雙色AlInGaP SMD LED規格書 - 封裝尺寸 - 綠色2.0V / 橙色2.0V - 75mW功率 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

本文件詳細說明一款高亮度、雙色表面黏著裝置（SMD）發光二極體（LED）的技術規格。該元件在單一封裝內整合了兩個獨立的AlInGaP（磷化鋁銦鎵）半導體晶片，能夠發出綠色與橙色光。其設計兼容自動化組裝製程與現代焊接技術，適用於大量生產的電子製造。

本產品的核心優勢包括符合環保法規（RoHS）、採用先進的AlInGaP技術以實現卓越亮度，以及標準化的封裝格式確保與業界貼裝及焊接設備的廣泛兼容性。其主要目標市場包括消費性電子產品、工業指示燈、汽車內裝照明，以及各種需要可靠雙色指示的信號應用。

2. 技術參數深入解析

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能導致元件永久損壞的應力極限。不保證在或超過這些極限下操作。

• 功率消耗（P_d）：在環境溫度（T_a）為25°C時，每個顏色晶片為75 mW。超過此值有熱過應力風險。
• 順向電流：最大連續直流順向電流（I_F）為30 mA。僅在脈衝條件下（1/10工作週期，0.1ms脈衝寬度）允許較高的峰值順向電流80 mA，以防止過熱。
• 電流降額：當環境溫度超過25°C時，最大允許直流順向電流以0.4 mA/°C的速率線性下降。這是高溫環境下的關鍵設計考量。
• 逆向電壓（V_R）：5 V。施加高於此值的逆向偏壓可能導致接面崩潰。
• 溫度範圍：元件可在-55°C至+85°C的寬廣溫度範圍內操作與儲存。
• 焊接耐受度：此LED可承受260°C波焊或紅外線焊接5秒，或215°C氣相焊接3分鐘，證實其對標準SMT迴焊製程的穩健性。

2.2 電氣與光學特性

這些參數是在標準測試條件下（T_a=25°C，I_F=20 mA）量測，定義了元件的性能。

• 發光強度（I_V）：亮度的關鍵指標。綠色晶片的典型強度為35.0 mcd（最小18.0 mcd），而橙色晶片明顯更亮，典型強度為90.0 mcd（最小28.0 mcd）。強度是使用濾波器匹配人眼明視覺響應（CIE曲線）的感測器進行量測。
• 視角（2θ_1/2）：兩種顏色均約為130度。此寬廣視角表示其為漫射輻射模式，適用於需要從多角度觀看的應用。
• 波長：綠色晶片的典型主波長（λ_d）為571 nm，峰值發射波長（λ_p）為574 nm。橙色晶片的典型λ_d為605 nm，λ_p為611 nm。光譜半高寬（Δλ）綠色約為15 nm，橙色約為17 nm，定義了色純度。
• 順向電壓（V_F）：在20 mA下，兩種顏色的典型值均為2.0 V，最大值為2.4 V。此低電壓與常見的邏輯位準電源相容。
• 逆向電流（I_R）：在5 V逆向偏壓下最大為10 μA，表示接面品質良好。
• 電容（C）：在0V偏壓及1 MHz下，典型值為40 pF。這與高頻切換應用相關。

3. 分級系統說明

LED根據發光強度與主波長進行分級，以確保生產批次的一致性。設計師可以指定分級，以在產品中實現均勻的外觀。

3.1 發光強度分級

對於綠色晶片，分級範圍從M（18.0-28.0 mcd）到Q（71.0-112.0 mcd）。對於橙色晶片，分級範圍從N（28.0-45.0 mcd）到R（112.0-180.0 mcd）。每個分級內適用±15%的容差。

3.2 主波長分級（僅綠色）

綠色LED進一步按主波長分級：C級（567.5-570.5 nm）、D級（570.5-573.5 nm）和E級（573.5-576.5 nm），每個分級容差為±1 nm。這允許在關鍵應用中進行精確的色彩匹配。

4. 性能曲線分析

雖然規格書中引用了特定圖表（圖1、圖6），但此類元件的典型曲線將說明以下關係：

• I-V曲線：顯示順向電壓與電流之間的指數關係。曲線將在典型V_F約2.0V處有一個明顯的轉折點。
• 發光強度 vs. 順向電流：在正常工作範圍內（直至額定直流電流），強度通常隨電流線性增加。
• 發光強度 vs. 環境溫度：由於內部量子效率降低，強度通常隨溫度升高而下降。0.4 mA/°C的降額因子用於在電氣上補償此效應。
• 光譜分佈：相對輻射功率與波長的關係圖，顯示在λ_p處有一個單一峰值（綠色為574nm，橙色為611nm），並具有指定的半高寬。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸與極性

本元件符合EIA標準SMD封裝外形。接腳定義明確：接腳1和3用於綠色晶片，接腳2和4用於橙色晶片。透鏡為水清色。除非另有說明，所有尺寸公差均為±0.10 mm。

5.2 建議焊墊設計

提供了焊墊圖案建議，以確保在迴焊製程期間及之後形成可靠的焊點、正確對位以及足夠的機械強度。遵循此圖案對於製造良率至關重要。

6. 焊接與組裝指南

6.1 迴焊焊接曲線

針對使用紅外線（IR）迴焊的標準（SnPb）與無鉛（SnAgCu）焊接製程，提供了詳細的建議曲線。關鍵參數包括預熱區、液相線以上時間、峰值溫度（建議最高240°C）以及冷卻速率。這些曲線對於防止熱衝擊並確保可靠的焊接連接而不損壞LED封裝至關重要。

6.2 儲存與操作

• 儲存：LED應儲存在不超過30°C和70%相對濕度的條件下。從防潮包裝中取出的元件應在一週內進行迴焊，若儲存時間更長，則在使用前應進行烘烤。
• 清潔：如有必要，清潔應僅使用指定的溶劑，如乙醇或異丙醇，在室溫下進行，時間少於一分鐘。未指定的化學品可能會損壞環氧樹脂透鏡。
• 靜電防護：本元件對靜電放電敏感。操作程序包括使用接地腕帶、防靜電墊，並確保所有設備正確接地。

7. 包裝與訂購資訊

LED以業界標準的8mm載帶包裝於7英吋直徑的捲盤上供應。每捲包含3000顆。載帶與捲盤規格符合ANSI/EIA 481-1-A-1994。關鍵包裝注意事項包括：空穴已密封、剩餘物料最小訂購量為500顆、每捲最多允許連續缺失兩個元件。

8. 應用建議

8.1 典型應用情境

此雙色LED非常適合狀態指示燈、按鈕或圖示背光、汽車儀表板照明、消費性家電顯示器，以及工業控制面板信號等應用，這些應用需要以顏色指示兩種不同的狀態（例如，電源開啟/待機、運作中/警報）。

8.2 電路設計考量

驅動方式：LED是電流驅動元件。為了在並聯驅動多個LED時確保亮度均勻，強烈建議為每個LED串聯一個獨立的限流電阻（電路模型A）。不建議在沒有個別電阻的情況下並聯驅動LED（電路模型B），因為各個LED之間順向電壓（V_F）特性的微小差異可能導致顯著的電流不平衡和亮度不均。

串聯電阻值（R_s）可使用歐姆定律計算：R_s= (V_電源- V_F) / I_F，其中I_F是期望的工作電流（例如，20 mA）。

9. 技術比較與差異化

此LED的關鍵差異化因素是其在單一緊湊SMD封裝中的雙色能力以及採用AlInGaP技術。與標準GaP等舊技術相比，AlInGaP提供了顯著更高的發光效率，從而在相同輸入電流下實現更高的亮度。與使用兩個獨立的單色LED相比，整合兩個晶片節省了電路板空間並簡化了組裝。

10. 常見問題解答（基於技術參數）

問：我可以同時以最大直流電流（各30mA）驅動綠色和橙色晶片嗎？

答：不行。每個晶片的絕對最大功率消耗為75 mW。在30 mA和典型V_F2.0V下，每個晶片的功率為60 mW，這在限制範圍內。然而，同時以全功率驅動兩者會在非常小的封裝內產生總計120 mW的熱量，這很可能超過元件和PCB的整體散熱能力。請參考熱降額曲線，並考慮同時驅動雙色時使用較低的驅動電流或脈衝操作。

問：為什麼並聯的每個LED都需要獨立的限流電阻？

答：LED的順向電壓（V_F）存在自然變異，即使在同一分級內也是如此。在沒有個別電阻的並聯連接中，V_F稍低的LED將不成比例地汲取更多電流，變得更亮更熱，可能導致故障，並以連鎖效應將更多電流轉移到剩餘的LED上。串聯電阻確保電流主要由電阻值和電源電壓設定，使系統更加穩定可靠。

問："水清"透鏡對顏色外觀意味著什麼？

答：水清（非擴散）透鏡不會在內部散射光線。這導致在直接正視時，光線更集中，呈現"熱點"外觀，晶片結構通常可見。它最大化了軸向發光強度，但與擴散（乳白）透鏡相比，提供了較窄的"最佳觀看點"，後者散射光線以實現更寬廣、更均勻的視角，且晶片結構較不明顯。

11. 實務設計案例研究

情境：為一款可攜式裝置設計雙狀態指示燈。綠色表示"已充滿電"，橙色表示"充電中"。裝置由3.3V電源軌供電。

設計步驟：

1. 電流選擇：選擇驅動電流。為了良好的可見度與使用壽命，選擇15 mA，遠低於30 mA的最大值。

2. 電阻計算：

- 綠色：R_{s_green}= (3.3V - 2.0V) / 0.015 A = 86.7 Ω。使用標準的86.6 Ω（1%）或91 Ω（5%）電阻。

- 橙色：R_{s_orange}= (3.3V - 2.0V) / 0.015 A = 86.7 Ω。使用相同數值。

3. 電路：將綠色陽極（接腳1或3）透過一個由"已充電"邏輯信號控制的電晶體/MOSFET連接到3.3V電源軌，並串聯87Ω電阻。類似地連接橙色陽極（接腳2或4），由"充電中"信號控制。將所有陰極連接到接地。

4. 佈局：遵循建議的焊墊佈局。確保PCB在LED焊墊周圍有足夠的銅箔區域作為散熱片，特別是在狀態轉換期間兩個LED可能短暫同時點亮時。

12. 技術原理介紹

AlInGaP是一種III-V族半導體化合物，用於發射紅、橙、黃和綠光譜的高亮度LED的主動區域。通過調整鋁、銦、鎵和磷的比例，可以精確設計材料的能隙，這直接決定了發射光的波長（顏色）。當在p-n接面上施加順向電壓時，電子和電洞復合，以光子的形式釋放能量。AlInGaP中的這種輻射復合效率非常高，從而產生了比舊技術更優越的發光效能。雙色封裝內包含兩個此類可獨立定址的半導體晶片，安裝在導線架上並封裝在透明環氧樹脂透鏡中。

13. 產業趨勢與發展

光電產業持續追求更高的效率（每瓦更多流明）、改善的顯色性以及更微型化。雖然AlInGaP主導長波長可見光譜，但InGaN（氮化銦鎵）技術在藍色、綠色和白色LED中普遍使用。與本產品相關的趨勢包括：無鉛焊接製程的日益普及（已透過提供的曲線解決）、對更小封裝尺寸同時維持或增加光功率的需求，以及將更複雜的功能（如用於可定址RGB LED的內建IC）整合到LED封裝中。對汽車和工業應用可靠性和標準化測試的重視，也推動了對此類雙色LED元件更嚴格的分級和認證程序。