大功率红外LED HIR-C19D-1N90/L649-P03/TR 规格书 - SMD封装 - 850nm - 3.5V - 3W - 中文技术文档

1. 产品概述

HIR-C19D-1N90/L649-P03/TR是一款专为要求严苛、需要强劲高效红外照明的应用而设计的大功率红外发射二极管。它采用紧凑的表面贴装器件（SMD）封装，适用于自动化组装工艺。器件采用顶部为球形透镜的水晶透明硅胶材料模塑而成，这有助于实现其指定的视角和辐射强度分布。

该LED的核心优势在于其小尺寸与高光输出效率的结合。它采用GaAlAs（镓铝砷）芯片材料制造，该材料针对近红外光谱发射进行了优化。一个关键特性是其光谱与硅光电二极管和光电晶体管相匹配，使其成为利用这些常见硅基探测器的传感和成像系统的理想光源。这确保了在目标应用中获得最大的响应度和信噪比。

其主要目标市场和应用包括监控与安防系统（特别是基于CCD的夜视摄像机），以及各种红外应用系统，如接近传感器、工业自动化和机器视觉。其符合RoHS、REACH和无卤素等环境标准，使其适用于有严格法规要求的产品。

2. 深度技术参数分析

2.1 绝对最大额定值

器件的连续正向电流（I_F）额定值为1500 mA。对于脉冲工作，在特定条件下（脉冲宽度≤100μs，占空比≤1%）可承受5000 mA的峰值正向电流（I_FP）。最大反向电压（V_R）为5V，这是LED的典型值，表明器件不应承受显著的反向偏压。工作和存储温度范围规定为-40°C至+100°C，最高结温（T_j）为125°C。超过这些额定值可能导致永久性损坏。

从结到引线框架的热阻（R_th(j-L)）为18 K/W。此参数对热管理至关重要。它定义了每耗散一瓦功率时结温的上升量。在I_d=700mA时，规定的功耗（P_F）为3W，因此有效的散热对于将结温维持在安全限值内至关重要，尤其是在较高驱动电流下。

2.2 光电特性

主要光学参数在25°C的标准环境温度下测量。峰值波长（λ_p）为850 nm，位于近红外区域，人眼不可见，但能被硅传感器高度检测。光谱带宽（Δλ）典型值为25 nm，表明了发射光的光谱纯度。

辐射性能随驱动电流变化：

• 在I_F=350 mA时：总辐射功率（P_o）为500 mW（典型值），辐射强度（I_E）为200 mW/sr（典型值）。
• 在I_F=700 mA时：P_o为900 mW（典型值），I_E为400 mW/sr（典型值）。
• 在I_F=1 A时：P_o为1300 mW（典型值），I_E为560 mW/sr（典型值）。

正向电压（V_F）随电流增加而增加，这是由于二极管的固有电阻：

• 在350 mA时为3.0V（典型值）。
• 在700 mA时为3.3V（典型值）。
• 在1 A时为3.5V（典型值）。
• 在5 A（脉冲）时为3.8V（典型值）。

反向电流（I_R）在V_R=5V时最大为10 μA。视角（2θ_1/2）定义为半强度全角，为90度，提供了相对较宽的光束模式，适用于区域照明。

3. 分档系统说明

该产品采用基于在1000 mA（1A）驱动电流下测量的总辐射功率的分档系统。该系统根据LED的光输出对其进行分类，以确保应用性能的一致性。分档代码及其对应的功率范围（包括±10%的测试容差）如下：

• G档：最小值800 mW，最大值1260 mW。
• H档：最小值1000 mW，最大值1600 mW。
• I档：最小值1260 mW，最大值2000 mW。

这使得设计人员能够选择满足其系统特定最低亮度要求的元件。对于此特定型号，规格书未显示波长或正向电压的单独分档，这表明制造过程中对这些参数有严格控制。

4. 性能曲线分析

规格书引用了几个典型的特性曲线，这些曲线对于理解器件在不同工作条件下的行为至关重要。

正向电流 vs. 正向电压（图1）：这条IV曲线显示了典型的二极管指数关系。对于设计电流驱动电路和计算功耗（V_F* I_F）至关重要。该曲线会随温度变化而移动。

正向电流 vs. 辐射强度 / 总功率（图2 & 图3）：这些图表说明了光输出作为驱动电流的函数。在较低电流下，关系通常是线性的，但在极高电流下，由于热效应和电效应，可能会显示出效率下降（亚线性增长）的迹象。这有助于选择平衡输出与效率/热量的最佳工作点。

相对辐射强度 vs. 角度位移（图4）：这个极坐标图定义了空间辐射模式。90度的视角在此得到确认。曲线的形状（例如，朗伯型、蝙蝠翼型）会影响光线在目标区域上的分布方式。

正向电流 vs. 环境温度（图5）：这条降额曲线对于可靠性至关重要。它显示了随着环境温度升高，为保持结温低于125°C所允许的最大正向电流。在100°C环境温度下，允许的连续电流显著降低。任何在非25°C环境下运行的设计都必须使用此图表。

5. 机械与封装信息

5.1 封装尺寸

LED采用表面贴装封装。图纸中的关键尺寸包括主体尺寸、透镜高度和引脚间距。除非另有说明，公差通常为±0.1mm。一条重要的处理注意事项警告不要对透镜施加力，因为这可能损坏内部结构并导致器件失效。在组装过程中，应通过其主体或引脚来拿取器件。

5.2 焊盘配置与极性

该器件有三个电气焊盘：焊盘1是阳极（+），焊盘2是阴极（-），焊盘P是专用的散热焊盘。散热焊盘对于将热量从LED结传导到印刷电路板（PCB）至关重要。为了获得最佳的热性能和电气性能，PCB布局必须包含一个尺寸合适的铜箔区域连接到该焊盘，并在必要时使用热过孔连接到内层或底层。正确的极性连接（阳极接正电源）是器件工作的必要条件。

6. 焊接与组装指南

6.1 回流焊温度曲线

该器件适用于标准的SMT回流工艺。提供了一个无铅回流温度曲线：

• 升温速率：2~3 °C/秒。
• 预热：150~200°C，持续60~120秒。
• 液相线温度（T_L）：217°C。
• 高于T_L:的时间：60~90秒。
• 峰值温度（T_P）：240 ±5°C。
• 峰值时间（t_P）：最长20秒。
• 降温速率：3~5 °C/秒。

建议回流焊接次数不超过两次，以尽量减少对封装和内部键合的热应力。应避免在加热过程中对LED施加应力，并且焊接后不应弯曲电路板，以防止对焊点或LED本身造成机械损伤。

6.2 存储条件

器件采用防潮包装运输，包括带有干燥剂的铝箔防潮袋。如果包装被打开，器件对吸湿敏感，应在规定时间内使用，或在回流前按照标准MSL（湿度敏感等级）程序进行烘烤，以防止焊接过程中发生“爆米花”损伤。提供的摘录中未说明具体的MSL等级。

7. 包装与订购信息

器件以载带和卷盘形式提供，用于自动贴片组装。每卷包含400片。提供了载带尺寸以确保与送料器设备的兼容性。包装标签包含标准信息，如零件号（P/N）、数量（QTY）和批号（LOT No.），以便追溯。辐射功率的分档代码（CAT）也会在此处标明。

8. 应用说明与设计考量

8.1 典型应用电路

这款红外LED需要恒流源以实现稳定工作，而非恒压源。对于低电流应用，可以使用简单的串联电阻，但对于该器件能够承受的高电流，强烈建议使用专用的LED驱动IC或基于晶体管的电流调节器，以确保一致的光输出并保护LED免受电流尖峰冲击。驱动器必须能够提供所需的正向电流并处理正向压降。

8.2 热管理

这是使用这款大功率LED最关键的一环。规格书明确建议添加散热器。PCB设计必须包含一个连接到LED散热焊盘的大面积铜箔区域。强烈建议使用热过孔将热量传导到其他PCB层或外部散热器。最高结温125°C绝对不能超过；因此，应根据实际工作电流、环境温度和PCB热特性进行热计算或测量。

8.3 光学设计

对于摄像机照明等应用，可以使用二次光学元件（透镜或反射器）将90度光束准直或整形为更聚焦的模式，以增加投射距离或效率。水晶透明透镜确保对红外光的吸收最小。设计远距离照明时，设计者应考虑辐射强度（mW/sr），而不仅仅是总功率。

9. 技术对比与差异化

与标准的5mm或3mm通孔红外LED相比，这款SMD器件在更紧凑且更易于制造的封装中提供了显著更高的光功率输出（高达1300+ mW，而通孔LED通常为几十mW）。其18 K/W的热阻对于SMD LED来说相对较低，表明其具有良好的热传导路径，但与安装在金属基板PCB或集成散热器的LED相比，仍需要谨慎管理。850nm波长是一个通用标准，在硅探测器灵敏度和与940nm LED（几乎不可见，但传感器响应较低）相比的较低可见性之间提供了良好的平衡。

10. 常见问题解答 (FAQ)

问：我可以用一个电阻直接从5V电源驱动这个LED吗？

答：可能可以，但需要仔细计算。在1A时，V_F约为3.5V。串联电阻需要在1A时承受1.5V压降，这意味着R = 1.5Ω，并且它将耗散1.5W。这效率低下且会产生更多热量。对于350mA以上的电流，强烈建议使用专用的电流调节器。

问：为什么需要散热器？

答：在700mA时，功耗约为3.3V * 0.7A = 2.31W。以18 K/W的热阻计算，结温将比引脚温度高出2.31W * 18 K/W ≈ 41.6°C。如果PCB/引脚未得到冷却，结温很容易超过125°C，导致快速退化或失效。

问：总辐射功率（mW）和辐射强度（mW/sr）有什么区别？

答：总辐射功率是向所有方向发射的积分光功率。辐射强度是在特定方向（通常是轴向）上每单位立体角发射的功率。强度对于定向应用更相关，而总功率则关系到整个系统的效率。

问：这款LED对眼睛安全吗？

答：红外LED，尤其是大功率的，可能对眼睛有害。它们发射不可见的辐射，可能在眨眼反射发生前就对视网膜造成损伤。务必遵循相关的激光/红外产品安全标准（如IEC 62471），并在最终产品中实施适当的防护措施（如漫射器、外壳、强度限制）。

11. 设计与使用案例研究

场景：安防摄像机的夜视照明。

一位设计师正在使用硅基图像传感器创建一个具有夜视功能的紧凑型IP摄像机。他们选择了这款850nm LED，因其高输出和光谱匹配。四个LED被放置在摄像机镜头周围。每个LED由一个紧凑的开关型LED驱动IC以700mA驱动，以确保在电池电压变化时输出稳定。PCB为4层板，内层地平面通过多个热过孔连接到每个LED下方的大面积铜箔焊盘以进行散热。在LED上方放置了一层轻微的漫射膜，以混合光束并减少图像中的热点。热设计通过热像仪验证，确认在40°C环境温度下，LED外壳温度保持在85°C以下，使结温安全地低于其限值。最终系统提供了清晰、均匀照明的夜视画面，有效距离可达30米。

12. 技术原理介绍

红外LED的工作原理与可见光LED相同：半导体p-n结中的电致发光。当施加正向电压时，电子和空穴被注入有源区，在那里它们复合，以光子的形式释放能量。发射光的波长（颜色）由半导体材料的带隙能量决定。GaAlAs（镓铝砷）是一种化合物半导体，其带隙可以通过改变铝含量来调节，以在近红外范围（特别是850nm左右）发射。水晶透明硅胶封装对该波长是透明的，并被成型为透镜以塑造输出光束。高功率能力是通过使用更大的半导体芯片和旨在有效散热的封装设计来实现的。

13. 技术趋势

红外LED，特别是用于传感和成像的红外LED，其发展趋势是更高的效率（每瓦电功率产生更多的辐射功率），从而减少发热和功耗。这是通过外延层设计和光提取技术的进步实现的。同时，也趋向于更紧密的集成，例如内置驱动器的LED或与光电探测器集成在单个封装中。像940nm这样的波长因其比850nm对人眼更不可见而越来越受欢迎，用于“隐蔽”照明，尽管它们需要灵敏度更高的传感器。此外，小型化的驱动力持续存在，推动在更小的SMD封装中实现高功率，这反过来又增加了PCB和系统层面先进热管理解决方案的重要性。