红外LED器件规格书 - 峰值波长940nm - 中文技术文档

1. 产品概述

本文档提供一款红外（IR）发光二极管（LED）器件的技术规格。该器件主要用于需要不可见光源的系统，例如遥控器、接近传感器和夜视照明。该器件的核心优势在于其特定的峰值波长，该波长针对与硅基光电探测器的兼容性进行了优化，并且对人眼的可见度极低。目标市场包括消费电子、工业自动化、安防系统以及需要可靠红外信号传输或传感的汽车应用。

2. 深入技术参数分析

所提供的数据规定了此红外LED的一项关键光度参数。

2.1 光度特性

定义的最关键参数是峰值波长（λp）。

• 峰值波长（λp）：940纳米（nm）。该值表示LED在电磁波谱中发射最大光功率的特定点。940nm波长完全处于近红外（NIR）范围内。该波长特别有利，因为它与常见硅光电二极管和光电晶体管的峰值灵敏度良好匹配，确保了高效的信号发送与接收。此外，与850nm等较短的红外波长相比，940nm光作为微弱的红光可见度更低，使其更适合隐蔽应用。

红外LED的其他典型光度参数，如辐射强度（单位：毫瓦每球面度，mW/sr）、视角（单位：度）以及特定电流下的正向电压，在节选中未明确提供，但对于完整的电路设计至关重要。

2.2 电气参数

虽然提供的文本中未列出具体数值，但红外LED的电气行为由设计者必须考虑的几个关键参数定义。

• 正向电压（Vf）：LED导通电流时两端的电压降。对于典型的基于砷化镓（GaAs）的红外LED，在其标称正向电流下，该值通常在1.2V至1.6V之间。
• 正向电流（If）：推荐的连续工作电流。超过最大额定正向电流可能导致性能迅速退化或灾难性故障。
• 反向电压（Vr）：LED在非导通方向偏置时能承受的最大电压。红外LED通常具有非常低的反向电压额定值（通常在5V左右），并且容易受到反向电压尖峰的损坏。
• 功耗：转化为热和光的总电功率（Vf * If）。需要适当的热管理以防止过热。

2.3 热特性

热管理对于LED的寿命和稳定性能至关重要。

• 结温（Tj）：半导体芯片有源区的温度。最大允许结温是一个关键限制。
• 热阻（Rθj-a）：该参数以摄氏度每瓦（°C/W）为单位，表示热量从LED结传递到环境空气的效率。数值越低，表示散热能力越好。封装设计对此值有重大影响。
• 降额曲线：显示最大允许正向电流如何随着环境温度或结温升高而降低的图表。在这些限制内运行对于可靠性至关重要。

3. 分档系统说明

大批量LED制造会导致关键参数存在差异。分档是根据测量性能将元件分类到不同组（档位）的过程，以确保最终用户的一致性。

3.1 波长分档

对于这款940nm红外LED，元件将根据其实际峰值波长进行测试和分档。例如，档位可能定义为935-940nm、940-945nm等。如果应用需要精确的光谱匹配，这允许设计者选择波长公差更严格的LED。

3.2 辐射强度/光功率分档

LED也根据其辐射输出进行分档。这对于需要均匀亮度或特定信号强度的应用至关重要。档位由标准化测试电流下的最小和最大辐射强度值定义（例如，20-25 mW/sr，25-30 mW/sr）。

3.3 正向电压分档

为了简化限流电路设计并确保并联阵列中的行为一致，LED按正向电压（Vf）分档。常见的档位可能将Vf在1.2V-1.3V、1.3V-1.4V等范围内的LED分组。

4. 性能曲线分析

图形数据对于理解器件在不同工作条件下的行为至关重要。

4.1 电流-电压（I-V）特性曲线

该曲线绘制正向电流（If）与正向电压（Vf）的关系。它显示了典型的二极管指数关系。该曲线用于确定工作点并设计合适的限流电阻或驱动电路。电流开始迅速增加的“拐点”电压是一个关键特征。

4.2 温度依赖性

几条曲线说明了温度效应。

• 正向电压 vs. 温度：通常显示Vf随着结温升高而线性下降（对于红外LED，大约为-2mV/°C）。这对于恒流驱动器很重要。
• 辐射强度 vs. 温度：显示光输出如何随着温度升高而降低。这种降额对于在高温环境下运行的应用至关重要。
• 相对光谱分布 vs. 温度：展示了峰值波长如何随着温度升高而轻微偏移（通常向更长波长偏移）。

4.3 光谱分布

该图表绘制相对辐射功率与波长的关系。它显示了940nm处的峰值和光谱带宽（通常为半高全宽，或FWHM，对于红外LED通常约为40-50nm）。带宽越窄表示光越接近单色光。

5. 机械与封装信息

提供的节选包含具体的包装细节。

5.1 包装层级

该元件受到多层包装系统的保护：

• 静电放电（ESD）防护袋：用于存放单个LED元件或卷盘的主要容器。此袋由静电耗散材料制成，以防止在搬运和存储过程中因静电放电造成损坏。
• 内盒：一个较小的盒子或托盘，用于存放多个ESD袋或卷盘，提供物理结构和额外保护。
• 外箱：用于运输的主容器，内装多个内盒。设计用于在运输和存储过程中保持坚固。

5.2 包装数量

文档明确将“包装数量”列为关键参数。这指的是一个标准运输单元中包含的单个LED元件数量（例如，每卷、每管或内盒内每袋的数量）。对于表面贴装器件，常见的数量是每卷1000、2000或5000片。

5.3 物理尺寸与极性

虽然未提供精确尺寸，但典型的红外LED封装（如3mm或5mm通孔LED，或0805、1206等表面贴装封装）会有详细的机械图纸。该图纸规定了主体长度、宽度、高度、引脚间距以及引脚尺寸。至关重要的是，它包括极性标识，通常通过透镜上的平边、较短的引脚、封装上的点或焊盘上的特定标记来指示阴极（负极）。

6. 焊接与组装指南

正确的组装对于可靠性至关重要。

6.1 回流焊温度曲线

对于表面贴装红外LED，必须遵循推荐的回流焊温度曲线。这包括：

• 预热/升温速率：通常为每秒1-3°C，以避免热冲击。
• 保温区：在低于焊料液相线的温度下保持一段时间，以激活助焊剂并使电路板温度均匀。
• 回流（液相）区：峰值温度，必须足够高以熔化焊料（例如，对于SAC305为240-250°C），但又必须足够低且时间足够短，以免损坏LED（最大封装体温度通常为260°C，持续10秒）。
• 冷却速率：受控的冷却过程，以正确固化焊点。

6.2 关键注意事项

• ESD防护：始终在ESD安全环境中使用接地腕带和导电垫处理元件。
• 潮湿敏感度等级（MSL）：如果适用，封装将具有MSL等级（例如，MSL 3）。超过其车间寿命的元件必须在回流焊前进行烘烤，以防止“爆米花”效应损坏。
• 清洁：仅使用兼容的清洁溶剂，以免损坏LED透镜或环氧树脂。
• 机械应力：在放置或测试过程中避免对LED透镜施加直接压力。

6.3 存储条件

元件应在其原始未开封的ESD袋中，在受控环境中存储。推荐条件通常是温度在5°C至30°C之间，相对湿度低于60%。避免暴露在阳光直射、腐蚀性气体或过多灰尘中。

7. 包装与订购信息

文档的生命周期数据显示“修订版：5”和“有效期：永久”，表明这是一份于2013年5月27日发布的稳定、非停产控制的文档。包装规格在第5.1节中有明确定义。订购代码或型号通常遵循一种命名约定，该约定编码了关键属性，如封装类型、波长档位、强度档位和包装数量（例如，“IR940-SMD1206-B2-2K”可能表示一个1206封装的940nm红外LED，强度档位B2，以2000片卷盘形式提供）。

8. 应用建议

8.1 典型应用场景

• 红外遥控器：用于电视、音响系统和机顶盒。940nm波长是行业标准。
• 接近和存在传感器：用于智能手机在通话时禁用触摸屏、自动水龙头和安全灯开关。
• 物体计数与检测：用于自动售货机、工业装配线和印刷设备。
• 夜视照明：与红外敏感摄像头配对，用于低光照条件下的监控。
• 光学数据传输：用于短距离、低速串行通信（IrDA）或工业数据链路。

8.2 设计考量

• 驱动电路：始终使用串联限流电阻或恒流驱动器。切勿将LED直接连接到电压源。
• 散热：对于大电流工作或高环境温度，确保足够的PCB铜面积或外部散热器，以管理LED的热阻。
• 光学设计：考虑LED的视角。根据应用需要使用透镜或反射器来准直或扩散光束。
• 光电探测器匹配：确保所选光电探测器（光电二极管、光电晶体管）在940nm处具有高灵敏度。如果环境光干扰严重，使用红外滤光片来阻挡可见光。
• 抗电气噪声能力：在传感器应用中，调制红外信号（例如，使用38kHz载波）并使用调谐接收器来抑制来自阳光或荧光灯的环境光干扰。

9. 技术对比

与其他红外光源相比，这款940nm LED具有特定优势。

• 与850nm红外LED对比：940nm光作为微弱红光的可见度要低得多，使其在隐蔽监控方面更优越。然而，硅光电探测器在940nm处的灵敏度略低于850nm，大气吸收也略高。
• 与白炽红外灯对比：LED效率高得多，响应时间更快（支持高速调制），机械强度更高，并且工作寿命长得多（数万小时）。
• 与激光二极管对比：LED具有更宽的光谱输出和更大的发射面积，产生易于用于一般照明和传感的漫射光束。它们也便宜得多，并且不需要激光二极管复杂的驱动和安全电路。

10. 常见问题解答（FAQ）

Q1：940nm峰值波长的目的是什么？
A1：940nm波长是最优的，因为它与硅光电探测器的灵敏度良好匹配，同时对人眼几乎不可见，使其成为隐蔽传感和遥控应用的理想选择。

Q2：如何确定正确的限流电阻值？
A2：使用欧姆定律：R = (电源电压 - Vf) / If。您必须知道您的电源电压（Vsupply）、LED数据表或分档中的正向电压（Vf）以及所需的正向电流（If）。始终确保电阻的额定功率（P = (Vsupply - Vf) * If）足够。

Q3：我可以在户外使用这款LED吗？
A3：可以，但需注意。环氧树脂透镜在长期紫外线照射下可能会老化。更重要的是，明亮的阳光含有强烈的红外成分，可能使接收器饱和。使用光学滤光片和调制信号对于可靠的户外运行至关重要。

Q4：为什么ESD防护对LED如此重要？
A4：LED中的半导体结对高压静电放电极其敏感。ESD事件可能立即降低光输出、增加漏电流或导致完全失效，而没有任何可见损坏。

Q5：“包装数量”指的是什么？
A5：它指定了一个标准销售单元中提供的单个LED元件数量，例如卷盘上、管中或防静电袋内的数量。这对于生产计划和库存管理至关重要。

11. 实际用例

11.1 简易接近传感器

可以通过将940nm红外LED和光电晶体管并排放置来构建一个基本的反射式传感器。LED用脉冲电流驱动。当物体靠近时，它将红外光反射回光电晶体管，导致其集电极电流增加。然后，比较器电路可以触发数字输出信号。这种设计用于打印机中的纸张检测和干手器激活。

11.2 闭路电视用远距离红外照明器

对于夜视安防摄像头，需要构建一个由多个大功率940nm LED组成的阵列。LED由能够提供数百毫安电流的恒流驱动器驱动。在阵列前放置一个菲涅尔透镜，将光准直成光束，将有效照明范围扩展到数十米。对于这种大功率设计，通过大型铝制散热器进行热管理至关重要。

12. 工作原理

红外发光二极管（IR LED）是一种半导体p-n结器件。当正向偏置（相对于n侧，在p侧施加正电压）时，来自n区的电子被注入到p区，而来自p区的空穴被注入到n区。这些少数载流子在相对区域与多数载流子复合。在常用于红外LED的直接带隙半导体（如砷化镓（GaAs））中，这种复合事件以光子（光粒子）的形式释放能量。发射光子的波长（颜色）由半导体材料的带隙能量（Eg）决定，根据公式 λ = hc/Eg，其中h是普朗克常数，c是光速。通过调整半导体合金成分（例如，使用AlGaAs或InGaAs），可以精确控制带隙，从而控制发射波长，产生此处指定的940nm输出。

13. 技术趋势

红外LED技术领域持续发展。主要趋势包括：

• 功率和效率提升：持续的材料科学和封装改进正在产生具有更高辐射通量和电光转换效率的红外LED，使得在相同输入功率下，器件更小或照明距离更远。
• 小型化：对更小消费电子的需求正在推动红外LED进入更小的表面贴装封装（例如0402、0201）和芯片级封装（CSP）。
• 集成解决方案：趋势是将红外LED、光电探测器、驱动电路和信号处理（如环境光抑制）集成到单个模块或系统级封装（SiP）中，从而简化最终用户的设计。
• 向新波长扩展：虽然850nm和940nm占主导地位，但对于特殊应用，如用于人眼安全激光雷达的1050nm或用于气体传感的特定波段，对其他红外波长的兴趣日益增长。
• 改进的热管理：具有更低热阻的新封装设计和导热性更好的材料正在延长LED寿命并支持更高的驱动电流。