内蔵IC搭載SMD RGB LED - 5.0x5.0x1.6mm - 4.2-5.5V - 358mW - 白色拡散レンズ - 日本語データシート

1. 製品概要

本資料は、赤、緑、青（RGB）の半導体チップと専用駆動集積回路（IC）を単一のコンパクトなパッケージ内に統合した表面実装デバイス（SMD）LED部品の仕様を詳細に説明します。この統合ソリューションは、設計者が定電流アプリケーションを簡素化できるように設計されており、各色チャネルごとに外部の電流制限抵抗や複雑な駆動回路を必要としません。デバイスは白色拡散レンズパッケージに収められており、個々のカラーチップからの光を混ぜ合わせて、より均一で拡散した色出力を実現し、インジケータや装飾照明アプリケーションに適しています。

1.1 中核的利点とターゲット市場

この部品の主な利点は、その高い統合度です。8ビット定電流PWM（パルス幅変調）駆動ICを内蔵することで、各RGB色の輝度を256の異なる段階で精密にデジタル制御し、1670万色以上の色の組み合わせを作り出すことが可能です。シングルワイヤーカスケードデータ伝送プロトコルにより、複数のユニットをデイジーチェーン接続し、単一のマイクロコントローラピンから制御できるため、マルチLEDアプリケーションにおける配線の複雑さとコントローラのI/O要件を大幅に削減します。

これにより、この部品は、マルチカラーまたはフルカラーの照明効果を必要とする、スペースに制約がありコストに敏感なアプリケーションに特に適しています。そのターゲット市場には、民生用電子機器やネットワーク機器のステータスインジケータ、フロントパネルのバックライト、装飾用LEDテープ、フルカラーモジュール、屋内LEDビデオディスプレイやサインボードの要素などが含まれますが、これらに限定されません。本パッケージは、自動実装機および標準的な赤外線（IR）リフローはんだ付けプロセスに対応しており、大量生産を容易にします。

2. 技術パラメータ：詳細な客観的解釈

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応力限界を定義します。これらの限界以下または限界での動作は保証されません。

• 消費電力（P_D)）： 358 mW。これはパッケージが熱として放散できる最大総電力です。この限界を超えると、内部ICおよびLEDチップの過熱のリスクがあります。
• 電源電圧範囲（V_DD)）： +4.2V ～ +5.5V。内蔵ICは公称5Vロジック電源用に設計されています。この範囲外の電圧を印加すると、制御回路を損傷する可能性があります。
• 総順方向電流（I_F)）： 65 mA。これは、赤、緑、青の各チャネルを合計した最大電流値です。
• 動作温度（T_a)）： -40°C ～ +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）： -40°C ～ +100°C。デバイスは、このより広い範囲内で電源を印加せずに保管することができます。

2.2 光学特性

周囲温度（T_a）25°C、電源電圧（V_DD）5V、全色チャネルを最大輝度（データ = 8'b11111111）に設定した状態で測定。

• 光度（I_V):
  • 赤（AlInGaP）： 600 - 1200 mcd（代表値）
  • 緑（InGaN）： 1100 - 2200 mcd（代表値）
  • 青（InGaN）： 270 - 540 mcd（代表値）
  緑チップは通常最も高い出力を示し、次に赤、青の順となります。この不均衡はRGB LEDでは一般的であり、所望の白色点や特定の色相を実現するためのカラーミキシングアルゴリズムで考慮する必要があります。
• 指向角（2θ_1/2)）： 120度。この広い指向角（軸上強度の半分に低下する角度として定義）は白色拡散レンズの特徴であり、エリア照明に適した広く柔らかい光放射パターンを提供します。
• 主波長（λ_d):
  • 赤： 615 - 630 nm
  • 緑： 515 - 530 nm
  • 青： 455 - 470 nm
  これらの範囲は、各チップが発する光の主色を定義します。特定のユニットにおけるこれらの範囲内の具体的なビン（選別区分）が、その正確な色度座標を決定します。

2.3 電気的特性

全動作温度範囲（-40°C ～ +85°C）および電源電圧範囲（4.2V ～ 5.5V）にわたって規定。

• IC出力電流（チャネルあたり）（I_F)）： 20 mA（代表値）。内蔵駆動ICは、個々の赤、緑、青LEDチップに供給される電流をこの定数値に調整し、順方向電圧の変動に関わらず安定した輝度と色の一貫性を確保します。
• 入力ロジックレベル:
  • ハイレベル入力電圧（V_IH）： 最小2.7V ～ V_DD。3.3Vおよび5Vマイクロコントローラ出力と互換性があります。
  • ローレベル入力電圧（V_IL）： 0V ～ 最大1.0V。
• IC静止時電流（I_DD)）： 1.5 mA（代表値）。これは、すべてのLED出力がオフ（すべてのデータビットが'0'）のときに、内蔵駆動IC自体が消費する電流です。

3. ビニングシステムの説明

3.1 CIE色度座標ビニング

本資料は、CIE 1931 (x, y) 色度座標に基づくカラービン表を提供します。各LEDからの発光はテストされ、特定のビン（例：A1, A2, A3, B1, B2, B3, C1, C2, C3）に分類されます。各ビンは、色度図上の四角形の領域で定義され、4つの(x, y)座標点で指定されます。ビン内への配置許容差は、x座標およびy座標ともに+/- 0.01です。このビニングにより、異なる製造ロット間での色の一貫性が確保されます。設計者は発注時にビンコードを指定することで、アプリケーション内でより厳密な色合わせを実現でき、色の均一性が最も重要となるディスプレイやマルチLED設置において重要です。

4. 性能曲線分析

4.1 相対強度 vs. 波長（スペクトル分布）

提供されているグラフ（図1）は、赤、緑、青チップの相対スペクトルパワー分布を示しています。各曲線は、その主波長範囲に対応する明確なピークを示しています。赤曲線は約625nm、緑曲線は約525nm、青曲線は約465nmを中心としています。これらのピークの幅（半値全幅）は色純度に影響を与えます。一般的に、狭いピークはより飽和した色を生み出します。緑と赤のスペクトル間の重なりは最小限であり、広い色域を実現するのに有利です。

4.2 順方向電流 vs. 周囲温度デレーティング曲線

グラフ（図2）は、最大許容総順方向電流（I_F）と周囲動作温度（T_A）の関係を示しています。温度が上昇すると、最大許容電流は直線的に減少します。このデレーティングは、LEDチップおよび駆動ICの接合温度が安全限界を超えないようにするために必要であり、それを超えると劣化が加速し寿命が短くなります。最大動作温度85°Cでは、許容総電流は25°Cで規定された65mAの絶対最大定格よりも大幅に低くなります。信頼性の高い熱設計には、この曲線を参照する必要があります。

4.3 空間分布（光度パターン）

極座標図（図3）は、正規化された相対光度を指向角の関数としてマッピングしています。このプロットは120度の指向角を確認し、拡散レンズに典型的な滑らかでほぼランバート分布に近い分布を示しています。強度は0度（軸上）で最も高く、軸から+/-60度でピーク値の50%に対称的に減少します。

5. 機械的およびパッケージ情報

5.1 パッケージ寸法と構成

部品は、全長約5.0mm、全幅約5.0mm、高さ約1.6mm（公差±0.2mm）の表面実装パッケージに収められています。パッケージは白色の拡散プラスチックレンズを備えています。ピン構成は4つのパッドで構成されます：

1. VSS： グランド（0V基準）。
2. DIN： 制御データ信号入力。この特定のLED用のシリアルデータストリームを受信します。
3. DOUT： 制御データ信号出力。受信したデータストリームを、デイジーチェーン内の次のLEDのDINピンに転送します。
4. VDD： DC電源入力（+4.2V ～ +5.5V）。

5.2 推奨PCB実装パッドレイアウト

プリント回路基板（PCB）設計をガイドするランドパターン図が提供されています。これらの推奨パッド寸法と間隔を遵守することで、リフロー時の適切なはんだ接合部の形成、信頼性の高い電気的接続、および十分な機械的強度が確保されます。設計には通常、サーマルリリーフ接続と適切なソルダーマスク開口部が含まれます。

6. はんだ付けおよび組立ガイドライン

6.1 IRリフローはんだ付けプロファイル

無鉛はんだ付けプロセス用のJ-STD-020B規格に準拠した、推奨赤外線（IR）リフロープロファイルが提供されています。プロファイルグラフは、プリヒート、ソーク、リフロー最高温度、冷却速度などの主要パラメータを示しています。最高温度は通常、プラスチックパッケージの損傷や内部応力を避けるために、部品の最大保存温度（100°C）を大幅に超えてはならず、かつ指定時間を超えてはなりません。このプロファイルに従うことは、LEDおよび内蔵ICに熱衝撃を与えることなく、信頼性の高いはんだ接合部を実現するために重要です。

6.2 洗浄

はんだ付け後の洗浄が必要な場合、部品を室温のエチルアルコールまたはイソプロピルアルコールに1分未満浸漬することができます。指定されていないまたは強力な化学洗浄剤の使用は、プラスチックレンズやパッケージ材料を損傷する可能性があるため禁止されています。

7. 梱包および発注情報

7.1 テープ＆リール仕様

部品は、エンボス加工されたキャリアテープに保護カバーテープを貼った状態で、直径7インチ（178mm）のリールに巻かれて供給されます。テープ幅は12mmです。標準梱包数量はリールあたり1000個で、部分リールの最小発注数量は500個です。自動組立装置のフィーダーとの互換性を確保するために、テープポケットおよびリールの詳細寸法が提供されています。

8. アプリケーション提案

8.1 典型的なアプリケーションシナリオ

• ステータスおよびインジケータ照明： 通信、ネットワーク、産業機器におけるマルチカラーステータスインジケータ。
• 装飾および建築照明： 民生製品におけるLEDテープ、ムード照明、カラーチェンジングアクセント。
• バックライト： 動的なカラー効果を伴うフロントパネルまたはロゴバックライト。
• フルカラーディスプレイ： 低解像度の屋内フルカラーLEDディスプレイ、メッセージボード、またはソフトライトパネルにおける個々の画素として。

8.2 設計上の考慮事項

• 電源： 使用するLEDの数に十分な電流容量を持つ、クリーンで安定化された5V電源を確保してください。多くのLEDが同時に電源オンする際の突入電流を考慮してください。
• データ信号の完全性： 長いデイジーチェーンや高いデータレートの場合、マイクロコントローラが3.3Vで動作する場合は、V_IHの最小値が2.7Vであるため、信号バッファリングやレベルシフトを検討してください。
• 熱管理： 電流デレーティング曲線（図2）を遵守してください。特に高輝度または高周囲温度のアプリケーションでは、LEDパッドの下および周囲に十分な銅面積をPCB上に設けてヒートシンクとして機能させてください。
• カラーミキシング： ソフトウェアまたはファームウェアは、正確なカラーミキシングとニュートラルな白色点を実現するために、R、G、Bチャネルの異なる光度（セクション2.2の代表値に従って）を考慮する必要があります。

9. 技術比較と差別化

この部品と標準的なディスクリートRGB LEDとの主な差別化要因は、デジタルPWM制御を備えた統合定電流駆動器です。ディスクリートRGB LEDは、3つの独立した電流制限抵抗（またはより複雑な定電流シンク）と、制御用の3つのマイクロコントローラPWMチャネルを必要とします。この統合ソリューションは、駆動回路を統合し、PCB上の部品点数を削減し、ファームウェアを簡素化（複数のPWMタイマーの代わりにシリアルプロトコルを使用）し、スケーラブルな設置のための容易なデイジーチェーン接続を可能にします。トレードオフは、わずかに高いユニットコストと固定の電流設定（通常20mA）です。

10. よくある質問（技術パラメータに基づく）

10.1 これらのLEDをいくつまでデイジーチェーン接続できますか？

理論的には、各LEDがデータ信号を再生・再送信するため、非常に多数接続可能です。実用的な制限は、所望のリフレッシュレートとデータ信号の完全性によって決まります。N個のLEDの総データ伝送時間は、N * 24ビット * (1.2 µs ± 300ns) にリセットパルスを加えたものです。30 fpsのリフレッシュの場合、これは数百個のLEDに制限されます。長いチェーンでの信号劣化には、定期的な信号ブースティングが必要になる場合があります。

10.2 3.3VマイクロコントローラでこのLEDを駆動できますか？

はい、最小2.7Vの入力ハイ電圧（V_IH）仕様は、3.3Vロジックハイ出力（約3.3V）と互換性があります。マイクロコントローラのGPIOピンがDIN入力に十分な電流を供給/吸収できることを確認してください。電源（V_DD）は依然として4.2Vから5.5Vの間である必要があります。

10.3 各チャネルが20mAなのに、最大総電流が65mAなのはなぜですか？

チャネルあたり20mAは、内部駆動器によって設定された代表的な動作電流です。65mAの絶対最大定格は、全3つのLEDと駆動ICが最大輝度で同時に動作する際に発生する総合的な熱を考慮した、パッケージ全体の応力限界です。デレーティング曲線（図2）は、高温では安全動作電流が65mAよりもはるかに低くなることを示しています。

11. 実用的な使用例

シナリオ： 16個のLEDを使用したカラーチェンジ装飾用ライトリングの設計。LEDは円形に配置され、デイジーチェーン接続されます。単一の5V、1A電源で十分です（16 LED * 約1.5mA IC静止時電流 + 16 LED * 3チャネル * 20mA最大 * デューティサイクル）。マイクロコントローラ（例：ArduinoやESP32）は、最初のLEDのDINに接続された1つのGPIOピンのみを必要とします。ファームウェアは、16個すべてのLEDの24ビットカラー値（R、G、Bそれぞれ8ビット）を含むデータストリームを作成し、その後にリセットパルスを送信します。このストリームを連続的に送信してアニメーションを作成します。白色拡散レンズにより、個々のLEDの点が滑らかな光のリングに溶け込みます。

12. 動作原理の紹介

このデバイスは、デジタルシリアル通信の原理で動作します。内蔵ICには、各色チャネル用のシフトレジスタとラッチが含まれています。シリアルデータストリームは、DINピンを介してICにクロック入力されます。各データビットは、1.2µsの固定期間内のハイパルスのタイミングによって表されます。'0'ビットは短いハイパルス（約300ns）、'1'ビットは長いハイパルス（約900ns）です。最初に受信した24ビットは、緑、赤、青の8ビット輝度値（通常この順序、GRB）に対応します。24ビットを受信した後、ICはその後のすべてのビットをDOUTピンから再送信し、データをカスケードさせます。DIN上の250µs以上続くローレベル信号（RESET）により、チェーン内のすべてのICが受信したデータを出力ドライバにラッチし、LEDの輝度を同時に更新します。

13. 技術トレンド

駆動ICをLEDパッケージに直接統合することは、LED部品設計における重要なトレンドであり、スマートLEDソリューションに向かっています。このトレンドは、システムの複雑さを軽減し、外部接続を最小限にすることで信頼性を向上させ、より高度な制御（個別アドレス指定など）を可能にします。将来の開発には、より高い統合度（マイクロコントローラや無線コントローラの組み込み）、オンチップキャリブレーションによる色の一貫性の向上、より細かい色制御のための高PWM分解能（10ビット、12ビット、16ビット）、より堅牢な大規模設置のための高いデータレートと誤り訂正を備えた強化された通信プロトコルが含まれる可能性があります。