高功率紅外線LED HIR-C19D-1N90/L649-P03/TR 規格書 - SMD封裝 - 850nm - 3.5V - 3W - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

HIR-C19D-1N90/L649-P03/TR是一款高功率紅外線發光二極體，專為需要強健且高效紅外線照明的嚴苛應用而設計。它採用緊湊的表面黏著元件（SMD）封裝，適合自動化組裝製程。元件以水透明矽膠材料模製而成，並具有球形頂部透鏡，有助於實現其指定的視角與輻射強度分佈。

此LED的核心優勢在於其結合了小巧的外形尺寸與高光學輸出效率。它採用GaAlAs（砷化鎵鋁）晶片材料製造，針對近紅外光譜發射進行了優化。一個關鍵特點是其光譜與矽光電二極體和光電晶體管相匹配，使其成為利用這些常見矽基探測器的感測與成像系統的理想光源。這確保了目標應用中的最大響應度與訊噪比。

主要目標市場與應用包括監控與安全系統（特別是基於CCD的夜視攝影機），以及各種紅外線應用系統，例如接近感測器、工業自動化與機器視覺。其符合RoHS、REACH及無鹵素要求等環境標準，使其適合用於有嚴格法規要求的產品中。

2. 深入技術參數分析

2.1 絕對最大額定值

此元件的額定連續順向電流（I_F）為1500 mA。對於脈衝操作，在特定條件下（脈衝寬度 ≤100μs，工作週期 ≤1%）可承受峰值順向電流（I_FP）達5000 mA。最大反向電壓（V_R）為5V，這是LED的典型值，表示元件不應承受顯著的反向偏壓。工作與儲存溫度範圍規定為-40°C至+100°C，最高接面溫度（T_j）為125°C。超過這些額定值可能會導致永久性損壞。

從接面到導線架的熱阻（R_th(j-L)）為18 K/W。此參數對於熱管理至關重要。它定義了每消耗一瓦功率時接面溫度的上升量。在I_d=700mA時，規定的功耗（P_F）為3W，有效的散熱對於將接面溫度維持在安全範圍內至關重要，特別是在較高的驅動電流下。

2.2 電光特性

主要光學參數是在25°C的標準環境溫度下測量的。峰值波長（λ_p）為850 nm，位於近紅外區域，人眼不可見，但矽感測器高度可偵測。光譜頻寬（Δλ）通常為25 nm，表示發射光的光譜純度。

輻射性能隨驅動電流而變化：

• 在I_F=350 mA時：總輻射功率（P_o）為500 mW（典型值），輻射強度（I_E）為200 mW/sr（典型值）。
• 在I_F=700 mA時：P_o為900 mW（典型值），I_E為400 mW/sr（典型值）。
• 在I_F=1 A時：P_o為1300 mW（典型值），I_E為560 mW/sr（典型值）。

順向電壓（V_F）由於二極體的固有電阻而隨電流增加：

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

反向電流（I_R）在V_R=5V時最大為10 μA。視角（2θ_1/2）定義為半強度的全角，為90度，提供相對寬廣的光束模式，適合區域照明。

3. 分級系統說明

本產品採用分級系統，針對在1000 mA（1A）驅動電流下測量的總輻射功率進行分級。此系統根據LED的光學輸出對其進行分類，以確保應用性能的一致性。分級代碼及其對應的功率範圍（包含±10%的測試容差）如下：

• 分級 G：最小800 mW，最大1260 mW。
• 分級 H：最小1000 mW，最大1600 mW。
• 分級 I：最小1260 mW，最大2000 mW。

這允許設計師選擇符合其系統特定最低亮度要求的元件。此特定料號的規格書未標示波長或順向電壓的單獨分級，表明在製造過程中對這些參數進行了嚴格控制。

4. 性能曲線分析

規格書參考了幾條典型的特性曲線，這些曲線對於理解元件在不同工作條件下的行為至關重要。

順向電流 vs. 順向電壓（圖1）：此IV曲線顯示了二極體典型的指數關係。對於設計電流驅動電路和計算功耗（V_F* I_F）至關重要。該曲線會隨溫度而偏移。

順向電流 vs. 輻射強度 / 總功率（圖2 & 圖3）：這些圖表說明了光輸出作為驅動電流函數的關係。在較低電流下，關係大致呈線性，但在極高電流下，由於熱效應和電效應，可能會顯示效率下降（次線性增加）的跡象。這有助於選擇平衡輸出與效率/熱量的最佳工作點。

相對輻射強度 vs. 角度位移（圖4）：此極座標圖定義了空間輻射模式。90度的視角在此得到確認。曲線的形狀（例如，朗伯分佈、蝙蝠翼分佈）影響光線在目標區域的分佈方式。

順向電流 vs. 環境溫度（圖5）：此降額曲線對於可靠性而言是最關鍵的之一。它顯示了隨著環境溫度升高，為保持接面溫度低於125°C所允許的最大順向電流。在100°C環境溫度下，允許的連續電流會顯著降低。任何在非25°C環境下運作的設計都必須使用此圖表。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸

LED採用表面黏著封裝。圖紙中的關鍵尺寸包括本體尺寸、透鏡高度和引腳間距。除非另有說明，公差通常為±0.1mm。一個關鍵的處理注意事項警告不要對透鏡施力，因為這可能會損壞內部結構並導致元件故障。在組裝過程中應透過本體或引腳來處理元件。

5.2 焊墊配置與極性

此元件有三個電氣焊墊：焊墊1是陽極（+），焊墊2是陰極（-），焊墊P是專用的散熱焊墊。散熱焊墊對於將熱量從LED接面傳遞到印刷電路板（PCB）至關重要。為了獲得最佳的熱性能和電氣性能，PCB佈局必須包含一個適當大小的銅箔區域連接到此焊墊，並在必要時使用熱通孔連接到內層或底層。正確的極性連接（陽極接正電源）是操作所必需的。

6. 焊接與組裝指南

6.1 迴焊溫度曲線

此元件適用於標準的SMT迴焊製程。提供無鉛迴焊溫度曲線如下：

• 升溫速率：2~3 °C/秒。
• 預熱：150~200°C，持續60~120秒。
• 液相線溫度（T_L）：217°C。
• 高於T_L:的時間：
• 60~90秒。_P峰值溫度（T）：
• 240 ±5°C。_P峰值時間（t）：
• 最長20秒。降溫速率：

3~5 °C/秒。建議迴焊次數不要超過兩次，以最小化對封裝和內部接合的熱應力。應避免在加熱過程中對LED施加應力，並且焊接後不應彎曲電路板，以防止對焊點或LED本身造成機械損壞。

6.2 儲存條件

此元件以防潮包裝運輸，包括帶有乾燥劑的鋁箔防潮袋。如果包裝被打開，元件對吸濕敏感，應在指定時間內使用，或在迴焊前根據標準MSL（濕度敏感等級）程序進行烘烤，以防止焊接過程中發生"爆米花"損壞。提供的摘錄中未說明具體的MSL等級。

7. 包裝與訂購資訊

此元件以載帶和捲盤形式供應，用於自動取放組裝。每捲包含400個元件。提供載帶尺寸以確保與送料器設備的相容性。包裝標籤包含標準資訊，例如料號（P/N）、數量（QTY）和批號（LOT No.）以供追溯。輻射功率的分級代碼（CAT）也會在此標示。

8. 應用說明與設計考量

8.1 典型應用電路

此紅外線LED需要恆流源以穩定工作，而非恆壓源。對於低電流應用，可以使用簡單的串聯電阻，但對於此元件能夠承受的高電流，強烈建議使用專用的LED驅動IC或基於電晶體的電流調節器，以確保一致的光輸出並保護LED免受電流尖峰影響。驅動器必須能夠提供所需的順向電流並處理順向電壓降。

8.2 熱管理

這是使用此高功率LED最關鍵的方面。規格書明確建議添加散熱器。PCB設計必須包含一個連接到LED散熱焊墊的、具有充足銅面積的大型散熱焊墊。強烈建議使用熱通孔將熱量傳導到其他PCB層或外部散熱器。不得超過125°C的最高接面溫度；因此，應根據實際工作電流、環境溫度和PCB熱特性進行熱計算或測量。

8.3 光學設計

對於像攝影機照明這樣的應用，可以使用二次光學元件（透鏡或反射器）將90度的光束準直或塑形為更聚焦的模式，以增加投射距離或效率。水透明透鏡確保對紅外線的吸收最小。設計師在設計遠距離照明時，應考慮輻射強度（mW/sr），而不僅僅是總功率。

9. 技術比較與差異化

與標準的5mm或3mm穿孔式紅外線LED相比，此SMD元件在更緊湊且更易於製造的封裝中提供了顯著更高的光功率輸出（高達1300+ mW，而穿孔式僅數十mW）。其18 K/W的熱阻對於SMD LED來說相對較低，表明具有良好的熱路徑，但與安裝在金屬核心PCB或帶有整合散熱器的LED相比，仍需要謹慎管理。850nm波長是一個常見標準，與940nm LED（幾乎不可見但產生的感測器響應較低）相比，在矽探測器靈敏度和較低可見度之間提供了良好的平衡。

10. 常見問題 (FAQ)

問：我可以用一個電阻直接從5V電源驅動這個LED嗎？

答：有可能，但需要仔細計算。在1A時，V_F約為3.5V。一個串聯電阻需要在1A時壓降1.5V，這意味著R = 1.5Ω，並且它將消耗1.5W。這效率低下且會產生更多熱量。對於350mA以上的電流，強烈建議使用專用的電流調節器。

問：為什麼需要散熱器？

答：在700mA時，功耗約為3.3V * 0.7A = 2.31W。以18 K/W的熱阻計算，接面溫度將比引腳溫度高出2.31W * 18 K/W = ~41.6°C。如果PCB/引腳沒有冷卻，接面溫度很容易超過125°C，導致快速劣化或故障。

問：總輻射功率（mW）和輻射強度（mW/sr）有什麼區別？

答：總輻射功率是所有方向發射的積分光功率。輻射強度是在特定方向（通常是軸向）每單位立體角發射的功率。對於定向應用，強度更為相關，而總功率則關係到整體系統效率。

問：這個LED對眼睛安全嗎？

答：紅外線LED，尤其是高功率的，可能對眼睛有害。它們發射不可見的輻射，可能在眨眼反射發生前就造成視網膜損傷。務必遵循相關的雷射/紅外線產品安全標準（如IEC 62471），並在最終產品中實施適當的防護措施（擴散片、外殼、強度限制）。

11. 設計與使用案例研究

情境：安全攝影機的夜視照明。

一位設計師正在創建一款具有夜視功能的緊湊型IP攝影機，使用矽基影像感測器。他們選擇此850nm LED是因為其高輸出和光譜匹配。四個LED圍繞攝影機鏡頭放置。每個LED由一個緊湊型開關式LED驅動IC以700mA驅動，以確保在電池電壓變化時輸出穩定。PCB是一個4層板，內層接地層透過多個熱通孔連接到每個LED下方的大型銅焊墊以散熱。在LED上方放置一層輕微的擴散膜，以混合光束並減少影像中的熱點。熱設計透過熱像儀驗證，確認在40°C環境溫度下，LED外殼溫度保持在85°C以下，使接面溫度安全地低於其極限。最終系統提供清晰、均勻照明的夜視影像，範圍可達30公尺。

12. 技術原理介紹

紅外線LED的工作原理與可見光LED相同：半導體p-n接面的電致發光。當施加順向電壓時，電子和電洞被注入到活性區域，在那裡它們復合，以光子的形式釋放能量。發射光的波長（顏色）由半導體材料的能隙決定。GaAlAs（砷化鎵鋁）是一種化合物半導體，其能隙可以透過改變鋁含量來調整，以在近紅外範圍（特別是850nm附近）發射。水透明矽膠封裝對此波長是透明的，並被塑造成透鏡以塑造輸出光束。高功率能力是透過使用更大的半導體晶粒和設計用於散熱的高效封裝來實現的。

13. 技術趨勢

紅外線LED的趨勢，特別是對於感測和成像應用，正朝著更高效率（每電瓦產生更多輻射功率）發展，這減少了熱量產生和功耗。這是透過磊晶層設計和光提取技術的進步實現的。同時也朝著更緊密的整合發展，例如內建驅動器的LED或與光電探測器結合在單一封裝中。像940nm這樣的波長因其比850nm更不易被人眼察覺而越來越受歡迎，用於"隱蔽"照明，儘管它們需要更高靈敏度的感測器。此外，小型化的驅動力持續存在，推動在更小的SMD封裝中實現高功率，這反過來增加了PCB和系統層面先進熱管理解決方案的重要性。