高功率紅外線LED HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR 數據手冊 - 5.0x5.0x1.9mm - 850nm - 3.1V - 3W - 英文技術文件

1. 產品概覽

HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR 是一款專為嚴苛照明應用而設計的高功率紅外發射二極管。它採用微型表面貼裝器件（SMD）封裝，配備水透明矽膠封裝及球形頂部透鏡，以優化光提取和輻射模式。該器件的光譜輸出中心波長為850nm，使其能與矽光電二極管和光電晶體管完美匹配，適用於感測和成像系統。其核心優勢包括緊湊外形下的高輻射輸出、卓越的熱管理特性，以及符合RoHS、REACH和無鹵要求等現代環境與安全標準。

1.1 目標應用

此款紅外線LED主要針對需要強效、隱形照明嘅應用。其主要應用領域包括監控同保安系統，用於為CCD相機提供夜間照明。同時亦適用於多種紅外線系統，例如接近感應器、手勢識別模組同工業機器視覺。相比標準紅外線LED，其高輻射功率可實現更遠距離照明或覆蓋更廣闊區域。

2. 技術規格與客觀解讀

該器件嘅性能定義於標準測試條件（T_A=25°C)。以下提供其關鍵參數的詳細客觀分析。

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了壓力極限，超出此極限可能對器件造成永久性損壞。它們不適用於正常操作。

• 連續正向電流 (I_F): 1500 mA。此為在不超出接面溫度限制下，可持續施加的最大直流電流。
• 峰值正向電流 (I_FP): 5000 mA。此高電流僅允許在脈衝條件下使用（脈寬 ≤100μs，佔空比 ≤1%），適用於短時爆發式高強度照明。
• 反向電壓 (V_R): 5 V。反向偏壓超過此電壓可能導致接面擊穿。
• 接面溫度 (T_j): 115 °C。半導體接面所允許的最高溫度。
• 功率耗散 (P_d): 3 W 於 I_F=700mA。這表示器件在特定工作點處理熱量產生的能力。

2.2 電氣及光學特性

呢啲參數定義咗喺典型操作條件下嘅光輸出同電氣特性。

• Total Radiated Power (P_o): 所有方向發出嘅光功率。喺1A驅動電流下，典型數值範圍係900mW至1100mW，顯示出高效率。
• Radiant Intensity (I_E)每立體角嘅光功率，以 mW/sr 為單位量度。喺 1A 電流下，典型數值介乎 230 至 270 mW/sr。呢個指標同定向光束應用相關。
• Peak Wavelength (λ_P): 850 nm。呢個係光譜輸出最強嘅波長，同矽基探測器嘅峰值靈敏度完全匹配。
• Spectral Bandwidth (Δλ): 25 nm。此定義了發射波長的範圍，通常指半高全寬（FWHM）。
• 正向電壓（V_F): 通常在1A電流下為3.10V。這是LED工作時的壓降，對於驅動器設計和功耗計算至關重要。
• 視角（2θ_1/2): 150度。此極寬廣嘅視角提供廣闊、漫射嘅照明，而非狹窄嘅射燈效果，非常適合區域覆蓋。

2.3 熱特性

有效嘅熱管理對於高功率LED保持性能同使用壽命至關重要。

• Thermal Resistance (R_th(j-L)): 18 K/W (junction to lead frame)。呢個低數值表示由晶片到封裝引腳嘅內部熱傳遞良好，但強烈建議喺高電流操作時使用外部散熱裝置。

3. Binning System Explanation

該器件根據其在標準測試電流1000mA下的輻射功率輸出進行分選（binning）。這確保了應用性能的一致性。

• Bin F: 輻射功率由640毫瓦至1000毫瓦。
• Bin G: 輻射功率由800毫瓦至1260毫瓦。
• Bin H: 輻射功率由 1000 mW 至 1600 mW。

分檔代碼讓設計師能根據其特定應用需求，選取具保證最低輸出功率的 LED。所有量度均包含 ±10% 的測試容差。

4. Performance Curve Analysis

該數據表提供了多條特性曲線，對於理解器件在不同條件下的行為至關重要。

4.1 Forward Current vs. Forward Voltage (IV Curve)

此曲線顯示電流與電壓之間的非線性關係，對於設計限流電路至關重要。曲線會顯示一個閾值電壓（GaAlAs約為1.2V），超過此電壓後，電流會隨電壓的微小增加而急速上升。

4.2 正向電流與輻射強度/功率

這些曲線顯示光輸出對驅動電流的依賴性。通常，輸出在較低電流下呈超線性增長，然後由於熱效應和效率下降，在較高電流下趨於飽和。此器件在350mA、700mA和1A下提供的曲線說明了這種趨勢。

4.3 相對輻射強度與角位移關係

此極座標圖可視化150度視角。它顯示了輻射模式，由於球形透鏡的緣故，該模式近乎朗伯分佈（餘弦分佈），能在寬廣區域提供均勻照明。

4.4 正向電流與環境溫度關係

此圖表對降額使用至關重要。它顯示隨著環境溫度上升，必須降低最大允許正向電流，以防止接面溫度超過其115°C上限。此曲線直接影響散熱設計與散熱器規格要求。

5. 機械與封裝資料

5.1 封裝尺寸

該器件採用緊湊型5.0mm x 5.0mm SMD封裝，高度為1.9mm。鏡頭為突出的球形穹頂。除非另有說明，關鍵尺寸公差為±0.1mm。特別警告請勿觸碰鏡頭部分，因為機械應力可能導致器件損壞。

5.2 焊盤配置與極性識別

封裝具有三個焊盤：焊盤1（陽極）、焊盤2（陰極）以及一個大型中央散熱焊盤（P）。散熱焊盤對於將熱量從LED晶片傳遞至印刷電路板（PCB）至關重要。焊盤佈局圖清晰顯示了陽極與陰極的位置，以確保正確的電氣連接。

6. 焊接與組裝指引

6.1 回流焊接溫度曲線

本器件適用於標準無鉛SMT回流焊接製程。推薦溫度曲線如下：

• 升溫速率: 2–3 °C/秒
• 預熱：150–200 °C 持續 60–120 秒
• 液相線以上時間 (T_L=217°C)：60–90 秒
• 峰值溫度 (T_P): 240 ±5 °C
• 峰值5°C內時間: 最長20秒
• 下降速率: 3–5 °C/秒

6.2 關鍵組裝注意事項

• 為免封裝同埋線焊承受過多熱應力，回流焊接唔應該進行超過兩次。
• 必須避免LED喺加熱期間受到機械應力（例如來自電路板彎曲）。
• 焊接後唔應該彎曲PCB，因為咁樣會令焊點或者LED封裝本身破裂。
• 如備註所示，必須提供足夠的散熱裝置，以確保在高電流下可靠運作。

7. 封裝與訂購資料

7.1 捲帶包裝規格

本器件以載帶及捲盤形式供應，適用於自動化組裝。每捲盤包含400件。提供詳細的載帶及捲盤尺寸，以確保與貼片設備兼容。

7.2 濕度敏感包裝

本產品以防潮鋁袋包裝，內附乾燥劑，以防儲存及運輸期間受環境濕度影響，此為SMD元件之標準做法。

8. 應用建議與設計考量

8.1 驅動電路設計

由於正向電流較高（連續電流可達1.5A），恆流驅動器必不可少。該驅動器必須能夠提供所需電流，同時承受正向壓降（約為1A時3.1V）。在此功率水平下，開關穩壓器通常比線性穩壓器更受青睞，因其效率更高。驅動器設計還必須根據環境溫度曲線，納入熱保護或電流降額措施。

8.2 熱管理設計

此乃使用此高功率LED最關鍵嘅一環。低接面至引腳熱阻（18K/W）只係系統嘅一部分。必須將由接面至環境嘅整體熱路徑（R_th(j-A)）減至最低。當中涉及：

• 使用一塊PCB，其散熱墊下方設有散熱通孔陣列，並連接至大面積銅箔或內部接地層。
• 可考慮在PCB上加裝外部散熱器。
• 確保終端應用中有良好的氣流流通。
• 如有需要，使用熱界面材料。

絕對不可超過115°C嘅最高結溫。降額曲線（正向電流 vs. 環境溫度）提供計算所需散熱器性能嘅必要數據。

8.3 光學設計

150度視角提供廣闊覆蓋範圍。對於需要更集中光束的應用，可使用二次光學元件（透鏡或反射器）。850nm波長的光人眼無法看見，但易於被矽感測器及大多數CCD/CMOS相機偵測，這些相機通常裝有紅外線截止濾鏡，必須將其移除或更換為可通過850nm波長的濾鏡方能有效使用。

9. 技術比較與區分

相比標準5毫米或3毫米通孔式紅外線發光二極管，此器件在表面貼裝封裝中提供顯著更高（一個數量級或以上）的輻射輸出，實現更緊湊和穩固的設計。其關鍵區別在於結合了高功率（功耗高達3W）、寬視角以及集成散熱焊盤以實現有效散熱——此特性在低功率表面貼裝發光二極管中通常欠缺。使用GaAlAs芯片材料是此波長範圍內高效能紅外線發射器的標準做法。

10. 常見問題（基於技術參數）

10.1 輻射功率與輻射強度有何區別？

輻射功率 (P_o，單位為 mW) 係指向所有方向發射嘅總光功率。輻射強度 (I_E，單位為 mW/sr) 係指喺特定方向上，每單位立體角所發射嘅功率。好似呢隻廣角LED咁，總功率雖然高，但喺任何單一方向上嘅強度，都會低過一隻總功率相同嘅窄光束LED。

10.2 我可以直接用電壓源驅動這款LED嗎？

不可以。LED是電流驅動器件。其正向電壓存在公差，並會隨溫度變化。直接連接到電壓源會導致不受控的電流流過，很可能超出最大額定值並損壞LED。必須使用恆流驅動器或限流電路。

10.3 為何如此強調散熱處理？

高功率LED會將大部分電能轉化為熱能。如果呢啲熱能唔能夠有效散去，結溫就會上升。高結溫會導致光輸出降低（效率下降）、半導體材料加速老化，最終造成災難性故障。恰當嘅熱設計可以確保性能、可靠性同使用壽命。

10.4 Bin Code對我的設計有何意義？

選擇較高等級（例如選用H級而非F級）可保證更高的最低輻射輸出。這讓你能以已知且具保證的照明水平來設計系統。若你的設計有充足餘量，選用較低等級可能更具成本效益。若你正挑戰照明範圍或攝影機靈敏度的極限，則必須選用較高等級。

11. 實用設計與使用案例研究

Scenario: Designing an IR Illuminator for a Security Camera

設計師需要製作一款緊湊、壁掛式的紅外線照明器，將安防攝像機的夜視範圍從10米擴展至25米。攝像機感光元件對850nm波長敏感。設計師選用Bin H等級的HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR LED以實現最大輸出。

設計步驟：

1. 電氣設計：設計了一個開關恆流驅動器，用於從12V直流電源為LED提供1000mA電流。該驅動器包含過流及過熱關斷保護功能。
2. 散熱設計: 採用2盎司銅厚的雙層PCB。一系列散熱過孔將LED的散熱焊盤連接到底部大面積銅箔，作為散熱器。外殼由鋁材製成，PCB直接透過散熱膏安裝於外殼上，以進一步散熱。
3. 光學/機械設計四粒LED以正方形排列喺PCB上。一塊平坦、透明嘅聚碳酸酯窗保護住啲LED。每粒LED發出嘅150度寬光束互相重疊，形成均勻嘅紅外光泛光，覆蓋鏡頭喺目標距離內嘅視場。
4. 驗證原型喺暗房進行測試。熱成像鏡頭確認LED結溫維持喺100°C以下。保安鏡頭成功喺25米距離清晰辨識物件，對比分明。

此個案突顯咗使用呢款高功率元件時，驅動器設計、熱管理同光學佈局之間嘅相互依存關係。

12. 運作原理

HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR 是一種基於砷化鎵鋁（GaAlAs）異質結構的半導體光源。當施加超過二極管能隙能量的正向電壓時，電子和電洞會被注入活性區域並在其中復合。此復合過程會以光子形式釋放能量。GaAlAs 層的特定成分決定了能隙能量，進而定義了發射光子的峰值波長——在此情況下為 850 納米，屬於近紅外光譜。其水清矽膠封裝可保護半導體晶片，並作為主要光學元件，其球形狀有助於有效提取光線及塑造輻射模式。

13. 科技趨勢

高功率紅外線LED領域持續發展，呈現出幾項明顯趨勢。業界不斷追求更高的電光轉換效率（光功率輸出 / 電功率輸入），以在相同光輸出下減少熱量產生和能源消耗。這涉及外延生長技術和芯片設計的進步。封裝技術亦在不斷改進，以提供更低的熱阻，從而能從芯片中導出更多熱量。此外，集成度越來越高，驅動器甚至有時連同簡單的控制邏輯與LED晶片共同封裝，以創造更智能、更易使用的照明模組。汽車LiDAR、面部識別和高級工業自動化等應用不斷擴展，持續推動着對可靠、高功率紅外光源的需求。

LED規格術語

LED技術術語完整解釋

光電性能

術語	單位/表示方式	簡易解釋	為何重要
發光效能	lm/W (流明每瓦)	每瓦電力嘅光輸出，數值越高代表越慳電。	直接決定能源效益等級同電費開支。
光通量	lm (流明)	光源發出嘅總光量，俗稱「光亮度」。	判斷光線係咪夠光。
Viewing Angle	° (度數)，例如：120°	光強度降至一半時的角度，決定光束寬度。	影響照明範圍及均勻度。
CCT (色溫)	K (開爾文)，例如 2700K/6500K	光線嘅冷暖度，數值越低越偏黃/暖，越高越偏白/冷。	決定照明氛圍同適用場景。
CRI / Ra	無單位，0–100	準確呈現物體顏色的能力，Ra≥80為良好。	影響色彩真實度，用於商場、博物館等高要求場所。
SDCM	MacAdam橢圓步階，例如「5步階」	顏色一致性指標，步階數值越小代表顏色越一致。	確保同一批次LED的顏色均勻一致。
主導波長	nm (納米)，例如：620nm (紅色)	對應彩色LED顏色的波長。	決定紅色、黃色、綠色單色LED的色調。
Spectral Distribution	波長與強度曲線	顯示不同波長嘅強度分佈。	影響顯色性同品質。

Electrical Parameters

術語	Symbol	簡易解釋	設計考量
正向電壓	Vf	啟動LED所需嘅最低電壓，類似「起始閾值」。	驅動器電壓必須≥Vf，串聯LED嘅電壓會累加。
正向電流	If	正常LED運作之電流值。	Usually constant current drive, current determines brightness & lifespan.
Max Pulse Current	Ifp	可短時間承受嘅峰值電流，用於調光或閃爍。	Pulse width & duty cycle must be strictly controlled to avoid damage.
反向電壓	Vr	LED可承受嘅最大反向電壓，超出可能導致擊穿。	電路必須防止反接或電壓尖峰。
Thermal Resistance	Rth (°C/W)	由晶片傳熱至焊料的阻力，數值越低越好。	高熱阻需要更強嘅散熱能力。
ESD Immunity	V (HBM), e.g., 1000V	抵禦靜電放電嘅能力，數值愈高代表愈唔易受損。	生產過程中需要採取防靜電措施，尤其係對於敏感嘅LED。

Thermal Management & Reliability

術語	關鍵指標	簡易解釋	影響
接面溫度	Tj (°C)	LED晶片內部實際工作溫度。	每降低10°C可能令壽命倍增；過高會導致光衰、色偏。
Lumen Depreciation	L70 / L80（小時）	亮度降至初始值70%或80%所需時間。	直接定義LED「使用壽命」。
光通維持率	%（例如：70%）	使用一段時間後保留嘅亮度百分比。	表示長期使用下嘅亮度保持能力。
色偏移	Δu′v′ 或 MacAdam 橢圓	使用期間的顏色變化程度。	影響照明場景中嘅顏色一致性。
Thermal Aging	物料降解	因長期高溫而導致嘅劣化。	可能導致亮度下降、顏色改變或開路故障。

Packaging & Materials

術語	Common Types	簡易解釋	Features & Applications
封裝類型	EMC, PPA, Ceramic	封裝材料保護晶片，提供光學/熱學介面。	EMC：耐熱性好，成本低；陶瓷：散熱更佳，壽命更長。
晶片結構	正面，倒裝晶片	晶片電極排列。	倒裝晶片：散熱更佳，效能更高，適用於高功率。
Phosphor Coating	YAG, Silicate, Nitride	覆蓋藍光晶片，將部分轉換為黃/紅光，混合成白光。	不同熒光粉會影響光效、CCT及CRI。
透鏡/光學元件	平面、微透鏡、全內反射	表面光學結構控制光線分佈。	決定視角與光線分佈曲線。

Quality Control & Binning

術語	分類內容	簡易解釋	目的
光通量分級	代碼，例如 2G, 2H	按亮度分組，每組有最小/最大流明值。	確保同一批次亮度均勻。
Voltage Bin	代碼，例如 6W、6X	按正向電壓範圍分組。	有助於驅動器匹配，提升系統效率。
Color Bin	5-step MacAdam ellipse	按色座標分組，確保範圍緊密。	保證顏色一致性，避免燈具內顏色不均。
CCT Bin	2700K、3000K等	按色溫分組，每組有相應的坐標範圍。	滿足不同場景嘅色溫要求。

Testing & Certification

術語	Standard/Test	簡易解釋	顯著性
LM-80	光通量維持測試	恆溫長期點亮，記錄亮度衰減。	用於估算LED壽命（配合TM-21）。
TM-21	壽命估算標準	根據LM-80數據估算實際條件下的壽命。	提供科學的壽命預測。
IESNA	照明工程學會	涵蓋光學、電學、熱學測試方法。	業界認可嘅測試基準。
RoHS / REACH	環保認證	確保不含有害物質（鉛、汞）。	國際市場准入要求。
ENERGY STAR / DLC	能源效益認證	照明設備的能源效益及性能認證。	用於政府採購、補貼計劃，提升競爭力。