大功率红外LED HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR 数据手册 - 5.0x5.0x1.9mm - 850nm - 3.1V - 3W - 英文技术文档

1. 产品概述

HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR是一款专为严苛照明应用设计的高功率红外发射二极管。它采用微型表面贴装器件封装，配以透明硅胶封装和球形顶部透镜，优化了光提取效率和辐射模式。该器件的光谱输出中心波长为850nm，使其与用于传感和成像系统的硅光电二极管及光电晶体管完美匹配。其核心优势包括：紧凑外形下的高辐射输出、优异的热管理特性，以及符合RoHS、REACH和无卤要求等现代环境与安全标准。

1.1 目标应用

这款红外LED主要面向需要稳定、不可见光照的应用场景。其关键应用领域包括监控与安防系统，用于为CCD摄像头提供夜间照明。它也适用于各类基于红外的系统，如接近传感器、手势识别模块和工业机器视觉。与标准红外LED相比，其高辐射功率可实现更远距离的照明或更广区域的覆盖。

2. 技术规格与客观解读

该器件性能基于标准测试条件（T_A=25°C)。以下对其关键参数进行详细、客观的分析。

2.1 绝对最大额定值

这些额定值定义了器件的应力极限，超过此极限可能导致永久性损坏。它们不适用于正常工作条件。

• 连续正向电流 (I_F): 1500 mA。这是在不超出结温限制的情况下可以持续施加的最大直流电流。
• 峰值正向电流 (I_FP)5000 mA。此高电流仅在脉冲条件下允许（脉冲宽度 ≤100μs，占空比 ≤1%），适用于短时爆发的高强度照明。
• 反向电压 (V_R)5 V。在反向偏压下超过此电压可能导致结击穿。
• 结温 (T_j)115 °C。半导体结处允许的最高温度。
• 功耗 (P_d): 在 I_F=700mA 时为 3 W。这表明器件在特定工作点处理发热的能力。

2.2 光电特性

这些参数定义了典型工作条件下的光输出和电气特性。

• Total Radiated Power (P_o): 在所有方向上发射的光功率。在1A驱动电流下，典型值范围为900mW至1100mW，表明其具有高效率。
• Radiant Intensity (I_E)每立体角的光功率，以 mW/sr 为单位测量。在 1A 电流下，其典型值介于 230 至 270 mW/sr 之间。该指标与定向光束应用相关。
• 峰值波长 (λ_P): 850 nm。这是光谱输出最强的波长，与硅基探测器的峰值灵敏度完美匹配。
• 光谱带宽 (Δλ)25 nm。这定义了发射波长的范围，通常指半高全宽（FWHM）。
• 正向电压（V_F)通常为1A电流下3.10V。这是LED工作时的正向压降，对于驱动设计和功耗计算至关重要。
• 视角（2θ_1/2)：150度。这一极宽的视角提供的是广阔、柔和的照明，而非狭窄的聚光，非常适合区域覆盖。

2.3 热特性

有效的热管理对于大功率LED保持性能和延长寿命至关重要。

• 热阻 (R_th(j-L)): 18 K/W (结温至引线框架)。该低值表明芯片到封装引脚的内部热传递性能良好，但在大电流下工作时，强烈建议使用外部散热。

3. Binning System 说明

该器件根据其在标准测试电流1000mA下的辐射功率输出进行分档。这确保了应用性能的一致性。

• Bin F辐射功率从 640 mW 到 1000 mW。
• Bin G辐射功率从 800 mW 到 1260 mW。
• Bin H: 辐射功率从 1000 mW 到 1600 mW。

分档代码允许设计人员根据其特定应用需求，选择具有保证最小光输出的 LED。所有测量值均包含 ±10% 的测试公差。

4. 性能曲线分析

数据手册提供了几条特性曲线，对于理解器件在不同条件下的行为至关重要。

4.1 正向电流与正向电压关系（IV曲线）

该曲线展示了电流与电压之间的非线性关系，对于设计限流电路至关重要。曲线会显示一个阈值电压（对于GaAlAs材料约为1.2V），超过此阈值后，电流会随着电压的微小增加而迅速增大。

4.2 正向电流与辐射强度/功率关系

这些曲线展示了光输出对驱动电流的依赖性。通常，在较低电流下，输出呈超线性增长，随后在较高电流下，由于热效应和效率下降，趋于饱和。该器件在350mA、700mA和1A下提供的曲线说明了这一趋势。

4.3 相对辐射强度与角位移的关系

该极坐标图可视化了150度的视角。它展示了辐射模式，由于球形透镜的作用，该模式近乎朗伯型（余弦分布），从而在宽广区域内提供均匀照明。

4.4 正向电流与环境温度的关系

此图表对于降额设计至关重要。它显示了随着环境温度升高，为防止结温超过其115°C的极限，最大允许正向电流必须如何降低。该曲线直接指导热设计和散热器选型。

5. 机械与封装信息

5.1 封装尺寸

该器件采用紧凑的5.0mm x 5.0mm SMD封装，高度为1.9mm。镜头为突出的球形穹顶。除非另有说明，关键尺寸公差为±0.1mm。特别警告请勿通过镜头拿取器件，因为机械应力可能导致器件失效。

5.2 焊盘配置与极性识别

该封装有三个焊盘：焊盘1（阳极）、焊盘2（阴极）和一个大的中央散热焊盘（P）。散热焊盘对于将热量从LED芯片传导至印刷电路板（PCB）至关重要。焊盘布局图清晰地显示了阳极和阴极的位置，以确保正确的电气连接。

6. 焊接与组装指南

6.1 回流焊温度曲线

本器件适用于标准的无铅SMT回流焊工艺。推荐温度曲线如下：

• 升温速率: 2–3 °C/秒
• 预热：150–200 °C，持续60–120秒
• 液相线以上时间（T_L=217°C）：60–90秒
• 峰值温度 (T_P): 240 ±5 °C
• 峰值温度±5°C内的时间: 最长 20 秒
• 下降速率: 3–5 °C/秒

6.2 关键装配注意事项

• 回流焊接不应超过两次，以避免对封装和引线键合造成过度的热应力。
• 必须避免LED在加热过程中受到机械应力（例如，来自电路板弯曲的应力）。
• 焊接后不应弯曲PCB，因为这可能导致焊点或LED封装本身开裂。
• 如注释所述，充分的散热对于高电流下的可靠运行是必需的。

7. 封装与订购信息

7.1 卷带包装规格

本器件采用载带和卷盘包装供货，适用于自动化组装。每卷包含400片。提供详细的载带和卷盘尺寸，以确保与贴片设备的兼容性。

7.2 湿敏元件包装

本产品采用内含干燥剂的防潮铝箔袋包装，以防止在储存和运输过程中受环境湿度影响，这是SMD元器件的标准做法。

8. 应用建议与设计考量

8.1 驱动电路设计

由于正向电流较高（连续电流可达1.5A），恒流驱动器至关重要。该驱动器必须能够提供所需电流，同时承受正向压降（在1A电流下约为3.1V）。在此功率水平下，出于效率考虑，开关稳压器通常比线性稳压器更受青睐。驱动器设计还必须根据环境温度曲线，纳入热保护或电流降额措施。

8.2 热管理设计

这是使用此大功率LED最为关键的环节。低结至引脚热阻（18K/W）仅是系统的一部分。必须最小化从结到环境的总热路径（R_th(j-A)），这涉及：

• 在热焊盘下方使用带有热过孔阵列的PCB，并将其连接到大型铜平面或内部接地层。
• 可能需要在PCB上安装外部散热器。
• 确保最终应用中有良好的气流。
• 必要时使用热界面材料。

绝对不可超过最高结温115°C。降额曲线（正向电流与环境温度关系）提供了计算所需散热器性能的必要数据。

8.3 光学设计

150度的视角提供了宽广的覆盖范围。对于需要更聚焦光束的应用，可以使用二次光学元件（透镜或反射器）。850nm波长对人眼不可见，但容易被硅传感器和大多数CCD/CMOS相机检测到，这些相机通常装有红外截止滤光片，必须将其移除或更换为可通过850nm波长的滤光片才能有效使用。

9. 技术对比与差异化分析

与标准的5毫米或3毫米通孔式红外LED相比，本器件在表面贴装封装中提供了显著更高的辐射输出（高出一个数量级或以上），从而实现更紧凑、更稳健的设计。其关键差异化在于结合了高功率（功耗高达3W）、宽视角以及用于有效散热的集成散热焊盘——这一特性在低功率SMD LED中通常缺失。使用GaAlAs芯片材料是该波长范围内高效红外发射器的标准做法。

10. 常见问题解答（基于技术参数）

10.1 辐射功率和辐射强度有什么区别？

辐射功率 (P_o，单位为 mW) 是指向所有方向发射的总光功率。辐射强度 (I_E，单位为 mW/sr) 是指在特定方向上每单位立体角发射的功率。对于像这样的广角LED，总功率很高，但在任何单一方向上的强度都低于具有相同总功率的窄光束LED。

10.2 我能否直接用电压源驱动这个LED？

不能。LED是电流驱动型器件。其正向电压存在容差，且随温度变化。直接连接到电压源将导致不受控制的电流流过，很可能超过最大额定值并损坏LED。必须使用恒流驱动器或限流电路。

10.3 为何如此强调散热处理？

大功率LED将很大一部分电能输入转化为热量。如果这些热量不能有效散发，结温就会升高。高结温会导致光输出降低（效率衰减），加速半导体材料的老化，并最终引发灾难性故障。良好的热设计能确保其性能、可靠性和使用寿命。

10.4 Bin Code对我的设计意味着什么？

选择更高等级的分档（例如，选择H档而非F档）可保证更高的最低辐射输出。这使您能够基于已知且有保障的照明水平进行系统设计。如果您的设计有充足的余量，选择较低分档可能更具成本效益。如果您正在挑战照明范围或相机灵敏度的极限，则必须选择更高分档。

11. 实际设计与使用案例研究

Scenario: Designing an IR Illuminator for a Security Camera

设计师需要设计一款紧凑的壁挂式红外补光灯，以将安防摄像头的夜视范围从10米扩展至25米。该摄像头的传感器对850nm波长敏感。设计师选择了Bin H等级的HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR LED，以实现最大输出。

设计步骤：

1. 电气设计：设计了一个开关恒流驱动器，用于从12V直流电源为LED提供1000mA电流。该驱动器包含过流和热关断保护功能。
2. 热设计: 采用2盎司铜厚的双层PCB。通过一组散热过孔将LED的散热焊盘连接至底部大面积覆铜区域，该区域充当散热器。外壳由铝制成，PCB通过导热膏直接安装在外壳上，以进一步增强散热。
3. 光学/机械设计四颗LED以正方形排列在PCB上。一块平整、透明的聚碳酸酯窗口保护着LED。每颗LED的150度宽光束相互重叠，在目标距离内形成均匀的红外光泛光，覆盖摄像机的视野范围。
4. 验证原型在暗室中进行测试。热成像相机确认LED结温保持在100°C以下。安防摄像机在25米距离成功识别物体，对比度清晰。

本案例凸显了在使用此高功率组件时，驱动器设计、热管理和光学布局之间的相互依存关系。

12. 工作原理

HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR是一种基于砷化镓铝（GaAlAs）异质结构的半导体光源。当施加超过二极管带隙能量的正向电压时，电子和空穴被注入有源区并在其中复合。此复合过程以光子的形式释放能量。GaAlAs层的具体成分决定了带隙能量，进而定义了发射光子的峰值波长——在本例中为850纳米，属于近红外光谱。其水透明硅胶封装保护了半导体芯片，并作为主要光学元件，其球形结构有助于高效提取光线并塑造辐射模式。

13. 技术趋势

大功率红外LED领域持续发展，呈现出若干明显趋势。业界始终致力于提升电光转换效率（光功率输出/电功率输入），以在相同光输出下减少发热和能耗。这涉及外延生长技术和芯片设计的进步。封装技术也在不断改进，以提供更低的热阻，从而能从芯片中导出更多热量。此外，集成化程度日益提高，驱动电路有时甚至简单的控制逻辑也与LED芯片共同封装，以形成更智能、更易用的照明模块。汽车激光雷达、面部识别和先进工业自动化等应用领域的扩展，持续推动着对可靠、大功率红外光源的需求。

LED规格术语

LED技术术语完整解析

光电性能

术语	单位/表示法	简要说明	重要性
发光效能	lm/W (流明每瓦)	每瓦电力产生的光输出，数值越高表示能效越高。	直接决定能效等级和电费成本。
光通量	lm (流明)	光源发出的总光量，通常称为“亮度”。	判断光线是否足够明亮。
Viewing Angle	°（度），例如：120°	光强降至一半时的角度，决定了光束宽度。	影响照明范围与均匀性。
CCT (色温)	K (开尔文)，例如 2700K/6500K	光的冷暖度，数值越低越偏黄/暖，数值越高越偏白/冷。	决定照明氛围与适用场景。
CRI / Ra	无量纲，0–100	准确呈现物体颜色的能力，Ra≥80为良好。	影响色彩真实性，用于商场、博物馆等高要求场所。
SDCM	MacAdam椭圆阶数，例如“5阶”	颜色一致性指标，阶数越小表示颜色一致性越高。	确保同一批次LED的颜色均匀一致。
主波长	nm (纳米)，例如：620nm (红色)	彩色LED所对应颜色的波长。	决定红、黄、绿单色LED的色调。
Spectral Distribution	波长-强度曲线	显示各波长的强度分布。	影响显色性和质量。

电气参数

术语	符号	简要说明	设计考量
正向电压	Vf	点亮LED所需的最低电压，类似于“启动阈值”。	驱动器电压必须≥Vf，串联LED的电压会累加。
正向电流	If	常规LED工作电流值。	Usually constant current drive, current determines brightness & lifespan.
最大脉冲电流	Ifp	短时可耐受的峰值电流，用于调光或闪烁。	Pulse width & duty cycle must be strictly controlled to avoid damage.
Reverse Voltage	Vr	LED可承受的最大反向电压，超过此值可能导致击穿。	电路必须防止反接或电压尖峰。
Thermal Resistance	Rth (°C/W)	芯片到焊点的热传递阻力，数值越低越好。	高热阻需要更强的散热能力。
ESD Immunity	V (HBM), e.g., 1000V	抗静电放电能力，数值越高表示越不易受损。	生产中需采取防静电措施，特别是对于敏感的LED。

Thermal Management & Reliability

术语	关键指标	简要说明	影响
结温	Tj (°C)	LED芯片内部实际工作温度。	每降低10°C可能使寿命翻倍；温度过高会导致光衰、色偏。
Lumen Depreciation	L70 / L80（小时）	亮度降至初始值70%或80%所需的时间。	直接定义LED“使用寿命”。
光通维持率	%（例如：70%）	使用一段时间后保留的亮度百分比。	表示长期使用下的亮度保持情况。
色偏	Δu′v′ 或麦克亚当椭圆	使用过程中的颜色变化程度。	影响照明场景中的色彩一致性。
Thermal Aging	材料性能退化	因长期高温导致的劣化。	可能导致亮度下降、颜色变化或开路故障。

Packaging & Materials

术语	Common Types	简要说明	Features & Applications
封装类型	EMC, PPA, Ceramic	封装材料保护芯片，提供光学/热学界面。	EMC：耐热性好，成本低；陶瓷：散热更佳，寿命更长。
芯片结构	正面，倒装芯片	芯片电极排列。	倒装芯片：散热更佳，效能更高，适用于大功率。
Phosphor Coating	YAG, Silicate, Nitride	覆盖蓝色芯片，将部分蓝光转换为黄/红光，混合形成白光。	不同的荧光粉会影响光效、色温（CCT）和显色指数（CRI）。
透镜/光学器件	平面型、微透镜型、全内反射型	表面光学结构控制光分布。	决定视角与光分布曲线。

Quality Control & Binning

术语	分箱内容	简要说明	目的
光通量分档	代码，例如：2G, 2H	按亮度分组，每组有最小/最大流明值。	确保同批次亮度均匀。
Voltage Bin	代码，例如 6W, 6X	按正向电压范围分组。	便于驱动器匹配，提升系统效率。
Color Bin	5-step MacAdam ellipse	按色坐标分组，确保范围紧密。	保证颜色一致性，避免灯具内部颜色不均。
CCT Bin	2700K、3000K等	按相关色温分组，每组有对应的坐标范围。	满足不同场景的色温需求。

Testing & Certification

术语	Standard/Test	简要说明	显著性
LM-80	光通维持率测试	恒温长期点亮，记录亮度衰减。	用于估算LED寿命（依据TM-21）。
TM-21	寿命估算标准	基于LM-80数据估算实际使用条件下的寿命。	提供科学的寿命预测。
IESNA	照明工程协会	涵盖光学、电学、热学测试方法。	行业公认的测试依据。
RoHS / REACH	环境认证	确保不含有害物质（铅、汞）。	国际市场的准入要求。
ENERGY STAR / DLC	能效认证	照明产品的能效与性能认证。	用于政府采购、补贴项目，提升竞争力。