IR25-21C/TR8 リバースパッケージ赤外線LEDデータシート - SMDパッケージ - GaAlAsチップ - ウォータークリアレンズ - 技術文書

1. 製品概要

IR25-21C/TR8は、小型表面実装デバイス（SMD）赤外線発光ダイオードです。球形トップレンズを備えたウォータークリアプラスチックで成形されたリバースパッケージ設計が特徴です。この部品の主な機能は赤外光を発光することで、そのスペクトル出力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に特化してマッチングされており、様々なセンシングアプリケーションに理想的な光源となっています。

このLEDの主な利点は、コンパクトな両端パッケージであり、PCB実装とスペース制約のある設計への統合を容易にします。低い順方向電圧で動作し、エネルギー効率に貢献します。本デバイスはRoHS、EU REACHを含む主要な環境・安全規格に準拠し、ハロゲンフリーであるため、現代の電子機器製造に適しています。

1.1 デバイス選定ガイド

IR25-21C/TR8は赤外線（IR）LEDカテゴリに属します。効率的な赤外線発光で知られるガリウムアルミニウムヒ素（GaAlAs）チップ材料を採用しています。レンズはウォータークリアであり、色フィルタリングなしで赤外光の透過を最大化します。

2. 技術仕様と客観的解釈

2.1 絶対最大定格

デバイスの動作限界は、標準周囲温度（Ta=25°C）下で定義されています。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。

• 順方向電流（I_F）：100 mA - LEDを流すことができる最大連続電流。
• ）：_R）：=20 mA - これは単位立体角あたりの光出力であり、LEDのような指向性光源の明るさの重要な尺度です。
• 電力損失（P_d）：120 mW - パッケージが熱として放散できる最大電力。
• 動作温度（T_opr）：-40°C ～ +85°C - 信頼性のある動作のための周囲温度範囲。
• 保管温度（T_stg）：-40°C ～ +85°C - 電源が入っていない状態でデバイスを保管する安全な温度範囲。
• はんだ付け温度（T_s）：最大5秒間 260°C - リフローはんだ付け中にLEDが耐えられるピーク温度と持続時間。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータはTa=25°Cで測定され、LEDの代表的な性能を定義します。

• 放射強度（I_e):40 mW/sr（最小） @ I_F=20 mA - This is the optical power output per unit solid angle, a key measure of brightness for directional sources like LEDs.
• ピーク波長（λ_p）：940 nm（代表値） - LEDが最も多くの光出力を発光する波長。これは一般的なシリコンフォト検出器のピーク感度とよく一致します。
• スペクトル帯域幅（Δλ）：50 nm（代表値） - 発光される波長の範囲で、ピーク強度の半分の値（半値全幅）で測定されます。
• 順方向電圧（V_F）：1.5 V（代表値） @ I_F=20 mA - 指定電流で動作するときのLED両端の電圧降下。低い値は低電圧回路に有利です。
• 指向角（2θ_1/2）：±20°（代表値） - 放射強度がピーク強度の少なくとも半分である角度範囲。これによりビーム幅が定義されます。

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提供されています。

3.1 順方向電流 vs. 周囲温度

図1は、周囲温度の上昇に伴う最大許容順方向電流のデレーティングを示しています。過熱を防ぐため、25°Cを超えて動作する場合は電流を減らす必要があります。この曲線は熱管理設計において重要です。

3.2 スペクトル分布

図2は相対強度と波長の関係をプロットしており、約940 nmでのピークと約50 nmの帯域幅を確認できます。これはシリコン検出器の感度特性（ピークは約900-1000 nm付近）と一致し、センサーシステムでの信号強度を最大化します。

3.3 相対強度 vs. 順方向電流

図3は、光出力と駆動電流の関係を示しています。出力は電流とともに増加しますが、非常に高い電流では発熱や効率低下により非線形になる可能性があります。推奨範囲内で動作させることで安定した性能が確保されます。

3.4 順方向電流 vs. 順方向電圧

図4はI-V特性曲線です。ダイオードに典型的な指数関数的関係を示しています。この曲線は、電流制限抵抗または定電流ドライバを使用することの重要性を強調しており、ニークポイントを超えたわずかな電圧上昇が、大きく、破壊的となる可能性のある電流増加を引き起こすためです。

3.5 角度変位

図5は、中心軸からの角度に対する相対放射強度をプロットし、空間的な発光パターン（ランバート型など）を定義しています。これは光学設計に不可欠であり、ターゲット領域に光がどのように分布するかを決定します。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 パッケージ寸法

LEDはコンパクトなSMDフットプリントを持ちます。主要寸法は本体サイズが約2.0mm x 1.25mm、高さが約0.8mmです。詳細図面にはパッドレイアウト、端子間隔、レンズ形状が規定されています。特に記載がない限り、公差は通常±0.1mmです。PCB設計のための推奨ランドパターン（パッドレイアウト）が提供されていますが、特定の製造プロセスと熱要件に基づいて最適化する必要があります。

4.2 極性識別

この部品はリバースパッケージを特徴とします。極性は本体のマークまたはパッケージフットプリントの形状によって示されます。回路動作には正しい向きが重要です。

4.3 キャリアテーピング寸法

デバイスは、7インチ径のリールに巻かれた8mm幅のエンボス加工キャリアテープ上で供給されます。テープピッチとポケット寸法は、自動ピックアンドプレース実装装置との互換性を確保するために規定されています。各リールには2000個が含まれています。

5. はんだ付けおよび実装ガイドライン

5.1 保管および取り扱い

LEDは湿気に敏感（MSL）です。未開封の防湿バッグは30°C以下、90%RH以下で保管する必要があります。開封後、"フロアライフ"は60%RH以下で保管した場合168時間（7日間）です。これを超える場合は、はんだ付け中の"ポップコーン"損傷を防ぐために、リフロー前にベーキング（例：60°Cで96時間）が必要です。

5.2 リフローはんだ付けプロファイル

鉛フリー（Pbフリー）リフロー温度プロファイルが推奨されます。主要パラメータには、予熱ゾーン、徐々の温度上昇、最大5秒間260°Cを超えないピーク温度、制御された冷却段階が含まれます。同じデバイスでリフローは2回を超えて行わないでください。

5.3 手はんだ付けおよびリワーク

手はんだ付けが必要な場合は、先端温度350°C以下、電力25W以下のはんだごてを使用してください。端子ごとの接触時間は3秒未満でなければなりません。リワークには、両端子を同時に加熱して機械的ストレスを避けるために、デュアルヘッドはんだごてが推奨されます。リワーク後はデバイス特性への影響を確認してください。

5.4 重要な注意事項

• 電流保護：順方向電流を制限するために外部直列抵抗が必須です。急峻なI-V曲線は、わずかな電圧変動が致命的な過電流を引き起こす可能性があることを意味します。
• 機械的ストレス：はんだ付け中または後にLED本体に力を加えないでください。実装されたLEDの近くでPCBを曲げないでください。

6. アプリケーション提案および設計上の考慮点

6.1 代表的なアプリケーションシナリオ

• PCB実装赤外線センサー：近接センサー、物体検出、位置エンコーディングの光源として使用されます。
• 小型光電スイッチ/光学スイッチ：フォト検出器と組み合わせて、カウント、安全カーテン、またはリミットスイッチ用の遮断可能なビームを作成します。
• フロッピーディスクドライブ（レガシー）：かつてはトラック検出に使用されていました。
• 煙感知器：煙粒子が光ビームを散乱させる減光式感知器に採用されています。

6.2 設計上の考慮点

• 駆動回路：定電流源または正確に計算された電流制限抵抗（R = (V_supply- V_F) / I_F）を備えた電圧源を実装してください。
• 光学的アライメント：±20°の指向角は、特に狭ビームアプリケーションにおいて、最適な信号結合のために受信検出器との注意深いアライメントを必要とします。
• 熱管理：特に高電流駆動時や高温環境下では、十分なPCB銅面積または熱ビアを確保して放熱してください。
• 電気ノイズ：感度の高いアナログセンシング回路では、LED駆動信号を周囲光や電気ノイズから区別するために、シールドや変調を検討してください。

7. 技術比較および差別化

標準的な赤外線LEDと比較して、IR25-21C/TR8のリバースパッケージは、より低いプロファイルと異なる放射パターンを提供する可能性があります。その主な差別化要因は、シリコンとの特異的なスペクトルマッチングであり、ピークから外れた波長のLEDよりも検出器システムでより高い信号対雑音比をもたらすことができます。ハロゲンフリーおよび現代の環境規格への準拠は、グリーンエレクトロニクスイニシアチブに適しています。

8. よくある質問（技術パラメータに基づく）

8.1 なぜ電流制限抵抗が絶対に必要なのですか？

ダイオードの指数関数的I-V特性は、順方向電圧のニークポイント（約1.5V）を超えると、わずかな電圧増加で電流が劇的に増加することを意味します。動作点を設定する抵抗がないと、わずかな電源変動や温度変化により電流が100mAの最大値を超え、LEDが瞬時に破壊される可能性があります。

8.2 "Siフォト検出器とのスペクトルマッチング"とはどういう意味ですか？

シリコンベースのフォトダイオードおよびフォトトランジスタは特定の感度曲線を持ち、800-1000 nm付近の光に最も敏感です。このLEDの940 nmでのピーク発光は、この高感度領域に直接該当し、検出器がLEDの光出力を最大限に電流に変換することを保証し、システム効率と範囲を向上させます。

8.3 168時間のフロアライフはどれほど重要ですか？

信頼性の高い実装には非常に重要です。プラスチックパッケージに吸収された湿気は、高温リフローはんだ付けプロセス中に急速に蒸発し、内部剥離、クラック、またはボンディングワイヤの損傷（"ポップコーン"現象）を引き起こす可能性があります。フロアライフを遵守するか、適切なベーキングを行うことで、この故障モードを防ぎます。

9. 実用的な使用例

紙葉計数機の設計：オフィス機器において、IR25-21C/TR8は紙通路の片側に実装され、反対側のフォトトランジスタと直接向かい合うように配置できます。紙がないときは赤外線ビームが検出器に到達し、高い信号を生成します。紙が一枚通過するとビームが遮断され、検出器信号が低下します。このイベントはマイクロコントローラによってカウントされます。940nmの波長は不可視であり、周囲の室内光の影響を受けません。低い順方向電圧により、システムは3.3Vまたは5Vのロジック電源で動作可能で、単純な直列抵抗（例：(5V - 1.5V)/0.02A = 175Ω）によりLED電流を安全な20mAに設定します。

10. 動作原理の紹介

赤外線発光ダイオード（IR LED）は、半導体p-n接合ダイオードです。順方向バイアスがかかると、n領域からの電子とp領域からの正孔が接合領域に注入されます。これらの電荷キャリアが再結合すると、エネルギーを放出します。GaAlAs材料系では、このエネルギーは主に赤外線スペクトル（可視赤色光より長い波長、通常700nmから1mm）の光子（光粒子）として放出されます。ガリウム、アルミニウム、ヒ化物層の特定の組成がピーク発光波長を決定します。ウォータークリアエポキシパッケージはレンズとして機能し、発光を定義されたビームパターンに形成します。

11. 業界動向と発展

センシング用の光エレクトロニクスのトレンドは、小型化、高効率化、集積化に向かっています。IR25-21C/TR8のようなディスクリートLEDは柔軟性と性能のために依然として重要ですが、エミッタ、検出器、信号調整回路を単一パッケージに組み合わせた統合センサーモジュールの市場が成長しています。これらのモジュールは設計を簡素化しますが、特定のアプリケーションに対する最適化は少ないかもしれません。もう一つのトレンドは、データ通信アプリケーション（IRリモコンのような）のための高速変調の需要であり、これは立ち上がり/立ち下がり時間の速いLEDを必要とします。環境規制への準拠（RoHS、REACH、ハロゲンフリー）は差別化要因ではなく標準要件となっています。効率的な赤外線発光のための基礎技術は洗練され続けており、異なる波長範囲のためのInGaNのような新しい材料系の研究が進められています。