高出力赤外線LED HIR-C19D-1N90/L649-P03/TR データシート - SMDパッケージ - 850nm - 3.5V - 3W - 技術文書

1. 製品概要

HIR-C19D-1N90/L649-P03/TRは、堅牢で効率的な赤外線照明を必要とする要求の厳しいアプリケーション向けに設計された高出力赤外線発光ダイオードです。コンパクトな表面実装デバイス（SMD）パッケージに収められており、自動組立プロセスに適しています。デバイスは球面トップレンズを備えたウォータークリアシリコーン材料で成形されており、規定の指向角および放射強度プロファイルを達成するのに役立ちます。

このLEDの中核的な利点は、小型フォームファクタと高い光出力効率の組み合わせにあります。GaAlAs（ガリウムアルミニウムヒ素）チップ材料を使用して構築されており、近赤外スペクトルでの発光に最適化されています。主要な特徴は、シリコンフォトダイオードおよびフォトトランジスタとのスペクトルマッチングであり、これらの一般的なシリコン系検出器を利用するセンシングおよびイメージングシステムの理想的な光源となっています。これにより、ターゲットアプリケーションにおいて最大の応答性と信号対雑音比が確保されます。

主なターゲット市場およびアプリケーションには、監視・セキュリティシステム（特にナイトビジョン用のCCDベースカメラ）、近接センサー、産業オートメーション、マシンビジョンなどの各種赤外線応用システムが含まれます。RoHS、REACH、ハロゲンフリー要件などの環境規格に準拠しているため、厳格な規制要件を持つ製品での使用に適しています。

2. 詳細技術パラメータ分析

2.1 絶対最大定格

デバイスの連続順方向電流（I_F）定格は1500 mAです。パルス動作では、特定の条件下（パルス幅≤100μs、デューティサイクル≤1%）でピーク順方向電流（I_FP）5000 mAを扱うことができます。最大逆電圧（V_R）は5Vであり、これはLEDの典型的な値であり、デバイスに大きな逆バイアスをかけてはならないことを示しています。動作および保管温度範囲は-40°Cから+100°C、最大接合温度（T_j）は125°Cと規定されています。これらの定格を超えると永久損傷を引き起こす可能性があります。

接合部からリードフレームへの熱抵抗（R_th(j-L)）は18 K/Wです。このパラメータは熱管理において極めて重要です。これは、消費電力1ワットあたりの接合温度上昇量を定義します。I_d=700mAにおける規定の電力損失（P_F）が3Wであるため、特に高い駆動電流では、接合温度を安全限界内に維持するために効果的な放熱が不可欠です。

2.2 電気光学特性

主要な光学パラメータは、標準周囲温度25°Cで測定されます。ピーク波長（λ_p）は850 nmであり、これは近赤外領域にあり、人間の目には見えませんが、シリコンセンサーによって高感度で検出可能です。スペクトル帯域幅（Δλ）は通常25 nmであり、発光のスペクトル純度を示しています。

放射性能は駆動電流に比例して変化します：

• I_F=350 mA時：総放射パワー（P_o）は500 mW（typ）、放射強度（I_E）は200 mW/sr（typ）。
• I_F=700 mA時：P_oは900 mW（typ）、I_Eは400 mW/sr（typ）。
• I_F=1 A時：P_oは1300 mW（typ）、I_Eは560 mW/sr（typ）。

順方向電圧（V_F）は、ダイオードの固有抵抗により電流とともに増加します：

• 350 mA時：3.0V（typ）。
• 700 mA時：3.3V（typ）。
• 1 A時：3.5V（typ）。
• 5 A（パルス）時：3.8V（typ）。

逆電流（I_R）は、V_R=5V時、最大10 μAです。指向角（2θ_1/2）（半値全角として定義）は90度であり、エリア照明に適した比較的広いビームパターンを提供します。

3. ビニングシステムの説明

本製品は、駆動電流1000 mA（1A）で測定された総放射パワーに対するビニングシステムを採用しています。このシステムは、光学出力に基づいてLEDを分類し、アプリケーション性能の一貫性を確保します。ビンコードとそれに対応する電力範囲（±10%の試験公差を含む）は以下の通りです：

• ビン G：最小800 mW、最大1260 mW。
• ビン H：最小1000 mW、最大1600 mW。
• ビン I：最小1260 mW、最大2000 mW。

これにより、設計者はシステムの特定の最低輝度要件を満たす部品を選択することができます。この特定の品番については、波長や順方向電圧に対する別個のビンは示されておらず、製造におけるこれらのパラメータの厳密な管理が示唆されています。

4. 性能曲線分析

データシートは、異なる動作条件下でのデバイス挙動を理解する上で極めて重要な、いくつかの代表的な特性曲線を参照しています。

順方向電流 vs. 順方向電圧（図1）：このIV曲線は、ダイオードに典型的な指数関数的関係を示しています。電流駆動回路の設計と消費電力（V_F* I_F）の計算に不可欠です。この曲線は温度とともにシフトします。

順方向電流 vs. 放射強度 / 総パワー（図2 & 図3）：これらのグラフは、駆動電流の関数としての光出力を示しています。関係は低電流では一般的に線形ですが、熱的および電気的効果により、非常に高い電流では効率低下（準線形増加）の兆候を示す可能性があります。これは、出力と効率/熱のバランスをとるための最適動作点を選択するのに役立ちます。

相対放射強度 vs. 角度変位（図4）：この極座標プロットは空間放射パターンを定義します。90度の指向角がここで確認されます。曲線の形状（例：ランバート、バットウィング）は、光がターゲットエリアにどのように分布するかに影響します。

順方向電流 vs. 周囲温度（図5）：このデレーティング曲線は、信頼性にとって最も重要なものの一つです。周囲温度が上昇するにつれて、接合温度を125°C以下に保つための最大許容順方向電流を示しています。周囲温度100°Cでは、許容連続電流は大幅に減少します。このグラフは、25°C以外の環境で動作する設計には必ず使用する必要があります。

5. 機械的・パッケージ情報

5.1 パッケージ寸法

LEDは表面実装パッケージに収められています。図面からの主要寸法には、ボディサイズ、レンズ高さ、リード間隔が含まれます。特に記載がない限り、公差は通常±0.1mmです。重要な取り扱い上の注意として、レンズに力を加えないように警告しています。これは内部構造を損傷し、デバイス故障につながる可能性があります。組立時には、デバイスはボディまたはリードを持って取り扱うべきです。

5.2 パッド構成と極性

デバイスには3つの電気的パッドがあります：パッド1はアノード（+）、パッド2はカソード（-）、パッドPは専用の熱放散パッドです。熱放散パッドは、LED接合部からプリント回路基板（PCB）へ熱を伝達する上で極めて重要です。最適な熱的および電気的性能を得るためには、PCBレイアウトに、このパッドに接続された適切なサイズの銅箔領域を含め、必要に応じて内層または下層への熱ビアを設ける必要があります。動作には、正しい極性接続（アノードを正電源に）が必須です。

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プロファイル

デバイスは標準的なSMTリフロープロセスに適しています。鉛フリーリフロープロファイルが提供されています：

• 立ち上がり速度：2~3 °C/秒。
• 予熱：150~200°C、60~120秒間。
• 液相温度（T_L）：217°C。
• T_L:以上の時間：60~90秒。
• ピーク温度（T_P）：240 ±5°C。
• ピーク温度保持時間（t_P）：最大20秒。
• 立ち下がり速度：3~5 °C/秒。

パッケージおよび内部接合部への熱ストレスを最小限に抑えるため、リフローはんだ付けは2回までとすることが推奨されます。加熱中のLEDへのストレスは避け、はんだ付け後の回路基板を曲げないようにして、はんだ接合部またはLED自体への機械的損傷を防止してください。

6.2 保管条件

デバイスは防湿包装（乾燥剤入りアルミ防湿バッグを含む）で出荷されます。包装を開封した場合、デバイスは吸湿に敏感であり、規定時間内に使用するか、はんだ付け時のポップコーン現象による損傷を防ぐために、リフロー前に標準的なMSL（湿気感受性レベル）手順に従ってベーキングする必要があります。提供された抜粋では、具体的なMSLレベルは記載されていません。

7. 梱包および発注情報

デバイスは、自動ピックアンドプレース組立用のキャリアテープおよびリールで供給されます。各リールには400個が含まれます。フィーダー装置との互換性を確保するために、キャリアテープ寸法が提供されます。梱包ラベルには、部品番号（P/N）、数量（QTY）、ロット番号（LOT No.）などの標準情報が含まれ、トレーサビリティを確保します。放射パワーのビンコード（CAT）もここに表示されます。

8. アプリケーションノートおよび設計上の考慮事項

8.1 代表的なアプリケーション回路

この赤外線LEDは安定動作のために定電圧ではなく定電流源を必要とします。低電流アプリケーションでは単純な直列抵抗を使用できますが、このデバイスが対応する高電流では、一貫した光出力を確保し、LEDを電流スパイクから保護するために、専用のLEDドライバICまたはトランジスタベースの電流レギュレータを使用することを推奨します。ドライバは、必要な順方向電流を供給し、順方向電圧降下を扱える能力を持たなければなりません。

8.2 熱管理

これは、この高出力LEDを使用する上で最も重要な側面です。データシートは明示的にヒートシンクの追加を提案しています。PCB設計には、LEDの熱放散パッドに接続された十分な銅面積を持つ大きな熱放散パッドを組み込む必要があります。熱を他のPCB層または外部ヒートシンクに伝導するための熱ビアの使用を強く推奨します。最大接合温度125°Cを超えてはならないため、実際の動作電流、周囲温度、およびPCBの熱特性に基づいて熱計算または測定を行うべきです。

8.3 光学設計

カメラ照明などのアプリケーションでは、二次光学素子（レンズまたはリフレクタ）を使用して、90度のビームをより焦点の合ったパターンに整列または整形し、照射距離や効率を向上させることができます。ウォータークリアレンズは、赤外光の吸収を最小限に抑えます。設計者は、遠距離照明を設計する際には、総パワーだけでなく放射強度（mW/sr）を考慮する必要があります。

9. 技術比較および差別化

標準的な5mmまたは3mmスルーホール赤外線LEDと比較して、このSMDデバイスは、よりコンパクトで製造性の高いパッケージで、大幅に高い光出力（最大1300+ mW 対 数十mW）を提供します。その18 K/Wの熱抵抗はSMD LEDとしては比較的低く、良好な熱経路を示していますが、メタルコアPCBに実装されたLEDや統合ヒートシンク付きのLEDと比較すると、依然として注意深い管理が必要です。850nm波長は一般的な標準であり、シリコン検出器の感度と、940nm LED（ほとんど見えませんがセンサー応答が低い）と比較した低い可視性との間で良好なバランスを提供します。

10. よくある質問（FAQ）

Q: このLEDを抵抗を使って5V電源から直接駆動できますか？

A: 可能ですが、注意深い計算が必要です。1A時、V_Fは約3.5Vです。直列抵抗は1Aで1.5Vを降下させる必要があり、R = 1.5Ω、消費電力は1.5Wとなります。これは非効率的で、より多くの熱を発生させます。350mAを超える電流では、専用の電流レギュレータを強く推奨します。

Q: なぜヒートシンクが必要なのですか？

A: 700mA時、電力損失は約3.3V * 0.7A = 2.31Wです。熱抵抗18 K/Wの場合、接合部温度はリード温度より2.31W * 18 K/W = 約41.6°C上昇します。PCB/リードが冷却されていない場合、接合部は容易に125°Cを超え、急速な劣化または故障を引き起こす可能性があります。

Q: 総放射パワー（mW）と放射強度（mW/sr）の違いは何ですか？

A: 総放射パワーは全方向に放射される総合的な光パワーです。放射強度は特定の方向（通常は軸上）における単位立体角あたりの放射パワーです。指向性アプリケーションには強度がより関連し、システム全体の効率には総パワーが重要です。

Q: このLEDは目の暴露に対して安全ですか？

A: 赤外線LED、特に高出力のものは、目に危険を及ぼす可能性があります。それらはまばたき反射が働く前に網膜損傷を引き起こす可能性のある不可視放射を放出します。最終製品では、関連するレーザー/赤外線製品安全規格（IEC 62471など）に常に従い、適切な安全対策（拡散板、筐体、強度制限）を実施してください。

11. 設計および使用事例

シナリオ: セキュリティカメラ用ナイトビジョン照明。

設計者は、シリコン系イメージセンサーを使用したナイトビジョン機能を備えたコンパクトなIPカメラを作成しています。高い出力とスペクトルマッチングのために、この850nm LEDを選択します。4つのLEDがカメラレンズの周囲に配置されます。各LEDは、バッテリー電圧の変化に伴う安定した出力を確保するために、コンパクトなスイッチングLEDドライバICによって700mAで駆動されます。PCBは4層基板で、内層のグランドプレーンが各LEDの下の大きな銅パッドに複数の熱ビアを介して接続され、熱拡散が図られています。ビームを混ぜ合わせ、画像内のホットスポットを減らすために、LEDの上にわずかな拡散フィルムが配置されています。熱設計はサーマルカメラで検証され、周囲温度40°Cの環境でLEDケース温度が85°C以下に保たれ、接合部が安全に限界以下であることが確認されています。結果として得られるシステムは、最大30メートルまでのクリアで均一に照明されたナイトビジョン映像を提供します。

12. 技術原理の紹介

赤外線LEDは、可視光LEDと同じ基本原理、すなわち半導体p-n接合におけるエレクトロルミネセンスで動作します。順方向電圧が印加されると、電子と正孔が活性領域に注入され、そこで再結合して光子の形でエネルギーを放出します。発光の波長（色）は、半導体材料のバンドギャップエネルギーによって決定されます。GaAlAs（ガリウムアルミニウムヒ素）は化合物半導体であり、アルミニウム含有量を変化させることでバンドギャップを調整し、近赤外範囲、特に850nm付近で発光させることができます。ウォータークリアシリコーン封止材はこの波長に対して透明であり、出力ビームを整形するレンズ形状に成形されています。高出力性能は、より大きな半導体ダイと熱を抽出するように設計された効率的なパッケージを使用することで実現されています。

13. 技術トレンド

センシングおよびイメージング向けの赤外線LEDのトレンドは、特に高効率化（電気ワットあたりのより多くの放射パワー）に向かっており、これにより発熱と消費電力が削減されます。これは、エピタキシャル層設計と光取り出し技術の進歩によって達成されます。また、内蔵ドライバを備えたLEDや、単一パッケージ内で光検出器と組み合わせたものなど、より緊密な統合への動きもあります。940nmのような波長は、850nmよりも人間の目に見えにくい隠密照明として人気が高まっていますが、より高い感度のセンサーを必要とします。さらに、小型化への要請は続いており、より小さなSMDパッケージでの高出力を推進しており、これによりPCBおよびシステムレベルでの高度な熱管理ソリューションの重要性が高まっています。