SMD5050 RGB フルカラーLED データシート - 外形寸法 5.0x5.0x1.6mm - 順電圧 2.2-3.4V - 消費電力 0.846W - 技術文書

1. 製品概要

SMD5050-RGBは、鮮やかなカラーミキシングと信頼性の高い動作を必要とするアプリケーション向けに設計された、高性能な表面実装型フルカラーLEDです。このデバイスは、赤、緑、青のLEDチップを単一の5.0mm x 5.0mmパッケージ内に集積しており、パルス幅変調 (PWM) またはアナログ電流制御により広範な色スペクトルを生成することが可能です。主な用途としては、装飾照明、建築アクセント照明、ディスプレイのバックライト、看板、およびダイナミックなカラー効果が求められる民生電子機器などが挙げられます。

このLEDの中核的な利点は、3つの異なる発光体を収めたコンパクトなフォームファクタにあり、3つの個別のディスクリートLEDを使用する場合と比較して、PCB設計と実装を簡素化します。典型的な広視野角120度を提供し、様々な視点から良好な色均一性と視認性を確保します。本パッケージは、リフローはんだ付けを含む標準的なSMT (表面実装技術) 組立プロセスとの互換性を考慮して設計されています。

2. 技術パラメータと仕様

2.1 絶対最大定格 (Ta=25°C)

以下のパラメータは、デバイスに永久的な損傷が発生する可能性のある応力限界を定義します。これらの限界値以下または限界値での動作は保証されません。

• 順電流 (IF):90 mA (連続)
• 順パルス電流 (IFP):120 mA (パルス幅 ≤10ms, デューティサイクル ≤1/10)
• 消費電力 (PD):846 mW
• 動作温度 (Topr):-40°C ～ +80°C
• 保存温度 (Tstg):-40°C ～ +80°C
• 接合部温度 (Tj):125°C
• はんだ付け温度 (Tsld):200°C または 230°C、10秒間 (リフロープロファイル)

2.2 電気・光学特性 (Ta=25°C)

これらのパラメータは、標準試験条件下での典型的な性能を定義します。

• 順電圧 (赤, VF_R):標準 2.2V, 最大 2.6V (IF=60mA時)
• 順電圧 (緑, VF_G):標準 3.2V, 最大 3.4V (IF=60mA時)
• 順電圧 (青, VF_B):標準 3.2V, 最大 3.4V (IF=60mA時)
• 逆電圧 (VR):5 V
• 逆電流 (IR):最大 10 µA
• 視野角 (2θ1/2):120度

2.3 波長ビニング

LEDは、アプリケーション内での色の一貫性を確保するために、特定の波長ビンに分類されます。主な波長ビンは以下の通りです:

• 赤 (R):R1 (620-625nm), R2 (625-630nm)
• 緑 (G):G5 (519-522.5nm), G6 (522.5-526nm), G7 (526-530nm)
• 青 (B):B1 (445-450nm), B2 (450-455nm), B3 (455-460nm), B4 (460-465nm)

このビニングにより、設計者は特定の色度座標を要求するアプリケーションや、複数ユニット間での厳密な色合わせのために、精密な色度座標を持つLEDを選択することができます。

3. 性能曲線と分析

3.1 順電流対順電圧 (I-V曲線)

I-V特性はドライバ設計の基礎となります。赤色LEDチップは、緑色および青色チップ (標準 ~3.2V) と比較して低い順電圧 (標準 ~2.2V) を示します。これは、使用される異なる半導体材料 (例: 赤色はAlInGaP、緑/青色はInGaN) に起因するものです。この差異は、バランスの取れた輝度と適切なカラーミキシングを実現するために、各色ごとに独立した電流制限抵抗または独立した定電流チャネルを設けるなど、慎重な回路設計を必要とします。曲線は、ダイオードの典型的な動作である急峻なターンオンを示しています。

3.2 相対分光出力対接合部温度

LEDの分光出力は、接合部温度の変化に伴ってシフトします。一般的に、接合部温度が上昇すると、InGaNベースのLED (緑/青) の主波長は長波長側 (赤方偏移) にシフトする傾向があり、光出力は減少します。AlInGaPベースの赤色LEDでは、波長もシフトし、効率が低下する可能性があります。このグラフは、周囲温度が変化する環境で動作するアプリケーションや、熱管理が困難な場合に、知覚される色と光出力に影響を与えるため、非常に重要です。安定した色性能を維持するためには、適切な放熱と熱設計が不可欠です。

4. 機械的仕様とパッケージ情報

4.1 外形寸法と外形図

パッケージ寸法は、5.0mm (長さ) x 5.0mm (幅) x 1.6mm (高さ) です。図面には重要な公差が含まれています: .X寸法の公差は±0.10mm、.XX寸法の公差は±0.05mmです。LEDは6つの端子 (3色チップそれぞれのアノードとカソード) を備えています。

4.2 推奨フットプリントとステンシル設計

リフロー工程での信頼性の高いはんだ接合部形成を確保するために、推奨されるPCBランドパターン (フットプリント) およびはんだペーストステンシル設計が提供されています。フットプリントには、良好なはんだ濡れと機械的安定性を促進するためのサーマルリリーフパターンと適切なパッドサイズが含まれています。この推奨レイアウトに従うことで、トゥームストーニング、位置ずれ、はんだ接合部の不具合を防ぐことができます。

5. 実装、取り扱い、およびアプリケーションガイドライン

5.1 湿気感受性とベーキング

SMD5050パッケージは湿気感受性があります (IPC/JEDEC J-STD-020Cに基づくMSL分類)。元の防湿バッグが開封され、部品が規定限界を超える周囲湿度にさらされた場合、吸収された湿気がリフローはんだ付け中に気化し、内部の剥離やクラック ("ポップコーン現象") を引き起こす可能性があります。

• 保管:未開封のバッグは<30°C/<85% RHで保管してください。開封後は<30°C/<60% RHで保管し、12時間以内に使用してください。
• ベーキング:暴露が限界を超えた場合、または湿度指示カードが高湿度を示している場合は、はんだ付け前に60°Cで24時間ベーキングしてください。60°Cを超えないでください。ベーキング後1時間以内に使用するか、乾燥キャビネット (<20% RH) に保管してください。

5.2 静電気放電 (ESD) 保護

LEDはESD損傷を受けやすい半導体デバイスであり、特に緑、青、白色 (ここでは該当しません) の種類が該当します。ESDは即時故障 (致命的) または潜在的な損傷を引き起こし、寿命の短縮や性能劣化につながる可能性があります。

• 予防措置:完全なESD対策プログラムを実施してください: 接地されたリストストラップ、帯電防止マット、イオナイザー、導電性床材を使用します。LEDはESD保護された作業台でのみ取り扱ってください。
• 包装:輸送および保管には導電性または帯電防止性の材料を使用してください。

5.3 回路設計の推奨事項

適切な駆動回路は、性能と寿命にとって極めて重要です。

• 電流制限:各色チャネルには常に直列の電流制限抵抗を使用してください。これにより、電源電圧や個々のLED間の順電圧 (Vf) の変動に対して電流が安定します。
• ドライバタイプ:最適な安定性と熱暴走防止のため、定電圧ドライバよりも定電流ドライバの使用を強く推奨します。
• 接続極性:電源投入前にアノード/カソードの極性を確認してください。逆接続はLEDを損傷する可能性があります。
• 電源投入順序:接続時は、まずドライバ出力をLEDに接続し、その後ドライバに入力電源を投入して、電圧トランジェントを回避してください。

データシートには、2つの回路構成が示されています: 1つは並列ストリングごとに1つの抵抗を使用するもの (Vfが異なる場合の電流不均衡のため理想的ではありません) と、各LEDに個別の抵抗を使用するもの (より良い電流制御のため推奨) です。

5.4 取り扱い上の注意

素手でLEDレンズを直接取り扱わないでください。皮脂がシリコーン製レンズを汚染し、光学性能の劣化や光出力の低下を引き起こす可能性があります。部品取り扱い用の真空ピックアップツールまたは清潔なピンセットを使用してください。ピンセットによる過度の機械的力は、パッケージ内部のワイヤーボンドや半導体ダイを損傷する可能性があります。

6. 発注情報と型番体系

本製品は特定の部品番号コーディングシステムに従っています: T5A003FA。各セグメントの完全なデコード詳細は文書内に提供されています (フラックスコード、色温度、内部コード、チップ数、レンズコード、パッケージ外形を含む) が、主要な識別子 "5050" はパッケージサイズを確認し、"RGB" または "F" はフルカラー (赤、緑、青) タイプを示します。

7. アプリケーションノートと設計上の考慮点

7.1 熱管理

最大接合部温度は125°Cですが、より低温で動作させることで寿命を大幅に延長し、色の安定性を維持できます。PCBに十分な銅面積を確保して放熱を図ってください。高出力または高密度アレイの場合は、金属基板PCB (MCPCB) の使用やアクティブ冷却を検討してください。

7.2 カラーミキシングと制御

特定の白色点や彩度の高い色を実現するには、赤、緑、青の各チャネル間の電流比を精密に制御する必要があります。これは通常、PWM調光によって行われます。PWM調光は、LEDの最適な順電圧と色特性を維持するため、アナログ調光よりも色制御に効果的です。異なる順電圧は、共通の電源と抵抗を使用する場合、各色に対して独立したドライバチャネルまたは慎重に計算された抵抗値を必要とします。

7.3 光学設計

120度の視野角は、広くランバート型に近い発光パターンを提供します。指向性のある光を必要とするアプリケーションでは、LEDの上にレンズやリフレクターなどの二次光学部品を取り付けることができます。シリコーン製レンズ材料は比較的柔らかいため、組立時に傷つけないように注意が必要です。

8. 比較と差別化

3つの個別のSMD LED (例: 3528パッケージ) を使用する場合と比較して、統合型SMD5050 RGBはよりコンパクトなソリューションを提供し、ピックアンドプレース組立を簡素化 (1部品対3部品) し、3色の発光点の空間的な位置合わせを精密に確保します。これは、短距離での良好なカラーミキシングに不可欠です。従来のRGB LEDパッケージと比較して、5050はより大きなフットプリントにより、しばしばより高い光出力と優れた熱性能を提供します。

9. よくある質問 (FAQ)

9.1 3色すべてを1つの抵抗で並列駆動できますか？

いいえ、これは推奨されません。赤、緑、青のチップの順電圧 (Vf) は異なります。これらを1つの抵抗で並列接続すると、深刻な電流不均衡が発生し、ほとんどの電流が最も低いVf (通常は赤) のチャネルに流れ、色が不正確になり、一部のチップで過電流が発生する可能性があります。

9.2 ベーキングはなぜ必要ですか？高温で短時間ベーキングしてもよいですか？

ベーキングは吸収された湿気を除去し、リフロー中の損傷を防ぎます。60°Cを超えないでください。より高い温度は、内部材料 (シリコーン、蛍光体 (存在する場合)、接着剤) およびテープアンドリール包装自体を劣化させる可能性があります。

9.3 このLEDの典型的な寿命はどのくらいですか？

LEDの寿命 (多くの場合、初期光束の70%に低下するまでの時間として定義されるL70) は、動作条件、主に駆動電流と接合部温度に大きく依存します。推奨電流 (チップあたり60mA) 以下で動作させ、良好な熱設計により低い接合部温度を維持することで、数万時間の動作が可能になります。

10. 実用的なアプリケーション例

シナリオ: カラー変化LEDストリップの設計

1. レイアウト:複数のSMD5050 RGB LEDが、定義されたピッチ (例: 30 LED/メートル) でフレキシブルPCBストリップ上に配置されます。
2. 回路:各LEDのR、G、Bアノードは、ストリップ上の個別の電流制限抵抗を介して共通の電源レール (Vcc_R、Vcc_G、Vcc_B) に接続されます。カソードは、マイクロコントローラーによって制御されるNチャネルMOSFETのドレインに接続されます。
3. 制御:マイクロコントローラーは、各LEDグループ (アドレス可能ストリップ (WS2812Bなど) では、コントローラーチップが統合された3-LEDセグメントにグループ化されることが多い) の各色チャネルに対してPWM信号を生成します。これにより、各セグメントの色と輝度を独立して制御できます。
4. 電源:5Vまたは12Vの定電圧電源が使用されます。電圧と抵抗値は、ストリップに沿った電圧降下を考慮して、チップあたり所望の60mAを供給するように選択されます。
5. 組立:ストリップは、湿気感受性とESDガイドラインに従ってSMTプロセスを使用して組立されます。はんだ付け後、防水のためにシリコーンコーティングが施されることがよくあります。

11. 動作原理

LEDは半導体p-n接合ダイオードです。ダイオードの閾値を超える順方向電圧が印加されると、n型領域からの電子が活性層内でp型領域からの正孔と再結合します。この再結合により、エネルギーが光子 (光) の形で放出されます。放出される光の特定の波長 (色) は、活性領域で使用される半導体材料のバンドギャップエネルギーによって決定されます。SMD5050 RGBは、異なる材料系 (例: 赤色用AlInGaP、緑/青色用InGaN) で作られた3つのそのような接合を1つのパッケージに集積しています。各チップからの光は外部で混合され、知覚される色を生成します。

12. 技術トレンド

RGB LEDの一般的なトレンドは、より高い効率 (ワットあたりのルーメン数の向上)、改善された演色性 (より広い色域)、およびより高い信頼性に向かっています。また、大量生産における一貫性を確保するために、色と光束のビニングをより厳密にする動きもあります。制御電子機器との統合 (例: 内蔵ICを備えたスマートLEDまたはアドレス可能LEDの作成) はますます一般的になりつつあり、ダイナミック照明アプリケーションのシステム設計を簡素化しています。さらに、パッケージ材料の進歩は、より優れた熱性能と、湿度や紫外線暴露などの環境要因に対する長期的な耐性を提供することを目指しています。