IR42-21C/TR8 1.8mm 円形超小型赤外線LED データシート - 直径1.8mm - 電圧1.2V - 電力130mW - ウォータークリアレンズ - 日本語技術文書

1. 製品概要

IR42-21C/TR8は、コンパクトな光電アプリケーション向けに設計された超小型表面実装型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直径1.8mmの円形パッケージを採用し、光出力を最適化しています。本デバイスは、シリコンフォトダイオードおよびフォトトランジスタとスペクトル的に整合するガリウムアルミニウム砒素（GaAlAs）チップ材料を利用しており、センサーシステムにおける効率的な検出を保証します。その主な設計目標は、小型化、自動組立プロセスとの互換性、および様々な民生・産業用電子デバイスにおける信頼性の高い性能です。

1.1 中核的利点とターゲット市場

このLEDは、設計者にいくつかの重要な利点を提供します。低い順方向電圧（標準1.2V）は、省エネ動作に貢献します。部品は、鉛フリー（Pbフリー）、RoHS、EU REACH、およびハロゲンフリー規制（Br<900ppm、Cl<900ppm、Br+Cl<1500ppm）に完全準拠しており、厳しい環境基準を持つグローバル市場に適しています。赤外線および気相リフローはんだ付けプロセスの両方と互換性があり、大量の自動PCB組立を容易にします。主なターゲット市場には、コンパクト赤外線センサー、自動化用小型光電スイッチ、フロッピーディスクドライブ（レガシーまたは特殊システム向け）、汎用光電スイッチ、および不可視IR光源が必要な煙感知システムのメーカーが含まれます。

2. 詳細な技術パラメータ分析

IR42-21C/TR8の性能は、標準環境温度（Ta）25°Cで測定された絶対最大定格と電気光学特性のセットによって定義されます。これらのパラメータを理解することは、信頼性の高い回路設計と、LEDが安全動作領域（SOA）内で動作することを保証するために極めて重要です。

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。一瞬たりとも超えてはなりません。連続順方向電流（IF）は65 mAで定格されています。最大許容逆電圧（VR）は5 Vです。デバイスは、動作環境温度範囲（Topr）-25°C から +85°C 内で動作し、保存温度（Tstg）-40°C から +85°C の間で保管できます。リフロー工程中のはんだ付け温度（Tsol）は、5秒以下の間、260°Cを超えてはなりません。自由空気温度25°C以下の総消費電力（Pd）は130 mWです。これらの限界のいずれかを超えると、致命的な故障または加速劣化のリスクがあります。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは、通常、順方向電流（IF）20 mAで測定され、デバイスの機能性能を定義します。単位立体角あたりの放射光パワーを測定する放射強度（Ie）は、最小値1.0 mW/sr、標準値3.0 mW/srです。ピーク波長（λp）は標準940 nmで、シリコンベースの検出器に理想的な近赤外スペクトルに確実に位置します。スペクトル帯域幅（Δλ）は標準45 nmで、放射される波長の範囲を定義します。順方向電圧（VF）は、20 mA時で標準値1.2 V、最大値1.5 Vです。逆電流（IR）は、5 Vの逆バイアスが印加された場合、最大10 µAです。放射強度がピーク値の半分に低下する全角として定義される指向角（2θ1/2）は標準30度で、適度に集束されたビームを提供します。

3. 性能曲線分析

データシートには、主要パラメータが動作条件とともにどのように変化するかを示すいくつかの特性曲線が提供されています。これらのグラフは、25°Cでの単一点仕様を超えた実世界の動作を理解するために不可欠です。

3.1 順方向電流 vs. 環境温度

この曲線は、許容連続順方向電流と環境温度との関係を示しています。環境温度が上昇すると、最大許容順方向電流は直線的に減少します。このデレーティングは、接合温度がその限界（消費電力定格に関連）を超えないようにするために必要です。設計者は、アプリケーションの最大予想環境温度に対して適切な動作電流を選択するためにこのグラフを使用しなければなりません。

3.2 スペクトル分布

スペクトル分布曲線は、相対放射強度を波長に対してプロットします。これは、940 nmのピーク波長と約45 nmのスペクトル帯域幅を視覚的に確認します。曲線は非対称であり、これはLEDの発光スペクトルでは典型的です。この情報は、フォト検出器の感度曲線との特定のスペクトル整合を必要とするアプリケーションにとって極めて重要です。

3.3 順方向電流 vs. 順方向電圧

このIV（電流-電圧）特性曲線は、すべてのダイオードと同様に非線形です。これは、ニー電圧を超えた順方向電圧のわずかな増加が、順方向電流の大きな指数関数的増加をもたらすことを示しています。これは、過電流によるLEDの熱暴走と破壊を防ぐために、直列電流制限抵抗または定電流ドライバを使用することが極めて重要であることを強調しています。

3.4 相対放射強度 vs. 角度変位

この極座標プロットは、LEDの空間放射パターンを図示します。強度は、0度（軸上）での最大値に対して正規化されています。曲線は、観測角度が増加するにつれて強度がどのように低下するかを示し、強度がピークの50%となる30度の指向角を定義します。このドーム形状のパッケージでは、パターンは一般的にランバート（余弦）的であり、検出器での照度計算に有用です。

4. 機械的およびパッケージ情報

4.1 パッケージ寸法

デバイスは、直径1.8mmのコンパクトな円形SMDパッケージに収められています。データシートの詳細な機械図面には、本体高さ、リード間隔、レンズ形状を含むすべての重要な寸法が提供されています。すべての寸法はミリメートル単位で、特に指定がない限り標準公差は±0.1mmです。PCB設計のための推奨パッドレイアウトが提供されていますが、これは参考のみであり、個々のプロセス要件と熱管理ニーズに基づいて変更すべきであることが明記されています。

4.2 極性識別とキャリアテーピング

パッケージには、カソード（負極）リードを示すフラットサイドまたは同様のマーキングが施されており、組立時の正しい向き付けに不可欠です。大量生産向けに、部品はキャリアテープリールで供給されます。データシートには、キャリアテープ寸法が含まれており、ポケットサイズ、ピッチ、リール直径を指定しています。標準リールには1000個が収容されており、これは自動ピックアンドプレース機械では一般的です。

5. はんだ付けおよび組立ガイドライン

適切な取り扱いとはんだ付けは、信頼性にとって極めて重要です。LEDは湿気に敏感であり、乾燥剤入りの防湿バッグに入っています。

5.1 保管と湿気感受性

密封バッグを開封する前は、LEDは30°C以下、相対湿度（RH）90%以下の環境で保管しなければなりません。棚寿命は1年です。バッグを開封した後、部品は30°C/60%RH以下の環境で保管し、168時間（7日）以内に使用しなければなりません。保管時間を超えた場合、または乾燥剤が湿気の侵入を示した場合は、使用前に60 ± 5°Cで24時間のベーキング処理が必要です。これは吸収した湿気を除去し、リフローはんだ付け中のポップコーン現象を防ぐためです。

5.2 リフローはんだ付けパラメータ

本デバイスは、鉛フリー（Pbフリー）リフローはんだ付けプロファイルと互換性があります。通常、予熱段階、ソークゾーン、最大5秒間260°Cを超えないピーク温度ゾーン、制御冷却段階を含む特定の温度プロファイルが推奨されます。リフローはんだ付けは2回以上行ってはなりません。加熱中、LED本体やリードに機械的ストレスを加えてはならず、はんだ付け後にPCBが反り返ってはなりません。

5.3 手はんだ付けとリワーク

手はんだ付けが避けられない場合は、細心の注意を払う必要があります。はんだごて先端温度は350°C以下とし、各端子との接触時間は3秒以下に制限すべきです。低電力のこて（25W以下）が推奨されます。各リードのはんだ付けの間には、少なくとも2秒の間隔を置くべきです。初期はんだ付け後のリワークは強く推奨されません。絶対に必要な場合は、パッケージにストレスをかけずに両方のリードを同時に加熱して部品を持ち上げるための専用のダブルヘッドはんだごてを使用すべきです。リワーク中の損傷の可能性は高いです。

6. アプリケーション提案と設計上の考慮事項

6.1 代表的なアプリケーション回路

最も基本的なアプリケーション回路は、LED、電流制限抵抗、および電圧源の単純な直列接続です。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 - LEDのVF) / IF。例えば、5V電源、VF 1.2V、希望IF 20mAの場合、R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190 オームとなります。200オームの抵抗が適切な標準値となるでしょう。より安定した動作、特に可変電源電圧の場合には、定電流ドライバ回路が望ましいです。

6.2 赤外線システムの設計上の考慮事項

赤外線センシングシステムを設計する際には、いくつかの要因を考慮しなければなりません。IR LEDとフォト検出器間の光学的アライメントは、特に30度のビームでは極めて重要です。環境光除去はしばしば必要であり、これはLED駆動電流を変調し、同期検出器回路を使用してDC環境光をフィルタリングすることで達成できます。放射強度と検出器感度は、必要な検知距離に対して整合されなければなりません。最大定格近くで動作する場合は、接合温度の上昇が光出力と寿命を減少させるため、熱管理を考慮すべきです。

7. 技術比較と差別化

より大きなスルーホールIR LEDと比較して、IR42-21C/TR8の主な利点は、その超小型SMDフットプリントであり、より小型で軽量、かつ自動化されたPCB設計を可能にします。他のSMD IR LEDと比較して、その主な差別化要因は、特定の1.8mm円形パッケージサイズ、シリコン検出器に最適化された940nmピーク波長、および最新の環境規制（ハロゲンフリー、REACH）への準拠です。着色または拡散レンズとは対照的に、ウォータークリアレンズは赤外線の透過を最大化し、与えられた電気入力に対してより高い放射強度をもたらします。

8. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: なぜ電流制限抵抗が絶対に必要なのですか？

A: IV曲線は、LEDの電圧と電流の間の指数関数的関係を示しています。供給電圧のわずかな増加、またはLEDの順方向電圧の低下（温度による）が、制御不能な大規模な電流サージを引き起こし、即座の焼損につながる可能性があります。抵抗は線形で安定化したインピーダンスを提供します。

Q: このLEDを3.3Vマイクロコントローラのピンで直接駆動できますか？

A: 可能ですが、最適ではありません。VFが1.2Vなので、直列抵抗が必要になります。GPIOピンから利用可能な電流はしばしば制限されています（例：20-25mA）。抵抗計算（R = (3.3V - 1.2V) / 希望電流）を含む総電流消費が、GPIOの電流供給能力を超えないことを確認しなければなりません。より高い電流または複数のLEDの場合は、トランジスタドライバが必要です。

Q: シリコンフォト検出器とスペクトル的に整合とはどういう意味ですか？

A: シリコンフォトダイオードおよびフォトトランジスタは、近赤外領域（約800-900nm）でピーク感度を持ちます。このLEDの940nmピーク発光は、この高感度ゾーン内に収まり、光源から検出器への最大信号伝達効率を保証し、より優れたシステムの信号対雑音比と距離をもたらします。

Q: 湿気感受性とベーキング指示はどれほど重要ですか？

A: SMD部品にとって極めて重要です。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気化し、内部剥離、クラック、またはデバイスを破壊するポップコーン現象を引き起こす可能性があります。MSL（湿気感受性レベル）取り扱い手順に従うことは、生産歩留まりと長期信頼性にとって不可欠です。

9. 実践的な設計と使用事例

シナリオ: コンパクトな物体検知センサーの設計設計者は、小型自動化デバイス用の非接触物体検知センサーを作成する必要があります。スペースが限られているため、SMD部品が必要です。彼らはその小さなサイズのためにIR42-21C/TR8を選択します。彼らはそれを、回帰反射構成のフォトトランジスタとペアリングします：両方の部品は同じPCB上に並べて配置され、同じ方向を向いています。前面を通過する物体がIRビームをフォトトランジスタに反射します。設計者は、標準放射強度（3.0 mW/sr）とフォトトランジスタの感度を使用して、希望の検知距離10cmに必要な電流を計算します。彼らは、LEDを1kHzでパルス駆動するためのシンプルな555タイマー回路を実装し、検出器回路には1kHzに同調したバンドパスフィルタを含めて、環境の50/60Hz光フリッカおよびDC太陽光を除去します。電流制限抵抗は、LEDの定格内で長寿命を保証するために、15mA駆動を提供するように選択されます。コンパクトなSMDパッケージにより、センサーアセンブリ全体が幅15mm未満の筐体に収まります。

10. 動作原理と技術トレンド

10.1 動作原理

赤外線発光ダイオード（IR 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。順方向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接合部を越えて注入されます。これらの電荷キャリアが活性領域（この場合はGaAlAsチップ）で再結合すると、エネルギーが光子（光）の形で放出されます。GaAlAs半導体材料の特定のエネルギーバンドギャップが、放出される光子の波長を決定し、このデバイスでは赤外スペクトル（940nm）になります。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、放出光を指定された指向角に形成します。

10.2 業界トレンド

光エレクトロニクスのトレンドは、すべてのエレクトロニクスと同様に、さらなる小型化、高効率化、および高度な統合に向かっています。IR LEDの基本原理は安定していますが、パッケージング技術（0402やチップスケールパッケージのようなさらに小さなフットプリント）、壁プラグ効率向上のための改良されたエピタキシャル材料（電気入力ワットあたりのより多くの光出力）、およびドライバと制御ロジックのスマートLEDモジュールへの統合において進歩が見られます。データ通信アプリケーション（IRDAなど）向けのより広いスペクトルオプションと高変調速度で動作可能なデバイスへの継続的な推進もあります。環境対応（ハロゲンフリー、低炭素フットプリント製造）は、業界全体で強い推進力であり続けています。