赤外線LED データシート - ピーク波長940nm - 技術文書

1. 製品概要

本資料は、赤外線（IR）発光ダイオード（LED）コンポーネントの技術仕様を提供します。このデバイスの主な用途は、リモコン、近接センサー、暗視照明など、可視光以外の光源を必要とするシステムです。このコンポーネントの中核的な利点は、シリコンベースの光検出器との互換性に最適化され、人間の目にはほとんど見えない特定のピーク波長にあります。対象市場は、信頼性の高い赤外線信号伝送またはセンシングが必要な、民生電子機器、産業オートメーション、セキュリティシステム、自動車アプリケーションなどです。

2. 詳細技術パラメータ分析

提供されたデータは、このIR LEDの主要な測光パラメータを規定しています。

2.1 測光特性

定義されている最も重要なパラメータはピーク波長（λp）です。

• ピーク波長（λp）：940ナノメートル（nm）。この値は、LEDが最大光出力を放射する電磁スペクトル内の特定の点を示します。940nmの波長は、近赤外線（NIR）範囲に確実に含まれます。この波長は、一般的なシリコンフォトダイオードやフォトトランジスタの感度ピークとよく一致するため、特に有利であり、効率的な信号送受信を保証します。さらに、940nmの光は、850nmなどの短いIR波長と比較して、かすかな赤色光としての可視性が低く、隠密用途により適しています。

IR LEDのその他の典型的な測光パラメータ、例えば放射強度（ミリワット毎ステラジアン、mW/sr）、指向角（度）、特定電流における順方向電圧などは、抜粋部分では明示的に提供されていませんが、完全な回路設計には不可欠です。

2.2 電気的特性

提供されたテキストには具体的な値は記載されていませんが、IR LEDの電気的動作は、設計者が考慮しなければならないいくつかの主要なパラメータによって定義されます。

• 順方向電圧（Vf）：LEDが電流を導通しているときの両端の電圧降下。典型的なGaAsベースのIR LEDでは、通常、定格順方向電流で1.2Vから1.6Vの範囲です。
• 順方向電流（If）：推奨連続動作電流。定格最大順方向電流を超えると、急速な劣化や致命的な故障を引き起こす可能性があります。
• 逆方向電圧（Vr）：LEDが非導通方向にバイアスされたときに耐えられる最大電圧。IR LEDは通常、非常に低い逆方向電圧定格（多くの場合約5V）を持ち、逆方向電圧スパイクによる損傷を受けやすいです。
• 消費電力：熱と光に変換される総電気的電力（Vf * If）。過熱を防ぐためには適切な熱管理が必要です。

2.3 熱特性

熱管理は、LEDの長寿命と安定した性能にとって極めて重要です。

• 接合温度（Tj）：半導体チップの活性領域の温度。許容最大Tjは重要な制限値です。
• 熱抵抗（Rθj-a）：このパラメータは、ワットあたりの摂氏度（°C/W）で測定され、熱がLED接合部から周囲空気へどれだけ効果的に移動するかを示します。値が低いほど放熱能力が優れていることを意味します。パッケージ設計はこの値に大きく影響します。
• デレーティング曲線：周囲温度または接合温度が上昇するにつれて、許容最大順方向電流がどのように減少するかを示すグラフ。信頼性のためには、これらの制限内で動作することが不可欠です。

3. ビニングシステムの説明

大量生産されるLEDは、主要パラメータにばらつきが生じます。ビニングとは、測定された性能に基づいてコンポーネントをグループ（ビン）に仕分けし、エンドユーザーに一貫性を保証するプロセスです。

3.1 波長ビニング

この940nm IR LEDの場合、コンポーネントは実際のピーク波長に基づいてテストされ、ビンに仕分けられます。例えば、ビンは935-940nm、940-945nmなどと定義されるかもしれません。これにより、アプリケーションが正確なスペクトルマッチングを必要とする場合、設計者はより厳しい波長公差を持つLEDを選択できます。

3.2 放射強度 / 光出力ビニング

LEDは放射出力に応じてもビニングされます。これは、均一な輝度や特定の信号強度を必要とするアプリケーションで重要です。ビンは、標準化されたテスト電流における最小および最大放射強度値（例：20-25 mW/sr、25-30 mW/sr）によって定義されます。

3.3 順方向電圧ビニング

定電流回路設計を簡素化し、並列アレイでの一貫した動作を保証するために、LEDは順方向電圧（Vf）によってビニングされます。一般的なビンでは、Vfが1.2V-1.3V、1.3V-1.4Vなどの間にあるLEDをグループ化するかもしれません。

4. 性能曲線分析

グラフデータは、異なる動作条件下でのデバイスの動作を理解するために不可欠です。

4.1 電流-電圧（I-V）特性曲線

この曲線は、順方向電流（If）と順方向電圧（Vf）の関係をプロットします。ダイオードに典型的な指数関数的関係を示します。この曲線は、動作点を決定し、適切な電流制限抵抗または駆動回路を設計するために使用されます。電流が急速に増加し始める膝電圧が重要な特徴です。

4.2 温度依存性

いくつかの曲線が温度の影響を示します。

• 順方向電圧 vs. 温度：通常、接合温度が上昇するとVfが直線的に減少することを示します（IR LEDでは約-2mV/°C）。これは定電流ドライバーにとって重要です。
• 放射強度 vs. 温度：温度が上昇すると光出力がどのように減少するかを示します。このデレーティングは、高温環境で動作するアプリケーションで重要です。
• 相対スペクトル分布 vs. 温度：温度が上昇するとピーク波長がわずかに（通常は長波長側に）シフトする可能性があることを示します。

4.3 スペクトル分布

このグラフは、相対放射パワーと波長の関係をプロットします。940nmでのピークとスペクトル帯域幅（通常は半値全幅、FWHM、IR LEDでは多くの場合約40-50nm）を示します。帯域幅が狭いほど、より単色光に近いことを示します。

5. 機械的仕様およびパッケージング情報

提供された抜粋には、具体的なパッケージングの詳細が含まれています。

5.1 梱包階層

コンポーネントは多層梱包システムによって保護されています：

• 静電気放電（ESD）保護バッグ：個々のLEDコンポーネントまたはリールの一次容器です。このバッグは静電放電防止素材で作られており、取り扱いや保管中の静電気放電による損傷を防ぎます。
• 内箱：複数のESDバッグまたはリールを収納する小さな箱またはトレイで、物理的な構造と追加の保護を提供します。
• 外箱：複数の内箱を収納する主要な輸送用コンテナです。輸送および保管中の堅牢性を考慮して設計されています。

5.2 梱包数量

文書は梱包数量を主要パラメータとして明示的にリストしています。これは、1つの標準出荷単位（例：リールごと、チューブごと、または内箱内のバッグごと）に含まれる個々のLEDコンポーネントの数を指します。表面実装デバイスの一般的な数量は、リールあたり1000個、2000個、または5000個です。

5.3 外形寸法と極性

正確な寸法は提供されていませんが、典型的なIR LEDパッケージ（3mmまたは5mmのスルーホールLED、または0805や1206などの表面実装パッケージ）には詳細な機械図面があります。この図面は、本体の長さ、幅、高さ、リード間隔（ピッチ）、およびリード寸法を規定します。極性の識別が特に重要であり、通常、レンズのフラットエッジ、短いリード、パッケージ上のドット、またはフットプリント上の特定のパッドマーキングによってカソード（負側）を示します。

6. はんだ付けおよび実装ガイドライン

適切な実装は信頼性にとって極めて重要です。

6.1 リフローはんだ付けプロファイル

表面実装IR LEDの場合、推奨されるリフロープロファイルに従う必要があります。これには以下が含まれます：

• 予熱/立ち上げ率：通常、熱衝撃を避けるために毎秒1-3°C。
• ソークゾーン：はんだの液相線温度以下の温度で一定期間保持し、フラックスを活性化させ、基板温度を均一化します。
• リフロー（液相線）ゾーン：ピーク温度は、はんだを溶かすのに十分な高さ（例：SAC305では240-250°C）である必要がありますが、LEDを損傷しないように十分に低く、かつ短時間である必要があります（最大パッケージ本体温度は多くの場合10秒間260°C）。
• 冷却率：はんだ接合部を適切に固化させるための制御された冷却。

6.2 主要な注意事項

• ESD保護：常に接地されたリストストラップと導電性マットを使用し、ESD安全な環境でコンポーネントを取り扱ってください。
• 湿気感受性レベル（MSL）：該当する場合、パッケージにはMSL定格（例：MSL 3）があります。フロアライフを超えたコンポーネントは、ポップコーン現象による損傷を防ぐために、リフロー前にベーキングする必要があります。
• 洗浄：LEDレンズやエポキシ樹脂を損傷しない互換性のある洗浄溶剤のみを使用してください。
• 機械的ストレス：実装時やテスト時にLEDレンズに直接圧力を加えないでください。

6.3 保管条件

コンポーネントは、元の未開封のESDバッグに入れた状態で、管理された環境に保管する必要があります。推奨条件は通常、温度5°Cから30°C、相対湿度60%以下です。直射日光、腐食性ガス、または過度のほこりへの暴露を避けてください。

7. パッケージングおよび発注情報

文書のライフサイクルデータは改訂：5および有効期限：永久を示しており、これは2013年5月27日にリリースされた安定した、廃止管理されていない文書であることを示唆しています。パッケージング仕様はセクション5.1で明確に定義されています。発注コードまたは型番は通常、パッケージタイプ、波長ビン、強度ビン、梱包数量などの主要属性をコード化した命名規則に従います（例：IR940-SMD1206-B2-2Kは、1206パッケージの940nm IR LED、強度ビンB2、2000個リール供給を示すかもしれません）。

8. アプリケーション推奨事項

8.1 代表的なアプリケーション例

• 赤外線リモコン：テレビ、オーディオシステム、セットトップボックス用。940nm波長は業界標準です。
• 近接および存在センサー：通話中のスマートフォンのタッチスクリーン無効化、自動蛇口、セキュリティ照明スイッチなどで使用されます。
• 物体カウントおよび検出：自動販売機、産業用組立ライン、印刷装置などで使用されます。
• 暗視照明：低照度条件下での監視のために、赤外線感度カメラと組み合わせて使用されます。
• 光データ伝送：短距離、低速シリアル通信（IrDA）または産業用データリンク用。

8.2 設計上の考慮点

• 駆動回路：常に直列の電流制限抵抗または定電流ドライバーを使用してください。LEDを電圧源に直接接続しないでください。
• 放熱：大電流動作または高温環境では、LEDの熱抵抗を管理するために、十分なPCB銅面積または外部ヒートシンクを確保してください。
• 光学設計：LEDの指向角を考慮してください。アプリケーションの必要に応じて、レンズや反射板を使用してビームを平行光線化または拡散させます。
• 光検出器のマッチング：選択した光検出器（フォトダイオード、フォトトランジスタ）が940nmで高い感度を持つことを確認してください。環境がノイズの多い場合は、可視光を遮断するIRフィルターを使用します。
• 電気的ノイズ耐性：センサーアプリケーションでは、IR信号を変調し（例：38kHzキャリアを使用）、同調受信機を使用して、太陽光や蛍光灯からの環境光干渉を除去します。

9. 技術比較

他のIR光源と比較して、この940nm LEDは特定の利点を提供します。

• 850nm IR LEDとの比較：940nmの光はかすかな赤色光としての可視性がはるかに低く、隠密監視に優れています。ただし、シリコンフォト検出器の感度は940nmでは850nmよりもわずかに低く、大気吸収もわずかに高くなります。
• 白熱IRランプとの比較：LEDははるかに効率が良く、応答時間が速く（高速変調を可能にする）、機械的に頑丈で、動作寿命がはるかに長い（数万時間）です。
• レーザーダイオードとの比較：LEDはより広いスペクトル出力とより大きな発光面積を持ち、一般的な照明やセンシングに扱いやすい拡散ビームを生成します。また、レーザーダイオードよりも大幅に安価で、複雑な駆動回路や安全回路を必要としません。

10. よくある質問（FAQ）

Q1: 940nmのピーク波長の目的は何ですか？
A1: 940nmの波長は、シリコンフォト検出器の感度とよく一致し、人間の目にはほとんど見えないため、目立たないセンシングやリモコンアプリケーションに最適です。

Q2: 適切な電流制限抵抗の値をどのように決定しますか？
A2: オームの法則を使用します：R = (電源電圧 - Vf) / If。電源電圧（Vsupply）、データシートまたはビンからのLEDの順方向電圧（Vf）、および希望の順方向電流（If）を知っている必要があります。抵抗の定格電力（P = (Vsupply - Vf) * If）が十分であることを常に確認してください。

Q3: このLEDを屋外で使用できますか？
A3: はい、ただし注意が必要です。エポキシレンズは長時間の紫外線暴露で劣化する可能性があります。より重要なのは、明るい日光には強いIR成分が含まれており、受信機を飽和させる可能性があることです。信頼性の高い屋外動作のためには、光学フィルターと変調信号の使用が不可欠です。

Q4: なぜLEDにとってESD保護がそれほど重要ですか？
A4: LEDの半導体接合部は、高電圧の静電気放電に非常に敏感です。ESDイベントは、光出力を瞬時に劣化させたり、リーク電流を増加させたり、目に見える損傷なしに完全な故障を引き起こしたりする可能性があります。

Q5: 梱包数量とは何を指しますか？
A5: リール上、チューブ内、または帯電防止バッグ内など、1つの標準販売単位で供給される個々のLEDコンポーネントの数を指定します。これは生産計画と在庫管理にとって重要です。

11. 実用例

11.1 簡易近接センサー

940nm IR LEDとフォトトランジスタを並べて配置することで、基本的な反射型センサーを構築できます。LEDはパルス電流で駆動されます。物体が近づくと、IR光が反射されてフォトトランジスタに戻り、そのコレクタ電流が増加します。その後、コンパレータ回路がデジタル出力信号をトリガーできます。この設計は、プリンターの用紙検出やハンドドライヤーの起動に使用されます。

11.2 CCTV向け長距離赤外線イルミネーター

暗視セキュリティカメラ用に、複数の高出力940nm LEDのアレイが構築されます。LEDは数百ミリアンペアを供給できる定電流ドライバーによって駆動されます。フレネルレンズがアレイの前に配置され、光をビームに平行光線化し、有効照射距離を数十メートルに延ばします。この高出力設計では、大型アルミニウムヒートシンクによる熱管理が重要です。

12. 動作原理

赤外線発光ダイオード（IR LED）は、半導体p-n接合デバイスです。順方向バイアス（p側にn側に対して正の電圧を印加）されると、n領域からの電子が接合部を越えてp領域に注入され、p領域からの正孔がn領域に注入されます。これらの少数キャリアは、反対側の領域の多数キャリアと再結合します。IR LEDに一般的に使用されるガリウムヒ素（GaAs）などの直接遷移型半導体では、この再結合イベントにより、光子（光粒子）の形でエネルギーが放出されます。放出される光子の波長（色）は、半導体材料のバンドギャップエネルギー（Eg）によって決定され、式 λ = hc/Eg に従います（hはプランク定数、cは光速）。半導体合金組成（例：AlGaAsやInGaAsの使用）を調整することで、バンドギャップ、したがって放出波長を精密に制御でき、ここで指定された940nmの出力が得られます。

13. 技術トレンド

IR LED技術の分野は進化を続けています。主なトレンドは以下の通りです：

• 高出力化と高効率化：継続的な材料科学とパッケージングの改善により、より高い放射束とワールプラグ効率（電気-光電力変換）を持つIR LEDが生み出されており、同じ入力電力でより小型のデバイスまたはより長い距離を可能にしています。
• 小型化：小型の民生電子機器への需要により、IR LEDはますます小さな表面実装パッケージ（例：0402、0201）やチップスケールパッケージ（CSP）へと進化しています。
• 統合ソリューション：IR LED、光検出器、駆動回路、および信号処理（環境光除去など）を単一モジュールまたはシステムインパッケージ（SiP）に組み合わせる傾向があり、エンドユーザーの設計を簡素化しています。
• 新たな波長への拡張：850nmと940nmが主流ですが、特殊用途向けに他のIR波長への関心が高まっています。例えば、アイセーフLiDAR用の1050nmや、ガスセンシング用の特定の帯域などです。
• 熱管理の改善：より低い熱抵抗を持つ新しいパッケージ設計と、より優れた熱伝導性を持つ材料により、LEDの寿命が延び、より高い駆動電流が可能になっています。