高電力赤外線LED HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR データシート - 5.0x5.0x1.9mm - 850nm - 3.1V - 3W - 英語技術文書

製品概要

HIR-C19D-1N150/L649-P03/TRは、高要求の照明用途向けに設計された高出力赤外発光ダイオードです。ミニチュア表面実装デバイス（SMD）パッケージを採用し、ウォータークリアシリコーン封止材と球面トップレンズにより、光取り出し効率と放射パターンを最適化しています。本デバイスのスペクトル出力は850nmを中心としており、センシングおよびイメージングシステム用のシリコンフォトダイオードやフォトトランジスタとの理想的なマッチングを実現します。その中核的な利点は、コンパクトなフォームファクターから得られる高い放射出力、優れた熱管理特性、およびRoHS、REACH、ハロゲンフリー要件などの現代の環境・安全基準への適合性です。

1.1 ターゲットアプリケーション

この赤外線LEDは、堅牢で不可視の照明を必要とするアプリケーションを主な対象としています。主な応用分野には、監視・セキュリティシステムが含まれ、CCDカメラの夜間照明として使用されます。また、近接センサー、ジェスチャー認識モジュール、産業用マシンビジョンなど、さまざまな赤外線ベースのシステムにも適しています。高い放射パワーにより、標準的な赤外線LEDと比較して、より長距離の照明やより広い範囲のカバレッジが可能です。

2. 技術仕様と客観的解釈

デバイスの性能は、標準試験条件（T_A=25°C)。以下に、その主要パラメータに関する詳細かつ客観的な分析を示す。

2.1 絶対最大定格

これらの定格は、デバイスに永久的な損傷が生じる可能性のあるストレスの限界を定義するものであり、通常動作を意図したものではない。

• 連続順方向電流 (I_F): 1500 mA。これは、接合温度限界を超えることなく無期限に印加できる最大直流電流です。
• ピーク順方向電流 (I_FP)5000 mA。この高電流はパルス条件下（パルス幅≤100μs、デューティサイクル≤1%）でのみ許容され、短時間の高強度照明に有用です。
• Reverse Voltage (V_R)5 V。逆バイアスでこの電圧を超えると接合破壊を引き起こす可能性があります。
• Junction Temperature (T_j)115 °C。半導体接合部の最大許容温度です。
• 電力損失 (P_d): I=700mA時3W。これは特定の動作点における発熱処理能力を示す。_F2.2 電気光学特性

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは、典型的な動作条件下における光出力と電気的特性を定義します。

• Total Radiated Power (P_o): 全方向に放射される光パワー。駆動電流1Aにおいて、代表値は900mWから1100mWの範囲であり、高い効率を示しています。
• Radiant Intensity (I_E)単位立体角あたりの光出力（mW/srで測定）。1A時、典型的には230～270 mW/srの範囲。この指標は指向性ビームアプリケーションに関連する。
• ピーク波長（λ_P): 850 nm。これはスペクトル出力が最大となる波長であり、シリコンベース検出器のピーク感度と完全に一致する。
• スペクトル帯域幅（Δλ）25 nm。これは通常、半値全幅（FWHM）として定義される、発光波長の範囲を示します。
• 順方向電圧（V_F)：通常、1A時に3.10V。これはLED動作時の電圧降下であり、ドライバ設計と電力損失計算に重要です。
• 指向角（2θ_1/2): 150度。この非常に広い視野角は、狭いスポットライトではなく、広く拡散した照明を提供し、エリアカバレッジに理想的です。

2.3 熱特性

高出力LEDにおいて、性能と寿命を維持するためには、効果的な熱管理が極めて重要です。

• Thermal Resistance (R_th(j-L)): 18 K/W (junction to lead frame)。この低い値は、チップからパッケージリードフレームへの内部熱伝達が良好であることを示しますが、高電流での動作には外部ヒートシンクの使用を強く推奨します。

3. Binning Systemの説明

本デバイスは、標準テスト電流1000mAにおける放射パワー出力に基づいて選別（ビニング）されます。これにより、アプリケーションにおける性能の一貫性が確保されます。

• Bin F放射パワー：640 mWから1000 mWまで。
• Bin G放射パワー：800 mWから1260 mWまで。
• Bin H: 放射パワーは1000 mWから1600 mWまで。

ビンコードにより、設計者は特定のアプリケーション要件に対して保証された最小出力を持つLEDを選択できます。すべての測定値には±10%のテスト許容誤差が含まれます。

4. 性能曲線分析

データシートには、様々な条件下でのデバイス動作を理解するために不可欠な特性曲線が複数記載されています。

4.1 順方向電流対順方向電圧（IV曲線）

この曲線は、電流と電圧の非線形関係を示しています。電流制限回路の設計には不可欠です。この曲線は、しきい電圧（GaAlAsの場合約1.2V）を示し、それを超えると電圧のわずかな増加に対して電流が急激に増加します。

4.2 順方向電流対放射強度/放射パワー

これらの曲線は、光出力が駆動電流に依存することを示しています。一般的に、出力は低電流域では超直線的に増加し、高電流域では熱効果と効率低下により飽和傾向を示します。本デバイスにおける350mA、700mA、1Aの曲線はこの傾向を明確に表しています。

4.3 相対放射強度対角度変位

この極座標プロットは150度の視野角を可視化したものです。球面レンズによるほぼランバート（余弦分布）の放射パターンを示しており、広範囲に均一な照明を実現しています。

4.4 順方向電流対周囲温度

このグラフはデレーティングに不可欠です。接合温度が115°Cの限界を超えないようにするため、周囲温度の上昇に伴って最大許容順方向電流をどのように低減しなければならないかを示しています。この曲線は、熱設計とヒートシンク要件を直接的に決定づけます。

5. 機械的仕様およびパッケージ情報

5.1 パッケージ外形寸法

本デバイスは、高さ1.9mmのコンパクトな5.0mm x 5.0mm SMDパッケージに収められています。レンズは目立つ球状ドームです。特に指定がない限り、重要な寸法公差は±0.1mmです。機械的ストレスが故障の原因となるため、レンズ部分を持ってデバイスを取り扱わないよう、特別な警告がなされています。

5.2 パッド構成と極性識別

このパッケージには3つのパッドがあります：パッド1（アノード）、パッド2（カソード）、および大きな中央の放熱パッド（P）です。放熱パッドは、LEDダイからプリント基板（PCB）へ熱を伝達する上で極めて重要です。パッド配置図は、正しい電気接続のためのアノードとカソードの位置を明確に示しています。

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

本デバイスは標準的な鉛フリーSMTリフロー工程に適しています。推奨プロファイルは以下の通りです：

• 昇温速度：2–3 °C/秒
• プリヒート: 150–200 °Cで60–120秒間
• Time Above Liquidus (T_L=217°C): 60–90秒間
• ピーク温度（T_P): 240 ±5 °C
• ピーク温度±5°C内の時間: 最大20秒
• ランプダウン率: 3–5 °C/秒

6.2 重要な組立上の注意事項

• リフローはんだ付けは、パッケージやワイヤーボンドに過度の熱ストレスを与えないよう、2回を超えて実施すべきではありません。
• 加熱中のLEDへの機械的ストレス（例：基板のたわみなど）は避けなければなりません。
• はんだ付け後はPCBを曲げてはいけません。これははんだ接合部やLEDパッケージ自体を破損する可能性があります。
• 注記に示すように、高電流での信頼性の高い動作には、十分な放熱対策が必須です。

7. パッケージングおよび発注情報

7.1 テープ・リール仕様

本デバイスは自動実装用にキャリアテープ・リールで供給されます。各リールには400個が収納されています。ピックアンドプレース装置との互換性を確保するため、詳細なキャリアテープおよびリールの寸法が提供されています。

7.2 湿気感受性パッケージング

本製品は、保管および輸送中の環境湿度から保護するため、乾燥剤を封入した防湿アルミ袋に梱包されています。これはSMD部品における標準的な手法です。

8. アプリケーション推奨事項および設計上の考慮点

8.1 ドライバ回路設計

高い順方向電流（最大1.5A連続）を扱うため、定電流ドライバが不可欠である。ドライバは、順方向電圧降下（1A時で約3.1V）に耐えつつ、必要な電流を供給できなければならない。この電力レベルでは効率性から、リニアレギュレータよりもスイッチングレギュレータがしばしば好まれる。ドライバ設計には、周囲温度曲線に基づくサーマルプロテクションまたは電流のデレーティングも組み込む必要がある。

8.2 熱管理設計

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。低い接合部-リード間熱抵抗（18K/W）はシステムの一部に過ぎません。接合部から周囲環境までの全体的な熱経路（R_th(j-A)）を最小限に抑える必要があります。これには以下のことが含まれます：

• サーマルパッド下にサーマルビアアレイを配置し、大面積の銅面または内部グランド層に接続したPCBを使用する。
• PCBに外部ヒートシンクを取り付ける可能性がある。
• 最終アプリケーションにおいて良好な気流を確保する。
• 必要に応じて熱界面材料を使用すること。

接合部の最高温度115°Cを決して超えてはならない。デレーティング曲線（順方向電流対周囲温度）は、必要なヒートシンク性能を計算するためのデータを提供する。

8.3 光学設計

150度の視野角は広範囲をカバーします。より集光されたビームが必要な用途では、二次光学素子（レンズまたは反射器）を使用できます。850nmの波長は人間の目には見えませんが、シリコンセンサーやほとんどのCCD/CMOSカメラで容易に検出可能です。これらのカメラには赤外カットフィルターが搭載されていることが多く、効果的に使用するためには、これを除去するか、850nmを通すフィルターに交換する必要があります。

9. 技術比較と差別化

標準的な5mmまたは3mmスルーホール型赤外線LEDと比較して、本デバイスは表面実装パッケージにおいて桁違いに高い放射出力（1桁以上）を提供し、よりコンパクトで堅牢な設計を可能にします。その主な差別化要因は、高出力（最大3Wの損失）、広い視野角、そして効果的な放熱のための統合されたサーマルパッドを組み合わせている点です。これは低出力のSMD LEDではしばしば欠如している特徴です。GaAlAsチップ材料の使用は、この波長範囲における高効率赤外線エミッタの標準です。

10. よくあるご質問（技術パラメータに基づく）

10.1 放射束と放射強度の違いは何ですか？

放射束（P_o、単位はmW）は全方向に放射される総合的な光パワーです。放射強度（I_E、単位はmW/sr）は特定の方向における単位立体角あたりの放射パワーです。このような広角LEDの場合、総合的なパワーは高いですが、単一方向の強度は同じ総合パワーを持つ狭角ビームLEDよりも低くなります。

10.2 このLEDを電圧源から直接駆動できますか？

いいえ。LEDは電流駆動デバイスです。その順方向電圧には許容誤差があり、温度によって変化します。電圧源に直接接続すると、制御されない電流が流れ、最大定格を超えてLEDを破損する可能性が高いです。定電流ドライバまたは電流制限回路が必須です。

10.3 なぜヒートシンクがこれほど強く推奨されるのですか？

高電力LEDは、入力電力の大部分を熱に変換します。この熱が効果的に除去されないと、接合部温度が上昇します。高い接合部温度は、光出力の低下（効率低下）、半導体材料の劣化加速、最終的には致命的な故障を引き起こします。適切な熱設計は、性能、信頼性、長寿命を保証します。

10.4 私の設計におけるBin Codeの意味は何ですか？

より高いビン（例：ビンFではなくビンH）を選択することで、より高い最小放射出力が保証されます。これにより、既知で保証された照度レベルでシステムを設計できます。設計に十分なマージンがある場合は、より低いビンの方がコスト効率が良い場合があります。照射範囲やカメラ感度の限界に挑戦する場合は、より高いビンが必要です。

11. 実践的な設計と使用事例の検討

シナリオ：セキュリティカメラ用IRイルミネーターの設計

設計者は、セキュリティカメラの暗視可能距離を10メートルから25メートルに延伸するための、コンパクトな壁掛け式赤外線投光器を作成する必要がある。カメラのセンサーは850nmに感度を持つ。設計者は最大出力を得るため、Bin HのHIR-C19D-1N150/L649-P03/TR LEDを選択する。

設計ステップ：

1. 電気設計: スイッチング定電流ドライバは、12V DC電源からLEDに1000mAを供給するように設計されています。このドライバには過電流保護とサーマルシャットダウン保護が含まれています。
2. 熱設計2層PCBに2オンス銅厚を使用。LEDの熱パッドから大型ボトム銅面（ヒートシンクとして機能）へ、熱ビアアレイで接続。筐体はアルミニウム製で、PCBはサーマルペーストを用いて直接筐体に取り付け、放熱を強化。
3. 光学/機構設計PCB上には4つのLEDが正方形に配置されています。平らで透明なポリカーボネート製のウィンドウがLEDを保護しています。各LEDの150度という広いビームが重なり合い、所定の距離でカメラの視野をカバーする均一な赤外線のフラッド光を形成します。
4. 検証試作品は暗室でテストされます。サーマルカメラにより、LED接合部温度が100°Cを超えないことが確認されます。監視カメラは25メートル先の物体を明瞭なコントラストで識別することに成功します。

このケースは、この高出力コンポーネントを利用する際のドライバー設計、熱管理、光学レイアウトの相互依存関係を浮き彫りにしています。

12. 動作原理

HIR-C19D-1N150/L649-P03/TRは、ガリウムアルミニウム砒素（GaAlAs）ヘテロ構造に基づく半導体光源である。ダイオードのバンドギャップエネルギーを超える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、そこで再結合する。この再結合プロセスにより、エネルギーが光子の形で放出される。GaAlAs層の特定の組成がバンドギャップエネルギーを決定し、それが今度は放出される光子のピーク波長を定義する。この場合、それは近赤外スペクトルにある850ナノメートルである。ウォータークリアシリコーン封止は半導体チップを保護し、主要な光学素子として機能し、その球状形状は光を効率的に取り出し、放射パターンを形成するのに役立つ。

13. 技術トレンド

高出力赤外線LEDの分野は、いくつかの明確なトレンドとともに進化を続けています。同じ光出力に対して発熱とエネルギー消費を削減するため、高いWall-Plug Efficiency（光出力／電力入力）を求める絶え間ない推進があります。これには、エピタキシャル成長技術とチップ設計の進歩が関与しています。パッケージ技術も、より低い熱抵抗を提供し、チップからより多くの熱を排出できるように改善されています。さらに、ドライバーや時には単純な制御ロジックをLEDダイと共にパッケージ化して、よりスマートで使いやすい照明モジュールを作成する、統合化が進んでいます。自動車LiDAR、顔認証、高度な産業オートメーションにおける応用の拡大により、信頼性の高い高出力赤外線光源への需要は持続しています。

LED仕様用語

LED技術用語の完全解説

光電性能

用語	単位/表現	簡単な説明	なぜ重要なのか
発光効率	lm/W (ルーメン毎ワット)	電力1ワットあたりの光束出力。数値が高いほどエネルギー効率が優れていることを示す。	エネルギー効率等級と電気料金を直接決定する。
光束束	lm (ルーメン)	光源から放射される総光量。一般的に「明るさ」と呼ばれる。	光が十分に明るいかどうかを判断する。
視野角	°（度）、例：120°	光強度が半減する角度、ビーム幅を決定する。	照射範囲と均一性に影響する。
CCT（色温度）	K（ケルビン）、例：2700K/6500K	光の温かみ/冷たさ、低い値は黄色みがかった/温かく、高い値は白みがかった/冷たい。	照明の雰囲気と適切なシナリオを決定します。
CRI / Ra	無次元、0～100	物体の色を正確に再現する能力。Ra≥80は良好。	色の忠実度に影響し、ショッピングモールや博物館などの高要求な場所で使用されます。
SDCM	MacAdam楕円ステップ、例：「5ステップ」	カラー一貫性メトリクス。ステップ数が小さいほど、色の一貫性が高いことを意味します。	同一ロットのLED間で均一な色を保証します。
主波長	nm（ナノメートル）、例：620nm（赤）	カラーLEDの色に対応する波長。	赤、黄、緑の単色LEDの色調を決定する。
Spectral Distribution	波長対強度曲線	波長にわたる強度分布を示す。	演色性と品質に影響する。

電気的特性パラメータ

用語	シンボル	簡単な説明	設計上の考慮事項
順方向電圧	Vf	LEDを点灯させる最小電圧、「始動閾値」のようなもの。	ドライバー電圧はVf以上である必要があり、直列接続されたLEDでは電圧が加算される。
順方向電流	If	通常のLED動作時の電流値。	Usually constant current drive, current determines brightness & lifespan.
Max Pulse Current	Ifp	短時間許容ピーク電流、調光や点滅に使用。	Pulse width & duty cycle must be strictly controlled to avoid damage.
逆電圧	Vr	LEDが耐えられる最大逆電圧を超えると、破壊を引き起こす可能性があります。	回路は逆接続や電圧スパイクを防止しなければなりません。
Thermal Resistance	Rth (°C/W)	チップからはんだへの熱伝達抵抗。低いほど良い。	高い熱抵抗は、より強力な放熱を必要とします。
ESD Immunity	V (HBM), e.g., 1000V	静電気放電に対する耐性、値が高いほど脆弱性が低い。	生産時には静電気対策が必要、特に感度の高いLEDに対して。

Thermal Management & Reliability

用語	主要指標	簡単な説明	影響
接合部温度	Tj (°C)	LEDチップ内部の実動作温度。	10°C低下ごとに寿命が倍増する可能性あり；高すぎると光束減衰、色ずれを引き起こす。
Lumen Depreciation	L70 / L80 (時間)	初期輝度の70%または80%まで低下するまでの時間。	LEDの「寿命」を直接定義します。
光束維持率	%（例：70%）	時間経過後の輝度保持率。	長期使用における輝度保持を示す。
カラーシフト	Δu′v′ または マクアダム楕円	使用時の色変化の程度。	照明シーンにおける色の一貫性に影響を与える。
Thermal Aging	材料劣化	長期高温による劣化。	輝度低下、色変化、または開放故障を引き起こす可能性があります。

Packaging & Materials

用語	一般的な種類	簡単な説明	Features & Applications
パッケージタイプ	EMC, PPA, セラミック	チップを保護し、光学的・熱的インターフェースを提供するハウジング材料。	EMC：耐熱性に優れ、低コスト。セラミック：放熱性がより良く、寿命が長い。
チップ構造	フロント、フリップチップ	チップ電極配置。	フリップチップ：放熱性が優れ、効率が高く、高出力用途向け。
蛍光体コーティング	YAG、シリケート、窒化物	青色チップをカバーし、一部を黄/赤色に変換し、混合して白色を生成する。	異なる蛍光体は、効率、相関色温度、演色評価数に影響を与える。
レンズ/光学系	フラット、マイクロレンズ、TIR	表面の光学構造による光分布制御。	視野角と光分布曲線を決定する。

Quality Control & Binning

用語	ビニングコンテンツ	簡単な説明	目的
光束ビン	コード例：2G、2H	明るさごとにグループ化され、各グループには最小/最大ルーメン値があります。	同一ロット内での輝度均一性を確保します。
Voltage Bin	コード例：6W、6X	順方向電圧範囲でグループ化。	ドライバーのマッチングを容易にし、システム効率を向上。
カラービン	5-step MacAdam ellipse	色座標でグループ分けし、狭い範囲を確保。	色の一貫性を保証し、器具内での色むらを防止。
CCT Bin	2700K、3000Kなど	CCTごとにグループ化され、それぞれに対応する座標範囲があります。	異なるシーンにおけるCCT要件を満たします。

Testing & Certification

用語	Standard/Test	簡単な説明	有意性
LM-80	光束維持試験	恒温下での長期点灯、輝度減衰を記録。	LED寿命の推定に使用（TM-21準拠）。
TM-21	寿命推定基準	LM-80データに基づき、実際の使用条件下での寿命を推定します。	科学的な寿命予測を提供します。
IESNA	照明学会	光学、電気、熱に関する試験方法を網羅しています。	業界で認められた試験基準。
RoHS / REACH	環境認証	有害物質（鉛、水銀）を含まないことを保証します。	国際的な市場参入要件。
ENERGY STAR / DLC	エネルギー効率認証	照明器具のエネルギー効率および性能認証。	政府調達や補助金プログラムで使用され、競争力を高めます。