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

1. 產品概述

HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR是一款專為嚴苛照明應用設計的高功率紅外發射二極體。其採用微型表面黏著元件（SMD）封裝，配備透明矽膠封裝與球形頂部透鏡，以優化光萃取效率與輻射場型。該元件的光譜輸出中心波長為850nm，使其能與矽光二極體及光電晶體完美匹配，適用於感測與成像系統。其核心優勢包括：緊湊尺寸下的高輻射輸出、優異的熱管理特性，以及符合RoHS、REACH與無鹵素要求等現代環境與安全標準。

1.1 目標應用

此紅外線LED主要針對需要強健、不可見照明的應用。其關鍵應用領域包括監控與安全系統，用於為CCD攝影機提供夜間照明。它亦適用於各種基於紅外線的系統，例如接近感測器、手勢識別模組及工業機器視覺。與標準紅外線LED相比，其高輻射功率可實現更長距離的照明或更廣區域的覆蓋。

2. 技術規格與客觀解讀

該元件的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，超過此極限可能對元件造成永久性損壞。它們不適用於正常操作。

• 連續順向電流 (I_F): 1500 mA。這是在不超過接面溫度限制下，可持續施加的最大直流電流。
• 峰值順向電流 (I_FP)5000 mA。此高電流僅允許在脈衝條件下使用（脈衝寬度 ≤100μs，工作週期 ≤1%），適用於短時爆發之高強度照明。
• 逆向電壓 (V_R)5 V。在逆向偏壓下超過此電壓可能導致接面崩潰。
• 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): 在 I_F=700mA 時為 3 W。這表示裝置在特定工作點處理熱生成的能力。

2.2 電氣光學特性

這些參數定義了在典型工作條件下的光輸出與電氣行為。

• Total Radiated Power (P_o): 在所有方向發射的光功率。在1A驅動電流下，典型值範圍為900mW至1100mW，顯示出高效率。
• Radiant Intensity (I_E)每立體角的光功率，以 mW/sr 為單位測量。在 1A 電流下，其典型值介於 230 至 270 mW/sr 之間。此指標與定向光束應用相關。
• 峰值波長 (λ_P): 850 nm。此為光譜輸出最強的波長，與矽基偵測器的峰值靈敏度完全吻合。
• 頻譜頻寬 (Δλ): 25 nm。這定義了發射波長的範圍，通常指半高全寬 (FWHM)。
• 順向電壓 (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率耗散計算至關重要。
• 視角 (2θ_1/2): 150度。此極廣的視角提供寬廣、漫射的照明，而非狹窄的聚光效果，非常適合區域性覆蓋。

2.3 熱特性

有效的熱管理對於高功率LED維持效能與使用壽命至關重要。

• Thermal Resistance (R_th(j-L)): 18 K/W (junction to lead frame)。此低數值表示從晶片到封裝引腳的內部熱傳導良好，但在高電流下運作時，強烈建議使用外部散熱裝置。

3. Binning System 說明

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

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

分檔代碼讓設計師能根據其特定應用需求，選取具備保證最低輸出功率的 LED。所有量測值均包含 ±10% 的測試公差。

4. 性能曲線分析

該數據手冊提供了數條特性曲線，對於理解元件在不同條件下的行為至關重要。

4.1 順向電流 vs. 順向電壓 (IV曲線)

此曲線顯示了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，電流會隨著電壓的微小增加而急遽上升。

4.2 順向電流 vs. 輻射強度/功率

這些曲線展示了光輸出對驅動電流的依賴性。通常，在較低電流下輸出呈超線性增長，隨後在較高電流下因熱效應和效率下降而趨於飽和。此元件在350mA、700mA和1A下提供的曲線說明了此趨勢。

4.3 相對輻射強度與角位移關係

此極座標圖可視化了150度的視角。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），能在廣闊區域提供均勻照明。

4.4 順向電流與環境溫度關係

此圖表對於降額使用至關重要。它顯示了隨著環境溫度升高，必須如何降低最大允許順向電流，以防止接面溫度超過其115°C的限制。此曲線直接影響熱設計與散熱片的需求。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸

該元件採用緊湊的5.0mm x 5.0mm SMD封裝，高度為1.9mm。鏡頭為突出的球形穹頂。關鍵尺寸公差為±0.1mm，除非另有說明。特別警告請勿透過鏡頭處拿取元件，因為機械應力可能導致故障。

5.2 焊墊配置與極性識別

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

6. 焊接與組裝指南

6.1 迴流焊接溫度曲線

本元件適用於標準無鉛SMT迴焊製程。推薦的溫度曲線如下：

• 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
• 峰值溫度5°C範圍內時間: 最長20秒
• 降載速率: 3–5 °C/秒

6.2 關鍵組裝注意事項

• 為避免封裝和焊線承受過度的熱應力，回流焊不應執行超過兩次。
• 必須避免加熱過程中對LED施加機械應力（例如來自電路板彎曲）。
• 焊接後不應彎曲PCB，否則可能導致焊點或LED封裝本身破裂。
• 如備註所建議，必須提供足夠的散熱措施，以確保在高電流下的可靠運作。

7. 封裝與訂購資訊

7.1 捲帶包裝規格

本元件以載帶與捲盤形式供應，適用於自動化組裝。每捲盤包含400個元件。提供詳細的載帶與捲盤尺寸，以確保與取放設備的相容性。

7.2 濕度敏感包裝

本產品採用防潮鋁箔袋包裝，內附乾燥劑，以在儲存和運輸過程中保護其免受環境濕度影響，此為SMD元件的標準做法。

8. 應用建議與設計考量

8.1 驅動電路設計

由於其高順向電流（連續電流最高可達1.5A），恆流驅動器至關重要。該驅動器必須能夠提供所需電流，同時承受順向電壓降（在1A電流下約為3.1V）。在此功率等級下，基於效率考量，開關穩壓器通常比線性穩壓器更受青睞。驅動器設計還必須整合基於環境溫度曲線的熱保護或電流降額措施。

8.2 熱管理設計

這是使用此高功率LED最關鍵的面向。低接面至引腳熱阻（18K/W）僅是系統的一部分。從接面到環境的整體熱路徑（R_th(j-A)）必須最小化。這涉及：

• 使用一塊在散熱墊下方具有熱通孔陣列的PCB，該陣列連接到大型銅平面或內部接地層。
• 可能需要在PCB上附加外部散熱器。
• 確保最終應用中有良好的氣流。
• 如有必要，使用熱介面材料。

絕對不可超過115°C的最高接面溫度。降額曲線（順向電流 vs. 環境溫度）提供了計算所需散熱器性能的必要數據。

8.3 光學設計

150度的視角提供了廣泛的覆蓋範圍。對於需要更集中光束的應用，可以使用二次光學元件（透鏡或反射器）。850nm波長的光對人眼不可見，但易於被矽感測器和大多數CCD/CMOS相機偵測到，這些相機通常配備有紅外線截止濾光片，必須將其移除或更換為可通過850nm波長的濾光片才能有效使用。

9. 技術比較與差異化

相較於標準的5mm或3mm穿孔式紅外線LED，此元件在表面黏著封裝中提供了顯著更高的輻射輸出（高出一個數量級或更多），從而實現更緊湊且穩固的設計。其關鍵差異在於結合了高功率（功耗高達3W）、寬視角以及用於有效散熱的整合式散熱焊盤——這是在低功率SMD LED中通常缺乏的特性。使用GaAlAs晶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) 是指向所有方向發射的總光功率。輻射強度 (I_E，單位為 mW/sr) 是指在特定方向上，每單位立體角所發射的功率。對於像這樣的廣角LED，總功率很高，但在任何單一方向上的強度，會低於具有相同總功率的窄光束LED。

10.2 我可以直接使用電壓源驅動這個LED嗎？

不行。LED是電流驅動元件。其順向電壓存在公差且會隨溫度變化。直接連接到電壓源會導致不受控制的電流流過，很可能超過最大額定值並損壞LED。必須使用恆流驅動器或限流電路。

10.3 為何如此強調散熱的重要性？

高功率LED會將輸入電能的很大一部分轉化為熱量。若此熱量無法有效排除，接面溫度便會上升。高接面溫度會導致光輸出降低（效率衰減）、半導體材料加速老化，最終造成災難性故障。良好的熱設計能確保性能、可靠度與使用壽命。

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）能保證更高的最低輻射輸出。這讓您能在已知且保證的照明水平下設計系統。若您的設計有充足餘裕，選擇較低等級可能更具成本效益。若您正挑戰照明範圍或相機靈敏度的極限，則必須選擇較高等級。

11. 實務設計與使用案例研究

情境：為安防攝影機設計紅外線照明器

設計師需要創建一款緊湊型壁掛式紅外線照明器，以將安防攝影機的夜視範圍從10公尺擴展至25公尺。攝影機感測器對850nm波長敏感。設計師選擇了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。該驅動器包含過流保護和熱關斷保護功能。
2. 熱設計: 使用2盎司銅箔厚度的雙層PCB。一系列散熱孔將LED的散熱焊盤連接到底部大面積銅箔，作為散熱器。外殼由鋁製成，PCB透過散熱膏直接安裝於其上，以進一步散熱。
3. 光學/機械設計四顆LED以正方形排列於PCB上。一片平坦、透明的聚碳酸酯視窗保護著LED。每顆LED的150度寬廣光束相互重疊，形成均勻的紅外光泛光，在所需距離內覆蓋攝影機的視野。
4. 驗證原型在暗室中進行測試。熱像儀確認LED接面溫度維持在100°C以下。該安防攝影機成功在25公尺處識別物體，並具有清晰的對比度。

此案例凸顯了在使用此高功率元件時，驅動器設計、熱管理和光學布局之間的相互依存關係。

12. 運作原理

The 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。當施加超過二極體能隙能量的正向電壓時，電子和電洞會被注入到主動區域並在其中復合。此復合過程以光子的形式釋放能量。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奈米，屬於近紅外光譜。其水透明矽膠封裝保護了半導體晶片，並作為主要的光學元件，其球形狀有助於有效地提取光線並塑造輻射圖案。

13. 技術趨勢

高功率紅外線LED領域持續發展，呈現出幾個明顯的趨勢。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），以在相同光輸出的情況下減少熱量產生和能源消耗。這涉及磊晶成長技術和晶片設計的進步。封裝技術也在不斷改進，以提供更低的熱阻，從而能從晶片中導出更多熱量。此外，整合度日益提高，驅動器甚至有時是簡單的控制邏輯會與LED晶粒共同封裝，以創造更智能、更易使用的照明模組。汽車LiDAR、臉部辨識和先進工業自動化等應用的擴展，持續推動著對可靠、高功率紅外線光源的需求。

LED規格術語

LED技術術語完整解析

光電性能

術語	單位/表示法	簡易說明	為何重要
發光效能	lm/W (流明每瓦)	每瓦電力的光輸出，數值越高代表能源效率越好。	直接決定能源效率等級與電費成本。
光通量	lm (流明)	光源發出的總光量，通常稱為「亮度」。	判斷光線是否足夠明亮。
視角	° (度)，例如：120°	光強度降至一半時的角度，決定光束寬度。	影響照明範圍與均勻度。
CCT (色溫)	K (克耳文)，例如 2700K/6500K	光線的暖色調/冷色調，數值越低偏黃/溫暖，越高偏白/冷冽。	決定照明氛圍與適用場景。
CRI / Ra	無單位，0–100	準確呈現物體顏色的能力，Ra≥80為佳。	影響色彩真實性，用於商場、博物館等高要求場所。
SDCM	MacAdam橢圓步階，例如「5步階」	色彩一致性指標，步階數值越小代表色彩一致性越高。	確保同一批次LED的色彩均勻性。
主波長	nm (奈米)，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	顯示跨波長的強度分佈。	影響演色性與品質。

Electrical Parameters

術語	Symbol	簡易說明	設計考量
順向電壓	Vf	點亮LED所需的最低電壓，類似「啟動閾值」。	驅動器電壓必須 ≥Vf，串聯LED的電壓會累加。
順向電流	If	正常LED操作時的電流值。	Usually constant current drive, current determines brightness & lifespan.
Max Pulse Current	Ifp	短時間內可承受的峰值電流，用於調光或閃爍。	Pulse width & duty cycle must be strictly controlled to avoid damage.
反向電壓	Vr	LED可承受的最大反向電壓，超過此值可能導致擊穿。	電路必須防止反接或電壓尖峰。
Thermal Resistance	Rth (°C/W)	從晶片到焊料的熱傳遞阻力，數值越低越好。	高熱阻值需要更強的散熱能力。
ESD Immunity	V (HBM), e.g., 1000V	承受靜電放電的能力，數值越高表示越不易受損。	生產中需採取防靜電措施，特別是對於敏感的LED。

Thermal Management & Reliability

術語	關鍵指標	簡易說明	影響
接面溫度	Tj (°C)	LED晶片內部實際工作溫度。	每降低10°C可能使壽命加倍；過高會導致光衰、色偏。
Lumen Depreciation	L70 / L80 (小時)	亮度衰減至初始值70%或80%所需時間。	直接定義LED「使用壽命」。
光通維持率	%（例如：70%）	經過一段時間後保留的亮度百分比。	表示長期使用下的亮度保持率。
色偏	Δu′v′ 或 MacAdam 橢圓	使用期間的顏色變化程度。	影響照明場景中的色彩一致性。
Thermal Aging	材料劣化	因長期高溫導致的劣化。	可能導致亮度下降、顏色變化或開路故障。

Packaging & Materials

術語	Common Types	簡易說明	Features & Applications
封裝類型	EMC, PPA, Ceramic	封裝材料保護晶片，提供光學/熱介面。	EMC：耐熱性佳，成本低；陶瓷：散熱更好，壽命更長。
晶片結構	正面，覆晶	晶片電極排列。	覆晶封裝：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。	不同的螢光粉會影響光效、CCT和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。	決定視角與光分佈曲線。

Quality Control & Binning

術語	分類內容	簡易說明	目的
光通量分檔	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	依順向電壓範圍分組。	有助於驅動器匹配，提升系統效率。
Color Bin	5-step MacAdam ellipse	依據色座標分組，確保範圍緊密。	保證色彩一致性，避免燈具內部顏色不均。
CCT Bin	2700K、3000K等	按CCT分組，每組有對應的座標範圍。	滿足不同場景的相關色溫需求。

Testing & Certification

術語	Standard/Test	簡易說明	顯著性
LM-80	光通量維持率測試	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。	業界認可的測試基準。
RoHS / REACH	環境認證	確保不含危害物質（鉛、汞）。	國際市場准入要求。
ENERGY STAR / DLC	能源效率認證	照明設備的能源效率與性能認證。	用於政府採購、補貼計畫，提升競爭力。