fornisce le dimensioni del nastro portacomponenti, inclusa la dimensione della tasca, il passo e la larghezza del nastro. La bobina contiene tipicamente 2000 pezzi. Queste dimensioni sono critiche per la programmazione delle macchine pick-and-place.

5. Linee Guida per Saldatura e Assemblaggio

Una manipolazione e una saldatura corrette sono fondamentali per prevenire danni al LED e garantire l'affidabilità a lungo termine.

5.1 Processo di Saldatura a Rifusione

Il dispositivo è compatibile con i processi di rifusione a infrarossi e a fase di vapore. Viene fornito un profilo di temperatura raccomandato per saldatura senza piombo, specificando pre-riscaldamento, stabilizzazione, temperatura di picco di rifusione (non superiore a 260°C) e velocità di raffreddamento. La saldatura a rifusione non dovrebbe essere eseguita più di due volte. Non dovrebbe essere applicato stress al corpo del LED durante il riscaldamento e il PCB non dovrebbe deformarsi dopo la saldatura.

5.2 Saldatura Manuale

Se è necessaria la saldatura manuale, è richiesta estrema cautela. La temperatura della punta del saldatore deve essere inferiore a 350°C e il tempo di contatto per terminale non deve superare i 3 secondi. Si raccomanda un saldatore a bassa potenza (≤25W). Dovrebbe essere osservato un intervallo di raffreddamento di almeno 2 secondi tra la saldatura di ciascun terminale. La scheda tecnica sconsiglia vivamente la saldatura manuale, poiché spesso porta a danni.

5.3 Rilavorazione e Riparazione

La riparazione dopo che il LED è stato saldato non è raccomandata. Se inevitabile, dovrebbe essere utilizzato un saldatore a doppia testa per riscaldare simultaneamente entrambi i terminali, minimizzando lo stress termico. La potenziale alterazione delle caratteristiche del LED durante la rilavorazione deve essere valutata preventivamente.

6. Conservazione e Sensibilità all'Umidità

L'IR67-21C/TR8 è sensibile all'umidità. Devono essere prese precauzioni per prevenire l'effetto \"popcorn\" (crepe del package dovute alla rapida espansione del vapore) durante la rifusione.

• La busta anti-umidità non deve essere aperta finché i componenti non sono pronti per l'uso.
• Prima dell'apertura, conservare a ≤30°C e ≤90% di Umidità Relativa (UR). La durata di conservazione è di un anno.
• Dopo l'apertura, conservare a ≤30°C e ≤70% UR. La \"vita a banco\" (tempo consentito fuori dalla busta) è di 168 ore (7 giorni).
• Se il gel di silice essiccante ha cambiato colore (indicando saturazione) o il tempo di conservazione è stato superato, è richiesta una essiccazione a 60 ±5°C per 24 ore prima della rifusione.

7. Suggerimenti Applicativi

7.1 Scenari Applicativi Tipici

L'IR67-21C/TR8 è progettato per un'ampia gamma di applicazioni optoelettroniche in cui la luce infrarossa invisibile è utilizzata per il rilevamento o la segnalazione.

• Sensori: Utilizzato come sorgente luminosa in sensori di prossimità, rilevamento oggetti e robot che seguono linee.
• Interruttori Optoelettronici: Costituisce una delle due metà di un interruttore ottico a lama o a fessura, dove un oggetto interrompe il fascio tra il LED e un fotorivelatore.
• Elettronica di Consumo: Trasmettitori per telecomandi di TV, videoregistratori e altre apparecchiature audio/video (sebbene per distanze maggiori siano spesso utilizzati LED di potenza superiore).
• Imaging: Illuminazione a infrarossi per telecamere di sicurezza, specialmente in modalità di scarsa illuminazione o visione notturna.
• Dispositivi di Sicurezza: Può essere utilizzato come componente in alcuni tipi di rivelatori di fumo che utilizzano principi di scattering ottico.

7.2 Considerazioni Critiche di Progettazione

• Limitazione di Corrente: Una resistenza limitatrice di corrente esterna è assolutamente obbligatoria. Il LED presenta una caratteristica I-V ripida, il che significa che un piccolo aumento di tensione causa un grande aumento di corrente, portando a un guasto immediato se non controllato adeguatamente. Il valore della resistenza è calcolato utilizzando la Legge di Ohm: R = (V_{alimentazione}- V_F) / I_F.
• Gestione del Calore: Sebbene il package SMD dissipi calore attraverso i pad PCB, è necessario prestare attenzione alla curva di derating della dissipazione di potenza, specialmente in ambienti ad alta temperatura ambiente. Un'adeguata area di rame sul PCB (pad di sfiato termico) può aiutare ad abbassare la temperatura di giunzione.
• Corrispondenza Spettrale: Assicurarsi che il fotorivelatore selezionato (fotodiodo, fototransistor) abbia una sensibilità di picco intorno a 940nm per un rapporto segnale-rumore ottimale del sistema.
• Progettazione Ottica: L'angolo di visione di 120° fornisce un'ampia copertura. Per fasci più diretti o a più lunga distanza, potrebbero essere necessarie ottiche secondarie (lenti).

8. Imballaggio e Informazioni per l'Ordine

8.1 Procedura di Imballaggio

I LED sono imballati in buste di alluminio anti-umidità contenenti essiccante e cartine indicatrici di umidità. Le buste sono etichettate con informazioni critiche per la tracciabilità e la corretta applicazione.

8.2 Specifiche dell'Etichetta

L'etichetta include diversi campi: Numero di Parte del Cliente (CPN), Numero di Parte del Produttore (P/N), Quantità di Imballo (QTY), Numero di Lotto (LOT NO) e informazioni di binning ottico come Categoria (CAT, probabilmente per intensità radiante) e Tonalità (HUE, per lunghezza d'onda di picco). Può essere presente anche un codice di riferimento (REF).

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D: Qual è lo scopo del valore di Corrente Diretta di Picco di 1.0A se la Corrente Continua è solo 65mA?
R: Il valore di corrente di picco consente di pilotare il LED con impulsi molto brevi e ad alta potenza. Questo è utile in applicazioni come la misura della distanza (time-of-flight) o la trasmissione dati, dove è necessario un breve e intenso impulso di luce IR per superare il rumore ambientale o percorrere una distanza maggiore, senza generare un calore medio eccessivo.

D: Come determino la corrente operativa sicura per la mia applicazione se la temperatura ambiente è di 50°C?
R: È necessario utilizzare la curva di derating Dissipazione di Potenza vs. Temperatura Ambiente. Trovare il punto sulla curva corrispondente a 50°C per determinare la massima dissipazione di potenza consentita (P_d(max)) a quella temperatura. Quindi, utilizzando la tipica tensione diretta (V_F) alla corrente desiderata, calcolare la massima corrente sicura: I_F(max)= P_d(max)/ V_F. Includere sempre un margine di sicurezza.

D: Posso utilizzare questo LED per un telecomando TV?
R: Sebbene emetta alla lunghezza d'onda corretta (940nm è standard per i telecomandi), la sua intensità radiante a 20mA (1.5 mW/sr tipico) potrebbe essere inferiore a quella dei LED dedicati per telecomandi, che sono spesso pilotati più intensamente o hanno ottiche diverse per una portata maggiore. Potrebbe funzionare per telecomandi a corto raggio, ma per le tipiche distanze in salotto, un componente specificamente caratterizzato per un'uscita più elevata potrebbe essere più adatto.

D: Perché la procedura di conservazione ed essiccazione è così specifica?
R: Il package SMD in plastica può assorbire umidità dall'aria. Durante il processo di saldatura a rifusione ad alta temperatura, questa umidità assorbita può trasformarsi rapidamente in vapore, creando una pressione interna che può delaminare il package o rompere il die (effetto \"popcorn\"). Le procedure controllate di conservazione ed essiccazione sono standard del settore (basate sulle classificazioni JEDEC MSL) per rimuovere in sicurezza questa umidità prima della saldatura.

10. Principi Operativi e Contesto Tecnologico

10.1 Principio Operativo di Base

Un Diodo Emettitore di Luce Infrarossa (IR LED) opera sul principio dell'elettroluminescenza in una giunzione p-n di un semiconduttore. Quando viene applicata una tensione diretta, gli elettroni dal materiale di tipo n e le lacune dal materiale di tipo p vengono iniettati nella regione della giunzione. Quando questi portatori di carica si ricombinano, rilasciano energia. In un semiconduttore GaAlAs, questa energia viene rilasciata principalmente come fotoni nello spettro infrarosso (intorno a 940nm). La lunghezza d'onda specifica è determinata dall'energia della banda proibita del materiale semiconduttore, che viene ingegnerizzata regolando il rapporto tra alluminio e gallio nel cristallo.

10.2 Ruolo nei Sistemi Optoelettronici

In un tipico sistema di rilevamento, l'IR67-21C/TR8 agisce come sorgente di segnale attiva. La sua luce viene ricevuta direttamente da un rivelatore (per rilevamento a trasmissione), riflessa da un bersaglio (per rilevamento di prossimità/riflessivo) o interrotta da un oggetto (per rilevamento a fascio interrotto). Il rivelatore converte la luce IR modulata o interrotta in un segnale elettrico per l'elaborazione. La lunghezza d'onda di 940nm è ideale perché è invisibile all'occhio umano, evita interferenze dalla maggior parte della luce visibile ambientale e si allinea con la regione di alta sensibilità dei rivelatori al silicio economici, essendo meno suscettibile all'assorbimento da parte dell'aria e dei materiali comuni rispetto alle lunghezze d'onda IR più lunghe.

10.3 Tendenze e Contesto del Settore

Lo sviluppo di LED infrarossi SMD come l'IR67-21C/TR8 è guidato dalla miniaturizzazione e automazione dell'assemblaggio elettronico. La tendenza è verso impronte di package più piccole, maggiore intensità radiante per unità di area, migliori prestazioni termiche e binning più stretto per prestazioni consistenti. È inoltre in corso la ricerca su nuovi materiali semiconduttori (come InGaN su silicio per diverse bande IR) e soluzioni integrate che combinano il driver LED, il sensore e l'elaborazione del segnale in un unico modulo (ad esempio, moduli di sensori di prossimità). La domanda di componenti IR affidabili e a basso costo continua a crescere con l'espansione dell'Internet delle Cose (IoT), del rilevamento automobilistico (ad esempio, monitoraggio interno) e dell'automazione industriale.