SMD LED 23-21B ブリリアントオレンジ データシート - パッケージ 2.0x1.25x0.8mm - 電圧 1.75-2.35V - 電力 60mW - 日本語技術文書

1. 製品概要

23-21Bは、鮮やかなオレンジ色のインジケータまたはバックライト光源を必要とするアプリケーション向けに設計された表面実装デバイス（SMD）LEDです。AlGaInP（アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン化物）チップ材料を利用し、ウォータークリア樹脂封止により特徴的なオレンジ色を発光します。この部品は従来のリードフレーム型LEDよりも大幅に小型であり、プリント基板（PCB）上の実装密度の向上、機器サイズの縮小、製品全体の軽量化を実現し、スペースに制約のある小型アプリケーションに最適です。

このLEDの主な利点は、標準的な自動実装機および赤外線や気相リフローなどの主流のはんだ付けプロセスとの互換性です。鉛フリー（RoHS指令準拠）、EU REACH規制、ハロゲンフリー要件（Br <900 ppm、Cl <900 ppm、Br+Cl < 1500 ppm）に対応しています。効率的な製造処理のために、7インチ径リールに巻かれた8mmテープ上で供給されます。

2. 技術仕様と客観的解釈

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限界を定義します。これらの条件下での動作は保証されません。

• 逆電圧（VR）：5V。逆バイアスでこの電圧を超えると、接合部の破壊を引き起こす可能性があります。
• 連続順電流（IF）：25 mA。信頼性の高い長期動作のための最大直流電流です。
• ピーク順電流（IFP）：50 mA。このパルス電流（1kHz、1/10デューティサイクル）定格は、短時間の非連続動作用です。
• 電力損失（Pd）：60 mW。周囲温度（Ta）25°Cにおいてパッケージが放散できる最大電力です。この値は周囲温度の上昇とともに低下します。
• 静電気放電（ESD）人体モデル（HBM）：2000V。これは中程度のESD耐性を示します。組立時には、標準的なESD取り扱い予防策（接地された作業台、リストストラップなど）を推奨します。
• 動作温度（Topr）：-40°C ～ +85°C。デバイスが動作することが規定されている周囲温度範囲です。
• 保存温度（Tstg）：-40°C ～ +90°C。
• はんだ付け温度（Tsol）：リフローはんだ付け：ピーク温度260°C、最大10秒間。手はんだ付け：はんだごて先温度350°C、端子あたり最大3秒間。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは、特に断りのない限り、標準試験条件（Ta=25°C、IF=20mA）で測定されます。デバイスの代表的な性能を定義します。

• 光度（Iv）：45.0 ～ 112.0 mcd（ミリカンデラ）。実際の出力は特定のビン（P1、P2、Q1、Q2）に分類されます。±11%の許容差が適用されます。
• 指向角（2θ1/2）：130度（代表値）。光度がピーク光度（軸上）の半分になる全角です。インジケータ用途に適した広い視野パターンを示します。
• ピーク波長（λp）：611 nm（代表値）。スペクトルパワー分布が最大となる波長です。
• 主波長（λd）：600.5 ～ 612.5 nm。人間の目が光の色として知覚する単一波長です。許容差±1nmで、D8からD11の範囲にビニングされます。
• スペクトル半値幅（Δλ）：17 nm（代表値）。最大強度の半分の強度における発光スペクトルの幅（FWHM）です。狭い半値幅は、より飽和した純粋な色を示します。
• 順電圧（VF）：IF=20mA時、1.75 ～ 2.35 V。許容差±0.1Vで、3つの範囲（0、1、2）にビニングされます。低いVFは一般に、効率向上と発熱低減につながります。
• 逆電流（IR）：VR=5V時、10 μA（最大）。これはリーク電流の測定パラメータです。デバイスは逆バイアスでの動作用には設計されていません。

3. ビニングシステムの説明

製造時の色と明るさの一貫性を確保するため、LEDは主要パラメータに基づいてビンに仕分けられます。23-21Bは3次元のビニングシステムを使用しています。

3.1 光度ビニング（CAT）

IF=20mAにおける各ビンコードの最小および最大光度を定義します。

• P1：45.0 - 57.0 mcd
• P2：57.0 - 72.0 mcd
• Q1：72.0 - 90.0 mcd
• Q2：90.0 - 112.0 mcd

3.2 主波長ビニング（HUE）

各ビンコードの色（波長）範囲を定義します。

• D8：600.5 - 603.5 nm
• D9：603.5 - 606.5 nm
• D10：606.5 - 609.5 nm
• D11：609.5 - 612.5 nm

3.3 順電圧ビニング（REF）

IF=20mA時の順電圧降下によってLEDをグループ化します。これは電流制限抵抗の計算や電源設計において重要です。

• 0：1.75 - 1.95 V
• 1：1.95 - 2.15 V
• 2：2.15 - 2.35 V

4. 特性曲線の分析

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特性曲線が記載されています。

4.1 相対光度 vs. 順電流

この曲線は、光度が順電流とともに増加することを示していますが、特に高電流域では完全に線形ではありません。定格光度を達成するには、指定された試験電流（20mA）でLEDを駆動することが重要であることを強調しています。

4.2 相対光度 vs. 周囲温度

このグラフは、LEDに共通する熱消光効果を示しています：接合温度が上昇すると（周囲温度の上昇または自己発熱による）、発光出力が減少します。出力は25°Cで100%に正規化されています。設計者は、高温環境でのアプリケーションにおいて、この低下率を考慮する必要があります。

3.3 順電流低下曲線

これは重要な設計ツールです。周囲温度の関数として、許容される最大連続順電流を示します。周囲温度が上昇すると、デバイスの最大接合温度と電力損失定格を超えないように、最大安全電流を低減しなければなりません。例えば、85°Cでは、最大連続電流は25°Cでの定格25mAよりも大幅に低くなります。

4.4 順電圧 vs. 順電流

このIV（電流-電圧）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。順電圧は電流とともに増加します。動作領域における曲線の傾きは、LEDの動的抵抗を決定するのに役立ちます。

4.5 放射パターン

光強度の空間分布を示す極座標図です。23-21Bは典型的なランバートまたはニアランバートパターンを示し、視野角が中心軸（0°）から離れるにつれて強度が減少します。

4.6 スペクトル分布

ピーク波長～611 nmを中心とした、波長に対する相対強度のグラフです。定義されたスペクトル半値幅を持つAlGaInPチップの単色性を確認できます。

5. 機械的・パッケージ情報

5.1 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（mm単位、特に記載のない限り許容差±0.1mm）は以下の通りです：

- 全長：2.0 mm

- 全幅：1.25 mm

- 全高：0.8 mm

- カソード識別子：パッケージ上の面取りまたはマーキングがカソード（負極）端子を示します。実装時の正しい極性方向が不可欠です。

5.2 推奨PCBランドパターン

信頼性の高いはんだ付けと適切な機械的位置合わせを確保するために、推奨パッドレイアウトが提供されています。パッド設計は部品の端子に対応し、適切なはんだフィレット形成を可能にします。この推奨に従うことで、トゥームストーニングを防止し、良好な熱的・電気的接続を確保できます。

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（鉛フリー）

鉛フリーはんだに対して特定の温度プロファイルが推奨されています：

- プリヒート：150-200°C、60-120秒間。

- 液相線以上時間（217°C）：60-150秒間。

- ピーク温度：最大260°C、10秒以内。

- 加熱速度：最大6°C/秒（255°Cまで）、その後ピークまで最大3°C/秒。

- 冷却速度：熱応力を最小限に抑えるために制御します。

重要：同一デバイスに対してリフローはんだ付けは2回までとします。

6.2 手はんだ付け

手作業による修理が必要な場合は、細心の注意が必要です：

- はんだごて先温度：< 350°C。

- 端子あたりの接触時間：< 3秒。

- はんだごて電力：< 25W。

- 各端子のはんだ付けの間には、最低2秒の間隔を空けてください。

- 取り外しには、両端子に均等に熱を加え機械的ストレスを避けるため、両頭はんだごての使用が推奨されます。

6.3 保管および湿気感受性

LEDは大気中の湿気の吸収を防ぐため、乾燥剤入りの防湿バリアバッグに梱包されています。湿気吸収はリフロー時にポップコーン現象（パッケージ割れ）を引き起こす可能性があります。

- 使用準備が整うまでバッグを開封しないでください。

- 開封後、未使用部品は温度≤30°C、相対湿度（RH）≤60%で保管してください。

- バッグ開封後のフロアライフは168時間（7日間）です。

- フロアライフを超過した場合、または乾燥剤インジケータが飽和を示した場合は、リフロー前に60±5°Cで24時間のベーキングが必要です。

7. 梱包および発注情報

7.1 リールおよびテープ仕様

デバイスはエンボスキャリアテープで供給されます：

- テープ幅：8 mm。

- リール直径：7インチ（178 mm）。

- リールあたり数量：2000個。

- リール寸法（ハブ、フランジ）は自動供給装置との互換性のために提供されています。

7.2 ラベル説明

リールラベルには、トレーサビリティと正しい適用のための重要な情報が含まれています：

- CPN：顧客品番（オプション）。

- P/N：メーカー品番（例：23-21B/S2C-AP1Q2B/2A）。

- QTY：梱包数量。

- CAT：光度ビンコード（例：Q2）。

- HUE：主波長ビンコード（例：D10）。

- REF：順電圧ビンコード（例：1）。

- LOT No.：製造ロット番号（トレーサビリティ用）。

8. アプリケーション提案および設計上の考慮事項

8.1 代表的な用途

• バックライト：計器盤インジケータ、スイッチ照明、キーパッド。
• 通信機器：電話機、ファクシミリ、ネットワーク機器の状態表示灯およびバックライト。
• 民生電子機器：様々な携帯型および据置型機器のシンボルおよび状態表示。
• 汎用表示：明るく信頼性の高いオレンジ色のインジケータを必要とするあらゆるアプリケーション。

8.2 重要な設計上の考慮事項

1. 電流制限：外部の電流制限抵抗は絶対に必須です。LEDの指数関数的なV-I特性は、電圧のわずかな増加が大きく破壊的な電流増加を引き起こす可能性があることを意味します。抵抗値（R）はオームの法則を使用して計算されます：R = (電源電圧 - VF) / IF。ここでVFは、すべての条件下での安全な動作を保証するために、ビンの最大値（例：2.35V）を使用すべきです。
2. 熱管理：低下曲線を考慮してください。高温環境下、または最大電流近くで駆動する場合は、十分なPCB銅面積または他の手段により熱を放散し、接合温度を安全限界内に保つようにしてください。
3. ESD保護：2000V HBM定格がありますが、ESDが発生しやすい環境（ユーザーがアクセス可能なインジケータなど）では、過渡電圧サプレッション（TVS）ダイオードや抵抗を敏感なラインに組み込むことが良い習慣です。
4. 光学設計：130°の広い指向角は、軸外視認性を良好にします。より集光されたビームを必要とするアプリケーションでは、二次光学系（レンズ）が必要になります。

9. 技術比較と差別化

23-21Bは、AlGaInP技術に基づいており、フォスファ変換白色LEDや旧式のGaAsPデバイスなどの他の技術と比較して、オレンジ/赤色アプリケーションにおいて明確な利点を提供します。

• フォスファ変換LEDとの比較：AlGaInPは、フォスファ変換に伴う効率損失なしに、オレンジ-赤スペクトルにおいてより高い発光効率とより飽和した色純度を提供します。
• 旧式GaAsP LEDとの比較：AlGaInP技術は、大幅に高い輝度と優れた温度安定性を提供します。
• 大型リード付きLEDとの比較：SMDパッケージにより自動組立が可能となり、基板スペースを削減し、曲がったリードや手挿入エラーを排除することで信頼性を向上させます。
• 主な差別化要因：直接発光半導体による特定の鮮やかなオレンジ色、コンパクトなSMDパッケージ、現代の環境規制（RoHS、ハロゲンフリー）への準拠を組み合わせることで、現代の電子設計に適しています。

10. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q1：5V電源で使用する抵抗値は？

A1：最悪ケースの最大VF 2.35V、希望IF 20mAを使用：R = (5V - 2.35V) / 0.020A = 132.5 オーム。最も近い標準的な高い値（例：150オーム）が安全な選択となり、IF ≈ 17.7mAとなります。

Q2：より明るくするために30mAで駆動できますか？

A2：連続順電流の絶対最大定格は25mAです。30mAでの動作はこの定格を超えており、信頼性と寿命の低下、過剰な発熱を引き起こし、即時故障につながる可能性があります。常に指定された限界内で動作させてください。

Q3：光度ビンがQ2（90-112 mcd）です。設計ではどの出力を期待できますか？

A3：最小値の90 mcdで保守的に設計できます。受け取る実際のデバイスは90から112 mcdの間になります。±11%の許容差はビン限界に適用されるため、Q2と表示された特定のデバイスは理論的には約80 mcdから約124 mcdの範囲になる可能性がありますが、Q2の範囲内に収まります。

Q4：はんだ付けプロファイルグラフはどのように解釈しますか？

A4：グラフは温度（Y軸）と時間（X軸）の関係を示しています。リフローオーブンは、LEDリードで測定された温度がこの軌跡に従うようにプログラムする必要があります：徐々にプリヒート、制御された立ち上がり、はんだ融点（217°C）以上の特定時間、制御されたピーク温度（≤260°C）、制御された冷却。特に温度-時間制限を超えるような大幅な逸脱は、LEDを損傷する可能性があります。

11. 実践的な設計および使用事例

シナリオ：複数のオレンジLEDを使用した状態表示パネルの設計

1. ビニング選択：均一な外観のために、主波長（HUE、例：D10のみ）と光度（CAT、例：Q1のみ）の両方で厳しいビンを指定します。これにより、すべてのインジケータがほぼ同一の色と明るさになります。
2. 回路設計：3.3Vマイクロコントローラ電源を使用。VFビン1（最大2.15V）を仮定し、低消費電力のために15mAを目標：R = (3.3V - 2.15V) / 0.015A = 76.7 オーム。75オーム抵抗を使用。抵抗での電力：(1.15V^2)/75Ω ≈ 18mW。1/10W以上の抵抗を使用。
3. PCBレイアウト：推奨ランドパターンに従ってLEDを配置します。特に複数のLEDが近接して配置されている場合、熱放散を助けるためにカソードパッドに接続された小さな銅面を含めます。
4. 組立：リールは実装機に装填するまで密封バッグ内で保管します。リフロープロファイルを正確に守ります。組立後、LED近くでPCBを曲げないようにします。

12. 動作原理の紹介

23-21B LEDは、半導体p-n接合におけるエレクトロルミネッセンスの原理に基づいて動作します。活性領域は、基板上にエピタキシャル成長されたAlGaInP（アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン化物）層で構成されています。接合の内蔵電位を超える順電圧が印加されると、n型領域からの電子とp型領域からの正孔が活性領域に注入されます。ここで、それらは放射再結合し、光子（光）の形でエネルギーを放出します。AlGaInP合金の特定の組成がバンドギャップエネルギーを決定し、それが直接発光の波長（色）を決定します—この場合は鮮やかなオレンジ色（～611 nm）です。ウォータークリアエポキシ樹脂はチップを封止し、機械的保護を提供し、発光パターンを形成する一次レンズとして機能します。

13. 技術トレンドと背景

23-21BのようなSMD LEDは、インジケータおよび低電力照明アプリケーションの主流パッケージ技術を代表し、スルーホールLEDをほぼ置き換えています。この分野のトレンドは以下の方向に進んでいます：

- 小型化：超高密度基板向けのさらに小さなパッケージフットプリント（例：0402、0201メトリック）。

- 効率向上：エピタキシャル成長とチップ設計の継続的な改善により、より高い発光効率（電気ワットあたりのより多くの光出力）が得られます。

- 信頼性向上：パッケージ材料とプロセスの改善により、より長い動作寿命と過酷な環境条件（温度、湿度）下での性能向上が実現されます。

- 統合：スマート照明アプリケーション向けのマルチチップパッケージ（RGB、多色）や統合コントローラ（IC）を備えたLEDの成長。

- スペクトルの拡大：可視スペクトル全体および紫外線（UV）や赤外線（IR）にわたって効率的に色を生成する半導体材料の開発。AlGaInPは赤-オレンジ-琥珀-黄色の範囲を支配していますが、青色、緑色、白色LEDにはInGaNなどの他の材料が使用されています。

23-21Bは、そのターゲット色とアプリケーション範囲において、性能、サイズ、コストのバランスを提供する信頼性の高い標準化部品として、この状況に適合しています。