Техническая документация на светодиод IRR60-48C/TR8 - Размер 6.0x4.8x1.1мм - Напряжение 1.4-2.1В - Мощность 50-70мВт - Две длины волны 660нм/905нм

1. Обзор продукта

IRR60-48C/TR8 — это миниатюрный инфракрасный излучающий диод для поверхностного монтажа (SMD). Это двухцветный компонент, содержащий в одном корпусе два различных полупроводниковых кристалла: один излучает на длине волны 660 нм (красный, материал AlGaInP), а другой — на 905 нм (инфракрасный, материал AlGaAs). Устройство заключено в прозрачный пластиковый корпус с плоской линзой, предназначенный для совместимости с автоматическими системами сборки и стандартными процессами пайки оплавлением (в том числе паровой фазой).

Основная конструктивная цель данного компонента — спектральное согласование с кремниевыми фотодетекторами, такими как фотодиоды и фототранзисторы. Эта характеристика делает его особенно подходящим для применений в датчиках, где требуется точная оптическая связь. Устройство соответствует современным экологическим стандартам, не содержит галогенов и соответствует директивам RoHS и EU REACH.

2. Подробные технические характеристики

2.1 Предельные эксплуатационные параметры

Эти параметры определяют пределы, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа в таких условиях не гарантируется.

• Постоянный прямой ток (I_F): 30 мА для обеих длин волн. Это максимальный постоянный ток, который можно прикладывать непрерывно.
• Пиковый прямой ток (I_FP): 150 мА. Данный параметр применим только в импульсном режиме при длительности импульса ≤10 мкс и скважности ≤1%.
• Обратное напряжение (V_R): 5 В. Превышение этого напряжения при обратном смещении может вызвать пробой p-n перехода.
• Рассеиваемая мощность (P_d): 70 мВт для кристалла 660 нм и 50 мВт для кристалла 905 нм, измерено при температуре окружающей среды ≤25°C. Эта разница отражает типичную эффективность и тепловые характеристики различных полупроводниковых материалов.
• Тепловое сопротивление, переход-среда (R_θj-a): 550 К/Вт. Этот параметр показывает, насколько эффективно тепло отводится от полупроводникового перехода в окружающую среду. Меньшее значение означает лучший теплоотвод.
• Диапазон рабочих температур и температур хранения: от -25°C до +85°C.
• Температура пайки (T_sol): максимум 260°C в течение не более 5 секунд, что типично для процессов бессвинцовой пайки оплавлением.

2.2 Электрооптические характеристики

Это типичные параметры производительности, измеренные при 25°C и прямом токе 20 мА, если не указано иное.

• Сила излучения (I_E): Это оптическая мощность, излучаемая в единицу телесного угла (стерадиан). Для кристалла 660 нм (красный) типичное значение составляет 2,3 мВт/ср (мин. 1,0). Для кристалла 905 нм (ИК) типичное значение составляет 1,0 мВт/ср (мин. 0,5).
• Полная излучаемая мощность (P_o): Полная оптическая мощность, излучаемая во всех направлениях. Типичные значения: 7,0 мВт для красного и 3,0 мВт для ИК.
• Пиковая длина волны (λ_p): Длина волны, на которой излучение наиболее интенсивно. Красный кристалл имеет центр на 660 нм (диапазон 657-663 нм). ИК кристалл имеет центр на 905 нм (диапазон 895-915 нм).
• Спектральная ширина (Δλ): Ширина спектра излучения на половине максимальной интенсивности (полная ширина на половине максимума, FWHM). Типичные значения: 20 нм для красного и 60 нм для ИК. Более широкая полоса ИК кристалла характерна для материалов AlGaAs.
• Прямое напряжение (V_F): Падение напряжения на диоде при протекании тока. Для красного кристалла типичное значение составляет 2,10 В (диапазон 1,80-2,50 В). Для ИК кристалла типичное значение составляет 1,40 В (диапазон 1,10-1,60 В). Эта разница критически важна для проектирования схемы, особенно при питании обоих кристаллов от общего источника.
• Угол обзора (2θ_1/2): Угловой разброс, в пределах которого сила излучения составляет не менее половины от пикового значения. Для красного кристалла типичный угол обзора составляет 140°, для ИК кристалла — 130°. Плоская линза способствует такому широкому углу обзора.

3. Анализ характеристических кривых

3.1 Прямой ток в зависимости от температуры окружающей среды

Кривые снижения номинальных значений показывают, что максимально допустимый постоянный прямой ток уменьшается с ростом температуры окружающей среды. Это критически важный аспект проектирования для предотвращения теплового разгона. Кривые для красного и ИК кристаллов имеют схожий отрицательный наклон, что подчеркивает необходимость адекватного теплового управления в условиях высоких температур или при больших токах.

3.2 Спектральное распределение

Спектральные графики иллюстрируют относительную силу излучения в зависимости от длины волны. Излучение красного цвета 660 нм демонстрирует острый узкий пик, характерный для материалов AlGaInP. Излучение ИК 905 нм показывает более широкое, гауссово распределение, типичное для AlGaAs. Эта спектральная чистота (для красного) и ширина полосы (для ИК) являются ключевыми для проектирования сенсорных систем, влияя на выбор фильтров и отношение сигнал/шум.

3.3 Сила излучения в зависимости от прямого тока

Эти графики демонстрируют почти линейную зависимость между током накачки и оптической мощностью для обоих кристаллов в стандартном рабочем диапазоне. Эта линейность упрощает управление оптической мощностью в аналоговых модуляционных приложениях. Наклон линии (эффективность) различается для двух длин волн.

3.4 Прямой ток в зависимости от прямого напряжения (Вольт-амперная характеристика)

Вольт-амперные характеристики показывают экспоненциальную зависимость, типичную для диодов. Напряжение включения хорошо видно и различается для двух кристаллов (выше для красного). Кривые измерены в импульсном режиме (импульс 100 мкс, скважность 1/100) для минимизации эффектов саморазогрева, что дает наиболее точное представление о характеристиках перехода.

3.5 Относительная сила излучения в зависимости от углового смещения

Эти полярные диаграммы визуально представляют угол обзора. Распределение интенсивности для обоих кристаллов приблизительно ламбертово (косинусоидальное), причем у красного оно немного шире. Эта информация жизненно важна для проектирования оптических систем, чтобы обеспечить правильное освещение или совмещение с детектором.

4. Механическая информация и данные о корпусе

Устройство размещено в компактном SMD-корпусе размером 6,0 мм в длину, 4,8 мм в ширину и 1,1 мм в высоту. Чертеж контура корпуса предоставляет критические размеры для проектирования посадочного места на печатной плате, включая размер и расположение контактных площадок, а также запретные зоны. Компонент имеет прозрачный литой пластиковый корпус с плоской верхней частью, которая служит линзой. Полярность указана маркировкой на корпусе и должна соблюдаться при установке для обеспечения корректной электрической работы.

5. Рекомендации по пайке и сборке

5.1 Пайка оплавлением

Компонент совместим с профилями бессвинцовой пайки оплавлением с пиковой температурой 260°C. Критически важно соблюдать рекомендуемый температурно-временной профиль, чтобы избежать теплового удара или повреждения пластикового корпуса. Пайку оплавлением на одном и том же устройстве не следует выполнять более двух раз. Необходимо избегать механических нагрузок на корпус светодиода во время нагрева и коробления платы после пайки.

5.2 Ручная пайка

Если для ремонта необходима ручная пайка, требуется особая осторожность. Температура жала паяльника должна быть ниже 350°C, а время контакта с каждым выводом не должно превышать 3 секунд. Рекомендуется маломощный паяльник (≤25 Вт). Между пайкой каждого вывода следует выдерживать интервал не менее 2 секунд. Для демонтажа рекомендуется использовать двусторонний паяльник, чтобы минимизировать тепловую нагрузку, но его влияние на характеристики устройства следует проверить заранее.

5.3 Хранение и чувствительность к влаге

Устройство чувствительно к влаге. Меры предосторожности включают:

• Не вскрывайте влагозащитный пакет до момента готовности к использованию.
• Храните невскрытые пакеты при температуре ≤30°C и влажности ≤90%. Используйте в течение одного года.
• После вскрытия храните при температуре ≤30°C и влажности ≤60%. Используйте в течение 24 часов.
• Если срок хранения превышен или индикатор влажности показывает проникновение влаги, перед пайкой оплавлением требуется обработка (просушка) при 60±5°C в течение не менее 24 часов.

6. Упаковка и информация для заказа

Устройство поставляется на перфорированной несущей ленте для автоматической обработки. Стандартная катушка содержит 1000 штук. Размеры несущей ленты указаны для обеспечения совместимости со стандартными питателями. Влагозащитная упаковка состоит из ламинированного алюминиевого пакета, содержащего осушитель и индикаторную карточку влажности. На этикетке пакета указаны поля для номера детали заказчика (CPN), производственного номера (P/N), количества, кодов сортировки (CAT, HUE), референса, номера партии и страны происхождения.

7. Рекомендации по применению

7.1 Типичные сценарии применения

• Оптические датчики: Две длины волны позволяют использовать в отражательных или проходных датчиках для обнаружения объектов, подсчета или определения положения. Длина волны 905 нм часто используется там, где видимый свет нежелателен, в то время как красный 660 нм может служить видимым индикатором или для специфических фотометрических измерений.
• Медицинская пульсоксиметрия: Длины волн 660 нм и 905 нм (или 940 нм) являются стандартными в пульсоксиметрах для измерения насыщения крови кислородом (SpO2). Спектральное согласование устройства с кремниевыми детекторами крайне важно для этого применения.
• Промышленная автоматизация: Используется в оптических энкодерах, системах обнаружения кромок и световых завесах безопасности.

7.2 Вопросы проектирования

• Ограничение тока: Для работы от источника напряжения обязателен внешний последовательный резистор. Крутой наклон ВАХ означает, что небольшое изменение напряжения вызывает большое изменение тока, что может мгновенно вывести светодиод из строя.
• Тепловое управление:** Указанное тепловое сопротивление (550 К/Вт) относительно высокое. Для непрерывной работы при высоких токах или в теплой среде рекомендуется разводка печатной платы с достаточной площадью меди для теплоотвода, чтобы поддерживать температуру перехода в допустимых пределах.
• Оптическое проектирование: Широкий угол обзора может потребовать использования вторичной оптики (линз, диафрагм) для коллимации или фокусировки света для конкретных задач детектирования. Прозрачная линза подходит для применений, где точная диаграмма направленности не критична или где используется внешняя оптика.
• Схемы управления: Разные прямые напряжения двух кристаллов должны учитываться, если они управляются независимо или мультиплексируются. Для стабильной оптической мощности предпочтительны драйверы постоянного тока, а не постоянного напряжения.

8. Техническое сравнение и отличительные особенности

Основное отличие IRR60-48C/TR8 заключается в его двухволновой конструкции в одном корпусе. По сравнению с использованием двух отдельных SMD светодиодов это дает значительные преимущества:

• Экономия места: Уменьшает занимаемую площадь на печатной плате на 50%.
• Упрощение сборки: Только один компонент для установки, что повышает производительность сборки и снижает стоимость монтажа.
• Улучшенное совмещение: Две точки излучения расположены в одном корпусе, что обеспечивает идеальное пространственное совмещение для применений, требующих освещения одной и той же точки двумя длинами волн. Это критически важно в таких устройствах, как пульсоксиметры.
• Совместимость материалов: Использование AlGaInP для красного цвета обеспечивает более высокую эффективность и лучшую спектральную чистоту по сравнению со старыми технологиями, такими как GaAsP, в то время как ИК кристалл AlGaAs обеспечивает сильный выход в ближней инфракрасной области.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Могу ли я одновременно питать оба светодиодных кристалла их максимальным постоянным током по 30 мА каждый?

О: Нет. Необходимо учитывать общую рассеиваемую мощность. Одновременная работа на 30 мА, вероятно, превысит возможности теплоотвода корпуса, что приведет к перегреву. Необходимо снижение номинальных значений в зависимости от температуры окружающей среды и скважности в конкретном применении.

В: Почему сила излучения для ИК кристалла ниже, чем для красного, при одинаковом токе?

О: Это связано в первую очередь с разницей в чувствительности глаза (фотопические vs. радиометрические измерения) и собственной эффективностью преобразования различных полупроводниковых материалов (AlGaAs vs. AlGaInP) на соответствующих длинах волн. Метрика полной излучаемой мощности дает лучшее сравнение общей оптической мощности.

В: В документации указана температура пайки 260°C, но мой профиль оплавления имеет пик 245°C. Это допустимо?

О: Да, пиковая температура 245°C допустима и может быть даже предпочтительнее, так как подвергает компонент меньшему тепловому стрессу, при условии, что время выше температуры ликвидуса (TAL) достаточно для формирования качественного паяного соединения.

В: Насколько критично окно использования в течение 24 часов после вскрытия?

О: Это критически важно для надежной пайки оплавлением. Влага, поглощенная пластиковым корпусом, может испариться во время оплавления, вызвав внутреннее расслоение, растрескивание ("эффект попкорна") или повреждение соединительных проводов. Соблюдение этого правила необходимо для достижения высокого выхода годных изделий в производстве.

10. Пример проектирования и использования

Сценарий: Проектирование отражательного датчика объекта

В типичном применении для обнаружения белого объекта на черной конвейерной ленте IRR60-48C/TR8 будет работать в паре с кремниевым фототранзистором. ИК кристалл 905 нм будет использоваться для основного детектирования, чтобы избежать помех от окружающего видимого света. Светодиод будет питаться от источника постоянного тока, установленного на 20 мА. Свет отражается от объекта и детектируется фототранзистором, выходной сигнал которого обрабатывается схемой усилителя/компаратора. Широкий угол обзора 130° ИК кристалла обеспечивает широкое поле детектирования, снижая требования к точности совмещения. Конструктор должен включить токоограничивающий резистор при использовании источника напряжения, обеспечить, чтобы разводка печатной платы обеспечивала некоторый теплоотвод, и соблюдать строгие процедуры обращения с влагой перед пайкой платы оплавлением.

11. Принцип работы

Излучение света в IRR60-48C/TR8 основано на явлении электролюминесценции в полупроводниковых материалах. Когда прикладывается прямое смещающее напряжение, превышающее энергию запрещенной зоны кристалла, электроны и дырки инжектируются в активную область полупроводника, где они рекомбинируют. Эта рекомбинация высвобождает энергию в виде фотонов (света). Длина волны (цвет) излучаемого света определяется энергией запрещенной зоны полупроводникового материала: AlGaInP для 660 нм (красный) и AlGaAs для 905 нм (инфракрасный). Прозрачный эпоксидный корпус инкапсулирует кристалл, обеспечивает механическую защиту, а его формованная верхняя поверхность служит первичной линзой для управления диаграммой направленности излучения.

12. Технологические тренды

Развитие SMD светодиодов, таких как IRR60-48C/TR8, следует нескольким отраслевым тенденциям:

• Миниатюризация: Продолжающееся уменьшение размеров корпусов (например, с 0603 до 0402) для обеспечения более плотной компоновки электронных узлов.
• Интеграция нескольких кристаллов: Объединение нескольких длин волн или даже различных типов устройств (светодиодов и фотодиодов) в единые корпуса для создания более интеллектуальных и компактных сенсорных модулей.
• Повышение эффективности: Постоянное улучшение внутренней квантовой эффективности и вывода света из полупроводникового материала и корпуса, что приводит к более высокой оптической мощности при том же электрическом входе.
• Повышенная надежность: Усовершенствование материалов и процессов корпусирования для устойчивости к более высоким температурам пайки оплавлением, суровым условиям окружающей среды и обеспечения более длительного срока службы.
• Стандартизация: Более широкое внедрение стандартизированных посадочных мест и оптических характеристик для улучшения взаимозаменяемости и упрощения проектирования для инженеров.

Эти тенденции способствуют эволюции компонентов в сторону более компактных, интеллектуальных, эффективных и надежных решений для расширяющегося спектра оптоэлектронных применений.