T12シリーズ フリップチップLED仕様書 - 10W 白色 - 9個直列接続

1. 製品概要

T12シリーズは、フリップチップ技術を採用した高電力表面実装型LEDモジュールです。本ドキュメントは、9個のLEDチップを直列に接続した10W白色光バリアントの仕様を詳細に説明します。フリップチップ設計は、半導体ダイを基板に直接接続することで熱放散を改善し、熱抵抗を低減し、優れた熱性能と信頼性を提供します。

このLEDモジュールは、工業照明、ハイベイ照明器具、屋外エリア照明、特殊照明器具など、高い光束出力と堅牢な性能を要求されるアプリケーション向けに設計されています。直列構成により、制御された電流でより高い順方向電圧を必要とするため、ドライバ設計が簡素化されます。

2. 技術パラメータ詳細分析

2.1 絶対最大定格 (T_s=25°C)

以下のパラメータは、LEDに永久的な損傷が発生する可能性のある動作限界を定義します。これらは推奨動作条件ではありません。

• 順方向電流 (I_F):700 mA (DC)
• 順方向パルス電流 (I_FP):700 mA (パルス幅 ≤10ms, デューティ比 ≤1/10)
• 消費電力 (P_D):20300 mW (20.3W)
• 動作温度 (T_opr):-40°C ～ +100°C
• 保存温度 (T_stg):-40°C ～ +100°C
• 接合部温度 (T_j):125°C (最大)
• はんだ付け温度 (T_sld):リフローはんだ付け、230°Cまたは260°Cで最大10秒間。

2.2 電気光学特性 (T_s=25°C)

これらは、指定された試験条件下での代表値および最大値であり、期待される性能を表します。

• 順方向電圧 (V_F):代表値 27V, 最大値 29V (I_F=350mA時)。高電圧は9個直列構成によるものです。
• 逆方向電圧 (V_R):5V (最大)
• 逆方向電流 (I_R):100 µA (最大) V_R=5V時。
• 指向角 (2θ_1/2):130° (代表値)。これはエリア照明に適した広いビームパターンを示します。

3. ビニングシステム説明

3.1 相関色温度 (CCT) ビニング

本製品は標準CCTビンで提供されます。各ビンはCIE図上の特定の色度領域に対応し、ロット内の色の一貫性を保証します。標準的な発注オプションは以下の通りです:

• 2700K:色度領域 8A, 8B, 8C, 8D (ウォームホワイト)
• 3000K:色度領域 7A, 7B, 7C, 7D (ウォームホワイト)
• 3500K:色度領域 6A, 6B, 6C, 6D (ニュートラルホワイト)
• 4000K:色度領域 5A, 5B, 5C, 5D (ニュートラルホワイト)
• 4500K:色度領域 4A, 4B, 4C, 4D, 4R, 4S, 4T, 4U (クールホワイト)
• 5000K:色度領域 3A, 3B, 3C, 3D, 3R, 3S, 3T, 3U (クールホワイト)
• 5700K:色度領域 2A, 2B, 2C, 2D, 2R, 2S, 2T, 2U (デイライト)
• 6500K:色度領域 1A, 1B, 1C, 1D, 1R, 1S, 1T, 1U (デイライト)

注記: ビニングは単一点ではなく、許容される色座標範囲を定義します。

3.2 光束ビニング

光束は、試験電流350mA時の最小値に基づいてビニングされます。実際の光束は発注した最小値を超える場合がありますが、指定されたCCTビン内に収まります。

• ウォームホワイト (2700K-3700K), CRI ≥70:
  • コード 3H: 800 lm (最小), 900 lm (代表)
  • コード 3J: 900 lm (最小), 1000 lm (代表)
• ニュートラルホワイト (3700K-5000K), CRI ≥70:
  • コード 3H: 800 lm (最小), 900 lm (代表)
  • コード 3J: 900 lm (最小), 1000 lm (代表)
• クールホワイト (5000K-10000K), CRI ≥70:
  • コード 3J: 900 lm (最小), 1000 lm (代表)
  • コード 3K: 1000 lm (最小), 1100 lm (代表)

許容差:光束: ±7%; CRI (演色評価数): ±2; 色度座標: ±0.005。

4. 性能曲線分析

4.1 順方向電流 vs. 順方向電圧 (I-V曲線)

I-V曲線はダイオードに典型的な非線形特性を示します。推奨動作電流350mAでは、代表的な順方向電圧は27Vです。この曲線は、ニー点を超えて電圧がわずかに増加すると電流が急速に増加することを示しており、安定した動作と長寿命のための定電流駆動の重要性を強調しています。

4.2 順方向電流 vs. 相対光束

この曲線は駆動電流と光出力の関係を示しています。通常の動作範囲では、光束は電流とほぼ線形に増加します。ただし、推奨値（例：700mA）よりも高い電流でLEDを駆動すると、効率（lm/W）の向上が鈍化し、接合部温度が大幅に上昇し、光束維持率の低下を加速させ、寿命を短縮する可能性があります。

4.3 接合部温度 vs. 相対分光パワー

接合部温度 (T_j) が上昇すると、白色LED（通常は青色ダイと蛍光体）の分光パワー分布が変化する可能性があります。これは、特定の波長での放射パワーの低下や、相関色温度 (CCT) の潜在的な変化として現れることがよくあります。時間の経過に伴う安定した色と光出力を維持するには、効果的な熱管理が不可欠です。

4.4 相対分光パワー分布

白色LEDの分光曲線は、青色領域（InGaNチップ由来）に支配的なピークを示し、黄色/緑色/赤色領域（蛍光体コーティング由来）に広い発光帯を示します。正確な形状がCCTとCRIを決定します。より広く滑らかな蛍光体の発光は、より高いCRIに寄与します。

5. 機械的仕様およびパッケージ情報

5.1 パッケージ外形図

LEDモジュールの物理的寸法は、データシートの図に記載されています。主な機械的特徴には、全長、全幅、全高、およびはんだパッドの位置とサイズが含まれます。このパッケージは表面実装技術 (SMT) アセンブリ用に設計されています。

5.2 推奨パッドパターンおよびステンシル設計

PCBランドパターン（フットプリント）およびはんだペーストステンシルの詳細図が提供されています。これらの推奨事項に従うことは、適切なはんだ接合部の形成、位置合わせ、および信頼性の高い機械的接続を実現するために重要です。パッド設計は正しい電気的接続を確保し、LEDからPCBへの熱伝達を助けます。これらの寸法の許容差は通常±0.10mmです。

極性識別:アノード (+) およびカソード (-) 端子は、パッケージ上に明確にマークされているか、フットプリント図に示されています。正しい極性は動作に不可欠です。

6. はんだ付けおよび組立ガイドライン

6.1 リフローはんだ付けパラメータ

このLEDは、標準的な赤外線または対流リフローはんだ付けプロセスと互換性があります。はんだ付け中の最大許容ボディ温度は230°Cまたは260°Cで、ピーク温度での暴露時間は10秒を超えてはなりません。熱衝撃を最小限に抑えるために、アセンブリを十分に予熱する温度プロファイルに従うことが重要です。

6.2 取り扱いおよび保管上の注意

• ESD感受性:LEDは静電気に敏感なデバイスです。取り扱いおよび組立中は適切なESD対策を行ってください。
• 湿気感受性:パッケージには湿気感受性レベル (MSL) がある場合があります。指定されている場合は、リフロー前にベーキングおよびフロアライフの要件を遵守してください。
• 保管条件:指定された温度範囲 (-40°C ～ +100°C) 内の乾燥した暗所に保管してください。腐食性ガスへの暴露を避けてください。
• 洗浄:はんだ付け後の洗浄が必要な場合は、LEDレンズやシリコーン材料を損傷しない互換性のある溶剤および方法を使用してください。

7. アプリケーション提案

7.1 代表的なアプリケーションシナリオ

• ハイベイおよび工業照明:高い光束出力と堅牢な構造を活用します。
• 屋外エリア照明:街路灯、駐車場灯、スタジアム照明。
• 高光束特殊照明器具:植物育成灯、プロジェクター、ステージ照明。
• 建築および商業照明:高効率と長寿命が優先される用途。

7.2 設計上の考慮事項

• 熱管理:これは性能と寿命にとって最も重要な単一の要素です。LED接合部温度 (T_j) を最大定格125°Cを十分に下回り、理想的には最適な寿命のために85°C以下に保つように、PCBとヒートシンクを設計してください。必要に応じて、サーマルビア、金属基板PCB (MCPCB)、またはアクティブ冷却を使用してください。
• 駆動電流:必要な電圧範囲 (V_Fに基づく) に対応した定電流LEDドライバを使用してください。出力、効率、寿命のバランスのため、代表的な350mA電流以下での動作が推奨されます。電流を定格以下で使用すると寿命が大幅に延びます。
• 光学設計:広い130°の指向角では、アプリケーションに必要なビームパターンを実現するために、二次光学部品（レンズ、リフレクター）が必要になる場合があります。
• 電気的保護:入力ラインにおける逆極性、過電圧トランジェント、静電気放電 (ESD) に対する保護を検討してください。

8. 技術比較および差別化

フリップチップ vs. 従来のワイヤボンディングLED:

• 熱性能:フリップチップ接合は、活性接合部から基板/ヒートシンクへのより短く直接的な熱経路を提供し、より低い熱抵抗 (R_th) をもたらします。これにより、同じ電流でより高い駆動電流または改善された寿命が可能になります。
• 信頼性:熱サイクル、振動、または電界移動による故障点となる可能性のあるワイヤボンドを排除します。
• 電流拡散:ダイの下により優れた電流拡散層を組み込むことが多く、より均一な発光と潜在的に高い効率をもたらします。
• 光学設計:よりコンパクトなパッケージや異なる光取り出し機能を可能にすることができます。

直列構成 (9個直列):高電圧・低電流アプリケーションのドライバ設計を簡素化し、複数の並列ストリングを駆動する場合と比較して、多くの場合ドライバ効率を向上させます。

9. よくある質問 (FAQ)

9.1 推奨動作電流は何ですか？

データシートは350mAでの特性を規定しており、これは代表的な推奨動作点です。絶対最大値700mAまで駆動することは可能ですが、これにより接合部温度が大幅に上昇し、寿命が短縮されます。最適な寿命と効率のため、350mA以下での動作が推奨されます。

9.2 なぜ順方向電圧が非常に高いのですか (~27V)？

このモジュールには、直列に接続された9個の個別のLEDチップが含まれています。各チップの順方向電圧が加算されます。典型的な白色LEDチップのV_Fは約3Vです；9 * 3V = 27V。

9.3 正しいCCTビンをどのように選択しますか？

アプリケーションで必要な雰囲気と演色性に基づいて、公称CCT（例：4000K）を選択してください。関連する色度領域（例：5A-5D）は色の一貫性を保証します。重要な色合わせアプリケーションでは、より厳しいビニングを要求するか、単一の製造ロットから選択してください。

9.4 どのようなヒートシンクが必要ですか？

必要なヒートシンクは、動作電流、周囲温度、目標T_j、およびPCBと界面材料の熱抵抗に依存します。総消費電力 (V_F* I_F) と接合部から周囲への目標熱抵抗 (R_θJA) に基づいて熱計算を実行する必要があります。

9.5 PWMを調光に使用できますか？

はい、パルス幅変調 (PWM) はLEDの効果的な調光方法です。可視フリッカーを避けるために、PWM周波数が十分に高い（通常 >100Hz）ことを確認してください。ドライバはPWM入力用に設計されているか、専用の調光インターフェースを持っている必要があります。

10. 実践的設計ケーススタディ

シナリオ:複数のT12モジュールを使用した100Wハイベイ照明器具の設計。

設計ステップ:

1. モジュール数:総電力100Wを目標。各モジュールは350mAで約9.45W (27V * 0.35A) を消費。約94.5Wのために10モジュールを使用。
2. ドライバ選択:10個直列接続モジュール用の定電流ドライバが必要。必要な出力電圧範囲: 10 * (27V ～ 29V) = 270V ～ 290V。必要な電流: 350mA。定格 >290V, 350mA のドライバを選択。
3. 熱設計:総消費電力 ~94.5W。大型アルミニウムヒートシンクに取り付けられた金属基板PCB (MCPCB) を使用。最大周囲温度（例：50°C）と目標T_θSA(シンク-周囲) を計算。_j(例：90°C) に基づいて、LEDと界面からのR_θJCとR_θCSを考慮に入れて、必要なR
4. 光学:ハイベイの場合、中程度のビーム角（例：60°-90°）が望まれることが多いです。モジュールのフットプリントと互換性のある二次レンズまたはリフレクターを選択し、本来の130°からビームを絞ります。
5. PCBレイアウト:推奨パッドレイアウトに従ってください。通電用に厚い銅配線を確保してください。はんだ付け用にサーマルリリーフパターンを実装しますが、熱拡散のために銅の充填を最大化してください。

11. 技術原理紹介

フリップチップLED技術:従来のLEDでは、半導体層が基板上に成長され、電気的接続はワイヤボンドを介してダイの上部に行われます。フリップチップ設計では、成長後、ダイは反転され、はんだバンプを使用してキャリア基板（セラミックやシリコンサブマウントなど）に直接接合されます。これにより、発光領域が熱経路に近くなります。光は基板（サファイアなどの透明なものである必要があります）を通して、または基板が除去された場合は側面を通して放出されます。この構造は熱放散を改善し、より高い電流密度を可能にし、脆弱なワイヤボンドを除去することで信頼性を向上させます。

白色光生成:ほとんどの白色LEDは、青色発光の窒化インジウムガリウム (InGaN) チップを使用しています。青色光の一部は、チップ上または周囲にコーティングされた蛍光体材料（通常はセリウムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット、YAG:Ce）によって吸収されます。蛍光体は一部の青色光を黄色光にダウンコンバートします。残りの青色光と生成された黄色光の混合は、人間の目には白色として知覚されます。蛍光体の組成と厚さを調整することで、CCTとCRIを制御します。

12. 業界動向と発展

効率 (lm/W) の向上:主なトレンドは、発光効率の向上、単位光量あたりの必要なエネルギーの削減であり続けています。これは、内部量子効率 (IQE)、光取り出し効率、および蛍光体変換効率の改善を通じて達成されます。

高電力密度および小型化:自動車ヘッドライト、マイクロプロジェクター、超コンパクト照明器具などのアプリケーションによって駆動され、より小さなパッケージに多くのルーメンを詰め込む方向に進んでいます。フリップチップおよびチップスケールパッケージ (CSP) 技術が重要な推進力です。

改善された色品質と一貫性:高CRI (Ra >90, R9 >50) およびロット間および寿命全体にわたる一貫した色点に対する需要が高まっており、特に小売、博物館、医療照明で顕著です。

信頼性と寿命:高温、高湿度、および高電流ストレス条件下での故障メカニズムの理解と緩和に焦点を当て、より長いL70/B50寿命（母集団の50%が70%光束維持に達するまでの時間）を保証します。

スマートおよびコネクテッド照明:制御電子機器、センサー、および通信インターフェースをLEDモジュールに直接統合することがより一般的になり、IoTベースの照明システムを可能にしています。

特殊スペクトル:人間中心照明 (HCL)、園芸（植物育成灯）、医療アプリケーション向けに調整された分光出力を持つLEDの開発。