LTE-R38381L-S 赤外線発光・受光素子データシート - 940nm波長 - 1A順電流 - 1.8W出力 - 日本語技術文書

1. 製品概要

本資料は、ディスクリート赤外線発光素子の完全な技術仕様を提供します。このデバイスは、高出力で信頼性の高い赤外線光源を必要とする用途向けに設計されています。ガリウムヒ素（GaAs）チップを利用し、ピーク波長940ナノメートル（近赤外線スペクトルで人目には見えない）の光を放射します。この部品の主な機能は、様々な電子システムにおいて制御された赤外線発光素子として動作することです。

1.1 中核的利点とターゲット市場

この部品は、赤外線アプリケーションにおいて複数の重要な利点を提供します。高い放射強度を特徴とし、強力な信号伝送を可能にします。高出力に寄与する高駆動電流での動作を想定して設計されています。また、長い動作寿命と高い性能信頼性も特徴です。RoHSなどの環境規制に準拠しており、グリーン製品に分類されます。この赤外線発光素子のターゲットアプリケーションは多岐にわたり、主にリモコンシステム用赤外線発光素子や、近接検知、物体検知、データ伝送用のPCB実装型赤外線センサーなどの分野に焦点を当てています。

2. 技術パラメータ：詳細かつ客観的な解釈

以下のセクションでは、仕様限界値として定義されたデバイスの主要な技術パラメータについて、詳細かつ客観的な分析を提供します。

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発生する可能性のあるストレスの限界を定義します。これらの限界値以下または限界値での動作は保証されておらず、信頼性の高い設計では避けるべきです。

• 許容損失 (Pd):1.8 ワット。これは周囲温度（TA）25°Cにおいて、デバイスが熱として放散できる最大電力です。これを超えると接合温度が過度に上昇します。
• ピーク順電流 (IFP):5 アンペア。これはパルス条件（毎秒300パルス、パルス幅10マイクロ秒）下での最大許容電流です。デバイスの熱慣性を利用しており、直流定格よりも大幅に高くなっています。
• 直流順電流 (IF):1 アンペア。これはデバイスが連続的に扱える最大の順方向電流です。
• 逆電圧 (VR):5 ボルト。これ以上の逆電圧を印加すると、半導体接合が破壊される可能性があります。
• 熱抵抗 (RθJ):10 K/W。このパラメータは、半導体接合から周囲環境へ熱がどれだけ効率的に移動するかを示します。値が低いほど放熱性が優れています。
• 動作温度範囲:-40°C から +85°C。デバイスはこの周囲温度範囲内で動作することが保証されています。
• 保存温度範囲:-55°C から +100°C。

2.2 電気的・光学的特性

これらは、指定された試験条件（特に記載がない限りTA=25°C）で測定された、代表的なおよび保証された性能パラメータです。

• 放射強度 (I_E):160 mW/sr (最小)。これは軸に沿った単位立体角（ステラジアン）あたりに放射される光パワーを測定します。特定方向におけるビームの強度を定義します。
• 全放射束 (Φ_e):590 mW (代表値)。これはデバイスが全方向（4πステラジアン）に放射する総光パワーです。
• ピーク発光波長 (λ_P):940 nm (代表値)。放射される光パワーが最大となる波長です。
• スペクトル半値幅 (Δλ):50 nm (代表値)。これは放射強度がピーク値の少なくとも半分であるスペクトル帯域幅です。放射される色（波長）の純度を表します。
• 順電圧 (V_F):1.8V (代表値), 2.3V (最大) at I_F=1A。指定された順電流が流れているときのデバイス両端の電圧降下です。
• 逆電流 (I_R):10 μA (最大) at V_R=5V。デバイスに逆バイアスが印加されたときに流れるわずかなリーク電流です。
• 立ち上がり/立ち下がり時間 (t_r/t_f):30 ns (代表値)。ステップ電流に応答して、光出力が最終値の10%から90%まで上昇（または90%から10%まで下降）するのに必要な時間です。これは最大変調速度を決定します。
• 指向角 (2θ_1/2):90 度 (代表値)。放射強度が中心（0°）での値の半分になる全角度です。90°の角度は広いビームパターンを示しています。

3. 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の挙動を示すいくつかのグラフが含まれています。これらの曲線は、非線形性や温度依存性を理解するために不可欠です。

3.1 スペクトル分布

グラフ（図1）は、相対放射強度と波長の関係を示しています。曲線は940 nmを中心とし、代表的な半値幅は50 nmです。これは、可視光を遮断する多くのセンサーやリモコンに最適な近赤外領域でデバイスが発光することを確認しています。

3.2 順電流 vs. 順電圧 (I-V曲線)

I-V曲線（図3）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。定格電流1Aでは、順電圧は代表値で1.8Vです。設計者は、駆動回路が必要な電流でこの電圧を供給できることを確認しなければなりません。

3.3 温度依存性

主要なグラフは温度の影響を示しています:

• 順電流 vs. 周囲温度 (図2):固定の許容損失限界により、周囲温度が上昇するにつれて最大許容順電流がどのように低下するかを示しています。
• 相対放射強度 vs. 周囲温度 (図4):接合温度が上昇すると光出力パワーが減少することを示しています。これは一貫した性能を維持するための重要な要素です。
• 相対放射強度 vs. 順電流 (図5):駆動電流と光出力の間のサブリニアな関係を示しており、特に効率が低下し発熱が増加する高電流領域で顕著です。

3.4 放射パターン

放射パターン図（図6）は、放射光の角度分布を示す極座標プロットです。90°の指向角が視覚的に確認でき、中心軸から±45°で強度が半分に低下していることがわかります。このパターンは、発光素子と受光素子の位置合わせや、センシングアプリケーションでの十分な照射範囲を確保するために重要です。

4. 機械的仕様とパッケージ情報

4.1 外形寸法

このデバイスは標準的なスルーホールパッケージ形状です。寸法図には、本体サイズ、リード間隔、リード径が規定されています。特に断りのない限り、すべての寸法はミリメートル単位で提供され、代表的な公差は±0.1 mmです。カソードはパッケージ上で識別可能であり、PCB実装時の正しい向きを決定する上で重要です。

4.2 推奨はんだパッド寸法

図には、PCB設計のための推奨ランドパターン（フットプリント）寸法が提供されています。これらの推奨事項に従うことで、波峰はんだ付けまたはリフローはんだ付け後の信頼性の高いはんだ接合と適切な機械的安定性を確保するのに役立ちます。

5. はんだ付けと実装ガイド

5.1 はんだ付け条件

データシートは、2つのはんだ付け方法について明確なガイドラインを提供します:

• リフローはんだ付け:表面実装用に推奨されます。プロファイルには、予熱段階（150-200°C）、ピーク温度260°C以下、260°C以上の時間は最大10秒に制限する必要があります。デバイスはこのプロファイルを最大2回まで耐えることができます。
• 手はんだ付け（はんだごて）:はんだごて先端温度は300°Cを超えてはならず、リードごとの接触時間は3秒に制限する必要があります。これは1回のみ行うべきです。

一般的な目標として、JEDEC準拠のリフロー温度プロファイルへの参照が提供されており、JEDECの制限値とはんだペーストメーカーの仕様の両方を遵守する必要性が強調されています。

5.2 保管と取り扱い

• 保管（未開封袋）:デバイスは、温度30°C以下、相対湿度（RH）90%以下で保管する必要があります。乾燥剤入りの防湿袋内での保管寿命は1年です。
• 保管（開封後）:開封後は、周囲環境が30°C / 60% RHを超えないようにし、部品は1週間以内に使用する必要があります。元の袋の外で長期間保管する場合は、乾燥剤入りの密閉容器または窒素デシケーター内で保管しなければなりません。
• ベーキング:デバイスが周囲の空気に1週間以上さらされた場合、はんだ付け前に少なくとも20時間、60°Cでベーキングすることを推奨します。これにより吸収された湿気を除去し、リフロー中のポップコーン現象を防止します。

5.3 洗浄

はんだ付け後の洗浄が必要な場合は、パッケージやレンズ材料を損傷しないように、イソプロピルアルコールなどのアルコール系溶剤のみを使用してください。

5.4 駆動方法

重要な設計上の注意点として、LEDは電流駆動デバイスであることが強調されています。複数のLEDを並列に駆動する際に均一な輝度を確保するためには、各LEDに直列に個別の電流制限抵抗を配置する必要があります。これにより、個々のデバイスの順電圧（V_F）のわずかなばらつきを補償し、電流の偏りや不均一な発光や出力パワーを防止します。

6. 梱包と発注情報

6.1 テープ・リールパッケージ寸法

詳細な機械図面には、部品を保持するキャリアテープ、ポケット、および全体のリール（直径7インチと記載）の寸法が規定されています。テープはカバーテープで密封され、輸送中および自動実装中の部品を保護します。

6.2 梱包仕様

主要な梱包詳細は以下の通りです:

• リールサイズ: 7インチ。
• 数量: リールあたり600個。
• 品質: テープ内の連続欠品部品の最大数は2個です。
• 標準: 梱包はANSI/EIA 481-1-A-1994仕様に準拠しています。

7. アプリケーション提案と設計上の考慮事項

7.1 代表的なアプリケーションシナリオ

その仕様に基づき、この赤外線発光素子は以下の用途に適しています:

• 赤外線リモコン:テレビ、オーディオシステム、その他の民生機器用。940nm波長は、ほとんどのIR受信機の標準です。
• 近接・物体検知:フォトダイオードまたはフォトトランジスタと組み合わせ、自身の赤外線光を反射させることで、物体の存在、不在、または距離を検出します。
• 光学スイッチとエンコーダ:発光素子と受光素子間のビームを遮断することで、非接触スイッチを作成したり、回転/位置を測定したりします。
• 近距離データ伝送:IrDAのようなアプリケーションや単純な無線データリンク用に、高速な立ち上がり/立ち下がり時間で変調します。

7.2 設計上の考慮事項

• 熱管理:許容損失1.8W、熱抵抗10 K/Wであるため、最大直流電流でデバイスを駆動すると大量の熱が発生します。連続動作、特に高い周囲温度では、十分なPCB銅面積（放熱用）またはヒートシンクが必要になる場合があります。
• 電流駆動回路:定電流ドライバまたは直列抵抗付きの電圧源を使用して電流を設定します。ロジックピンや無調整電圧源から直接駆動することは避けてください。
• 光学設計:90°の指向角を考慮してください。長距離または指向性ビームの場合は、光を平行にするためにレンズが必要になる場合があります。広範囲照射の場合は、元の角度で十分な場合があります。
• 受光素子との組み合わせ:選択した光検出器（PINフォトダイオード、フォトトランジスタ）が940nm領域に感度を持つことを確認してください。昼光遮断フィルター付きの検出器を使用すると、周囲光条件下での信号対雑音比が向上します。

8. 技術比較と差別化

直接比較には競合他社の具体的なデータが必要ですが、このデバイスの独自のデータシートに基づく主な差別化機能は以下の通りです:

• 高出力性能:1Aの直流順電流定格と5Aのパルス電流定格は、高出力を可能にする堅牢なチップおよびパッケージ設計を示しています。
• 広い指向角:90°の角度は広い照射範囲を提供し、位置合わせが重要でないセンシングアプリケーションやエリア照射が必要な場合に有用です。
• 高速スイッチング速度:代表値30nsの立ち上がり/立ち下がり時間により、高周波変調が可能となり、通信アプリケーションにおいて低速デバイスと比較してより高速なデータ伝送レートを実現します。
• 確立された信頼性:JEDEC標準への言及と詳細なはんだ付け/湿気感受性ガイドラインは、堅牢な製造プロセス向けに設計された部品であることを示唆しています。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

9.1 このLEDを5Vマイクロコントローラのピンで直接駆動できますか？

いいえ、推奨されず、LEDまたはマイクロコントローラのいずれかを損傷する可能性が高いです。LEDは1Aで通常1.8Vの電圧降下があります。マイクロコントローラのピンは1Aを供給できず、電流制限なしで5Vに直接接続すると破壊的な高電流を流そうとします。所望の値に電流を制限するために、直列抵抗付きの駆動回路（トランジスタ/MOSFET）を使用する必要があります。

9.2 高温で出力が低下するのはなぜですか？

電流を光に変換する半導体材料の効率（内部量子効率）は、接合温度が上昇すると低下します。これは基本的な物理特性です。図4のグラフはこの低下率を定量化しており、広い温度範囲で動作する設計において一貫した光学性能を確保するために考慮する必要があります。

9.3 放射強度と全放射束の違いは何ですか？

放射強度 (mW/sr)は指向性の尺度です：特定の立体角（通常は中心軸に沿って）に放射されるパワーです。検出器が特定の位置に配置されるアプリケーションで重要です。全放射束 (mW)は総合的な尺度です：全方向（球全体）に放射される総合積分パワーです。方向に関係なく発光素子の全体的な明るさを表します。光が非常に広く広がっている場合、デバイスは高い全放射束を持ちながらも軸上強度が低い場合があります。

9.4 袋を開封後の1週間のフロアライフはどれほど重要ですか？

信頼性の高いはんだ付けには非常に重要です。プラスチックパッケージは空気中の湿気を吸収します。高温のリフローはんだ付けプロセス中に、この閉じ込められた湿気が急速に気化し、内部剥離、クラック、または部品を破壊するポップコーン現象を引き起こす可能性があります。1週間の制限とベーキング要件は、これらの故障を防止するために、パッケージの湿気感受性レベル（MSL）に基づいています。

10. 実践的な設計と使用事例

事例：マルチエミッター物体検知バリアの設計
システムは、50cm幅のゲートを通過する物体を検出するための赤外線光カーテンを必要としています。5組の発光・受光素子ペアが使用されます。

1. 駆動回路:各発光素子は専用のNチャネルMOSFETによって駆動され、共有のマイクロコントローラPWM信号によって制御され、IR光を変調します（例：38kHz）。各LED分岐に対して単一の電流制限抵抗が計算されます: R = (V_電源- V_{F_LED}) / I_F。5V電源、V_F=1.8V、I_F=500mA（信頼性のために低下率を考慮）と仮定すると、R = (5 - 1.8) / 0.5 = 6.4Ω（標準値6.2Ωを使用）。抵抗の定格電力は少なくともI²R = (0.5)²*6.2 ≈ 1.55Wである必要があるため、2Wまたは3Wの抵抗が必要です。
2. 熱管理:各LEDの損失は P = V_F* I_F= 1.8V * 0.5A = 0.9Wです。PCBには、LEDのカソードおよびアノードパッドに接続された大きな銅面を設け、ヒートシンクとして機能させ、接合温度を安全な限界内に保つ必要があります。
3. 光学的位置合わせ:90°の指向角により、ギャップを挟んだ対応する受光素子との位置合わせが簡素化されます。発光素子と受光素子の周りに小さな筒状の覆いを配置することで、ビームを過度に制限することなく周囲光の干渉を制限できます。
4. 変調:発光素子を38kHzの矩形波で駆動することで、受光素子を同じ周波数に同調させることができ、太陽光やランプからのような一定の周囲IR光を効果的に除去し、検出信頼性を大幅に向上させます。

11. 動作原理の紹介

このデバイスは、赤外線スペクトルで動作する発光ダイオード（LED）です。その中核は、ガリウムヒ素（GaAs）で作られた半導体チップです。チップのP-N接合に順方向電圧が印加されると、N型材料からの電子がP型材料からの正孔と再結合します。この再結合プロセスによりエネルギーが放出されます。標準的なシリコンダイオードでは、このエネルギーは主に熱として放出されます。GaAsのような材料では、このエネルギーの大部分が光子（光の粒子）として放出されます。GaAs材料の特定のエネルギーバンドギャップがこれらの光子の波長を決定し、この場合は約940 nmを中心としており、近赤外領域に位置付けられます。発光の強度は、再結合の速度に直接比例し、これはダイオードを流れる順電流によって制御されます。

12. 技術トレンド（客観的視点）

赤外線発光素子の分野は、より広範なオプトエレクトロニクスのトレンドとともに進化し続けています。より小さなパッケージから、またはより低い消費電力で、より明るい出力を可能にする、より高いパワー密度と効率への一貫した推進があります。これにより、よりコンパクトなセンサー設計や、携帯機器でのより長いバッテリー寿命が可能になります。統合はもう一つの重要なトレンドであり、発光素子、駆動回路、時には基本的な検出器や監視用フォトダイオードさえも単一のモジュールまたはICパッケージに組み合わせた部品が登場し、システム設計を簡素化しています。さらに、より効率的なエピタキシャル構造の開発や新しい半導体化合物の使用など、材料の進歩は、ワールプラグ効率（電気入力に対する光出力）や温度安定性などの性能パラメータの改善を目指しています。より高速なデータ通信やLiDAR（光検出と測距）システムのアプリケーションによって駆動され、より高い変調速度をサポートするデバイスへの需要も持続しています。これらのトレンドは、システム設計者にとっての性能、信頼性、使いやすさの向上に焦点を当てています。