5515-RGB020AH-AM SMD RGB LED データシート - 5.5x1.5mm - 赤/緑/青 - 20mA - 車載グレード

1. 製品概要

5515-RGB020AH-AMは、赤、緑、青（RGB）の発光体を単一の5.5mm x 1.5mmパッケージ内に統合した高性能表面実装（SMD）LEDコンポーネントです。過酷な車載電子環境向けに特別に設計・認定されています。その中核的な利点には、高輝度出力、広い120度の視野角、およびAEC-Q102などの厳格な車載信頼性基準を満たす堅牢な構造が含まれます。主なターゲット市場は、カラーミキシングと信頼性が重要なアンビエント照明、スイッチバックライト、その他の装飾的または機能的な照明アプリケーションを含む車載インテリア照明システムです。

2. 詳細技術パラメータ分析

2.1 測光・光学特性

LEDの性能は、標準試験電流20mA、熱パッド温度25°Cで特性評価されます。代表的な光度値は、赤チップで1120ミリカンデラ（mcd）、緑チップで2800 mcd、青チップで450 mcdです。これらの値は、標準条件下で達成可能なピーク輝度を表します。知覚される色を定義する主波長は、赤が典型的に621nm、緑が527nm、青が467nmです。3色すべてが一貫した広い視野角（2φ）120度を共有し、均一な光分布を保証します。測定公差は、光度で±8%、主波長で±1nmです。

2.2 電気・熱パラメータ

20mA時の順方向電圧（V_F）は、赤が典型的に2.00V、緑が2.75V、青が3.00Vです。最大連続順方向電流（I_F）定格は異なります：赤は50mA、緑と青は両方とも30mAです。この違いは、異なる半導体材料の効率と熱特性の違いに起因します。絶対最大電力損失定格は、赤が137.5mW、緑が105mW、青が112.5mWです。熱管理は重要です。接合部-はんだ付け点間熱抵抗（R_thJS）は、実測値と電気的（計算）値の両方で規定されています。例えば、実熱抵抗は赤で最大52 K/W、緑/青で85 K/Wであり、性能と寿命を維持するための適切なPCB熱設計が必要であることを示しています。

2.3 絶対最大定格と信頼性

本デバイスの動作温度範囲は-40°Cから+110°Cに定格されており、車両内の過酷な環境に適しています。最大許容接合温度は125°Cです。製造時の取り扱いに不可欠な、2kV（人体モデル）定格の静電気放電（ESD）保護機能を備えています。本製品はRoHS、REACH、およびハロゲンフリー規制（Br/Cl < 900ppm、Br+Cl < 1500ppm）に準拠しています。また、腐食に対するある程度の耐性を示す腐食ロバストネスクラスB1を満たし、湿気感受性レベル（MSL）は3です。

3. 性能曲線分析

データシートには、回路設計と性能予測に不可欠ないくつかの主要なグラフが提供されています。

3.1 順方向電流 vs. 順方向電圧 (I-V カーブ)

I-Vカーブは、LEDを流れる電流とその両端の電圧の関係を示します。半導体のバンドギャップが異なるため、各色ごとに異なるカーブを持ちます。赤LEDが最も低い順方向電圧を持ち、次に緑、青の順です。設計者はこのグラフを使用して、所望の電流に対してLEDが規定の電圧範囲内で動作するように、適切な電流制限抵抗または定電流ドライバ設定を選択します。

3.2 相対光度 vs. 順方向電流

このグラフは、光出力が駆動電流とともにどのように変化するかを示しています。一般的に、光度は電流とともに増加しますが、特に加熱による効率低下が起こる高電流時には必ずしも線形ではありません。この情報は、調光回路の設計や特定の輝度レベルの達成に重要です。

3.3 温度依存性グラフ

3つの主要なグラフが、接合温度（T_j）による性能変動を示しています：

1. 相対光度 vs. 接合温度：光出力は一般的に温度が上昇すると減少します。減少率は色によって異なり、温度が制御されない場合、RGBアプリケーションでの色バランスに影響を与えます。

2. 相対順方向電圧 vs. 接合温度：順方向電圧は一般的に温度が上昇すると減少します。この特性は温度センシングに利用できますが、定電圧駆動方式では考慮する必要があります。

3. 主波長シフト vs. 接合温度：発光色の波長は温度とともにわずかにシフトします。シフトは通常小さい（動作範囲で数ナノメートル）ですが、色が重要なアプリケーションでは重要になる可能性があります。

3.4 順方向電流デレーティング曲線

赤用と緑/青用の別々の曲線は、はんだパッド温度（T_S）の関数としての最大許容連続順方向電流を示しています。PCB温度が上昇すると、接合温度が125°Cを超えないようにするために、最大安全電流は減少します。例えば、赤LEDの最大電流は、はんだ付け点温度103°Cで50mAから、110°Cで35mAにデレートします。これらの曲線は、さまざまな周囲温度での実際のアプリケーションにおける信頼性の高い動作を保証するために不可欠です。

3.5 分光分布と指向特性

相対分光分布グラフは、各色について波長スペクトル全体にわたって放出される光の強度を示します。これは、それぞれの主波長でピークを持つLEDの狭帯域性を確認します。典型的な指向特性図（抜粋では完全には詳細化されていません）は、120度の視野角を視覚的に表し、中心（LED表面に対して垂直）から離れた角度で強度がどのように低下するかを示します。

4. ビニング情報

データシートには、ビニング情報専用のセクションが含まれています。LED製造において、ビニングとは、光度（輝度）、順方向電圧（V_F）、主波長（色）などの測定パラメータに基づいてLEDを選別するプロセスです。これは、半導体製造プロセスに内在するわずかなばらつきのために必要です。ビニングテーブル（目次で参照）は、各パラメータビンの特定の範囲またはコードを定義します。設計者にとって、ビニングを理解することは、アンビエントライトストリップなどの単一アセンブリで複数のLEDを使用する際に、色の一貫性と電気的性能のマッチングを確保するために重要です。特性表に記載されている代表値は、期待される分布の中心を表しますが、実際に購入する部品は、注文コードに従って特定のビンに分類されます。

5. 機械的・梱包情報

5.1 機械的寸法

本コンポーネントは5515パッケージフットプリントを使用しており、本体サイズは長さ約5.5mm、幅約1.5mmを示します。詳細な機械図面（セクション7）には、全高、リード間隔、パッドサイズ、公差を含むすべての重要な寸法が規定されています。この図面は、PCBレイアウト設計者がCADソフトウェアで正しいフットプリントを作成するために不可欠です。

5.2 推奨ソルダーパッドレイアウトと極性

セクション8は、PCBの推奨ランドパターン（ソルダーパッド設計）を提供します。推奨されるパッド形状を使用することで、リフロー時の適切なはんだ接合部の形成、良好な機械的強度、およびLEDの熱パッドからPCBへの最適な熱伝達が確保されます。図面はまた、極性またはピン1のマーキングを明確に示しており、赤、緑、青のアノードと共通カソード（RGB LEDに典型的な共通カソード構成を想定）の正しい電気的接続に重要です。

5.3 梱包情報

LEDは、自動ピックアンドプレース実装用にテープおよびリールで供給されます。セクション10では、リール寸法、テープ幅、ポケット間隔、向きを含む梱包仕様を詳細に説明しています。この情報は、実装装置を正しくプログラミングするために必要です。

6. はんだ付け・実装ガイドライン

6.1 リフローはんだ付けプロファイル

セクション9は、推奨リフローはんだ付けプロファイルを規定しています。これは、はんだペーストを溶かし、LEDを損傷することなく信頼性の高い接続を形成するためにPCBアセンブリをどのように加熱すべきかを定義する時間-温度グラフです。主要なパラメータには、予熱勾配、ソーク時間と温度、ピーク温度（絶対最大定格に従い、30秒間260°Cを超えない）、冷却速度が含まれます。このプロファイルに従うことは、歩留まりと長期信頼性にとって極めて重要です。

6.2 使用上の注意

セクション11には、重要な取り扱いおよび使用上の注意事項が記載されています。これらには、以下のような警告が含まれる可能性があります：

- LEDレンズへの機械的ストレスを避けること。

- 2kV定格があるにもかかわらず、取り扱い中の過度の静電気放電（ESD）からデバイスを保護すること。

- 汚染を防ぐために、PCBおよび実装プロセスが清潔であることを確認すること。

- 動作温度に基づく電流デレーティングガイドラインに従うこと。

- 過電流を防ぐために適切な電流制限方法（抵抗またはドライバ）を使用すること。

6.3 耐硫黄性試験基準

セクション12では、硫黄試験基準について言及しています。特定の環境、特に一部の車載インテリアや工業環境では、銀ベースのLEDコンポーネントを腐食する可能性のある硫黄ガスが含まれている場合があります。この試験は、そのような腐食性雰囲気に対するLEDの堅牢性を検証するものであり、車載グレード認定の一部です。

7. アプリケーション提案と設計上の考慮点

7.1 代表的なアプリケーションシナリオ

主要アプリケーション：ドアパネル、フットウェル、ダッシュボードアクセント、センターコンソール向けの車載インテリアアンビエント照明。

二次アプリケーション：ボタン、スイッチ、コントロールパネルのバックライト；車載グレードの信頼性が求められる民生電子機器の装飾照明。

7.2 重要な設計上の考慮点

1. 駆動回路：最適な色の一貫性と輝度制御のため、特にPWM調光には定電流ドライバを使用してください。単純な抵抗による電流制限を使用する場合は、順方向電圧が異なるため、各色チャネルごとに抵抗を個別に計算してください。

2. 熱管理：熱抵抗値は、十分な熱放散を備えたPCB設計を必要とします。LEDの熱パッドの下に、グランドプレーンまたは専用の銅面に接続された熱ビアを使用して熱を放散させてください。

3. カラーミキシングと制御：広い色域（白色を含む）を達成するには、各色チャネルの独立したパルス幅変調（PWM）制御を強く推奨します。異なる光度（赤：1120mcd、緑：2800mcd、青：450mcd）は、所望の白色点または色バランスを達成するために、各チャネルの駆動電流またはPWMデューティサイクルを調整する必要があることを意味します。

4. 光学設計：120°の視野角は、拡散した広域照明に適しています。より集光した光が必要な場合は、二次光学部品（レンズまたは導光板）が必要になります。サイドビューのフォームファクタは、PCB表面と平行に光を放出するように設計されており、エッジライティング導光板に理想的です。

8. 技術比較と差別化

PDFでは他の部品との直接比較は行われていませんが、本コンポーネントの主要な差別化要因は以下のように推測できます：

- 車載認定（AEC-Q102）：これは民生グレードのLEDとの重要な差別化要因であり、温度サイクル、湿度、高温動作、および車載環境に特有のその他のストレッサーに対する厳格な試験が含まれます。

- 高輝度：20mA駆動電流に対して、緑と赤の出力が特に高く、所定の輝度レベルに必要なLEDの数を削減できる可能性があります。

- サイドビューパッケージに統合されたRGB：3色をコンパクトで薄型のパッケージに組み合わせており、スペースに制約のあるバックライトアプリケーションに適しており、3つの別々のLEDを配置する必要がなくなります。

- 耐腐食性・耐硫黄性：過酷な環境に対する特定の基準を満たしており、多くの標準LEDはこれを満たしていません。

9. よくある質問 (技術パラメータに基づく)

Q: このLEDを5V電源で駆動できますか？

A: はい、ただし電流制限抵抗を使用する必要があります。例えば、青LED（V_F代表値 3.0V @20mA）の場合、抵抗値は R = (5V - 3.0V) / 0.020A = 100 オームとなります。堅牢な設計のためには、データシートの最大V_Fを使用してください。

Q: なぜ赤と緑/青で最大電流が異なるのですか？

A: これは、半導体材料の効率と熱特性の違いによるものです。赤チップ（おそらくAlInGaP）は、同じパッケージの熱制約内で、緑/青チップ（おそらくInGaN）よりも高い電流密度を通常扱うことができます。

Q: このRGB LEDで白色光を作るにはどうすればよいですか？

A: 白色光は三原色を混合することで作成されます。異なる光度を持つため、単純に3つすべてを同じ電流で駆動することはできません。特定の白色点（例：D65）に混合するために、各チャネルの相対強度（異なる抵抗値またはPWMデューティサイクルを介して）を調整する必要があります。これにはキャリブレーションが必要です。

Q: MSL 3の意味は何ですか？

A: 湿気感受性レベル3は、梱包されたLEDがはんだ付けされる前に、工場の床環境（≤30°C/60% RH）に最大168時間（7日間）曝露できることを意味します。これを超えると、リフローはんだ付け中にポップコーン現象（パッケージのひび割れ）を引き起こす可能性のある吸収湿気を除去するためにベーキングが必要です。

10. 実践的設計ケーススタディ

シナリオ：10個の5515-RGB020AH-AM LEDを使用した車載ドアパネルアンビエントライトストリップの設計。

手順：

1. PCBレイアウト：推奨パッドレイアウトでLEDを配置します。熱パッドを、内部グランドプレーンへの複数の熱ビアを持つ大きな銅面に接続して放熱します。3つのアノードと共通カソードのトレースが適切なサイズであることを確認します。

2. 駆動回路：車載用途向けに設計された3チャネル定電流LEDドライバICを選択します。ドライバの電流制限を、LEDあたり各チャネル20mAに設定します。10個のLEDが各チャネルで並列接続されているため、ドライバは色チャネルごとに200mAを供給する必要があります。または、より良い電流マッチングのためにLEDを直列配線することもできますが、より高い電源電圧が必要になります。

3. 熱解析：最悪ケースの電力損失を計算します：(10 LED * (赤用 2.0V*0.02A)) + (10*(緑用 2.75V*0.02A)) + (10*(青用 3.0V*0.02A)) = 0.4W + 0.55W + 0.6W = 合計 1.55W。熱抵抗を使用して温度上昇を推定し、予想される車室内周囲温度（例：85°C）に対してデレーティング曲線の制限内に収まることを確認します。

4. 色制御：マイクロコントローラを使用して、ドライバICの調光入力用のPWM信号を生成します。所望の色（例：ブランド固有のアンビエントカラー）を生成するためのルックアップテーブルをプログラムします。最終アセンブリで、赤、緑、青のPWM比率をキャリブレーションして、ビニングのばらつきを考慮し、すべてのドアで一貫した白色光を達成します。

11. 動作原理の紹介

LED（発光ダイオード）は、電流が流れると光を発する半導体デバイスです。この現象はエレクトロルミネセンスと呼ばれます。5515-RGB020AH-AMは、1つのパッケージ内に3つの独立した半導体チップ（ダイ）を含んでいます：

- 赤チップは、通常、アルミニウムインジウムガリウムリン（AlInGaP）材料で作られています。

- 緑および青チップは、通常、インジウムガリウムナイトライド（InGaN）材料で作られています。

各チップにはp-n接合があります。チップの特性しきい値を超える順方向電圧が印加されると、電子と正孔が接合部で再結合し、光子（光）の形でエネルギーを放出します。光の特定の波長（色）は、半導体材料のバンドギャップエネルギーによって決まります。光はその後、機械的保護を提供し、ビーム（120°角）を形成する成形エポキシレンズを通して放出されます。3つのチップは、外部回路を簡素化するために共通カソード接続を共有しています。

12. 技術トレンド

5515-RGB020AH-AMのようなLEDの開発は、業界におけるいくつかの明確なトレンドによって推進されています：

1. 統合と小型化の進展：光出力を維持または増加させながら、複数の色（RGB、RGBW）をますます小さなパッケージに組み合わせること。

2. 高効率化（ルーメン毎ワット）：半導体エピタキシーとチップ設計の継続的な改善により、同じ電力入力に対してより多くの光出力が得られ、電力消費と熱負荷が削減されます。

3. 信頼性と堅牢性の向上：車載、産業、屋外アプリケーションに対するより厳格な基準が、材料（例：より堅牢なレンズ、耐食性仕上げ）とパッケージングの改善を推進し、より高い温度、湿度、温度サイクルに耐えられるようにしています。

4. 色品質と一貫性の向上：より厳しいビニング公差と、高級照明のための高演色評価数（CRI）要件を満たす特定の分光特性を持つLEDの開発。

5. スマートおよびコネクテッド照明：LEDは、単純なアナログ調光を超えて、動的でアドレス可能な色制御のために、統合ドライバや通信インターフェース（車載ではI2CやLINなど）と組み合わせるように設計されることが増えています。