IR17-21C/TR8 紅外線LED規格書 - 0805封裝 - 1.2V - 940nm - 130mW - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

IR17-21C/TR8是一款專為現代表面黏著技術（SMT）應用設計的高性能紅外線（IR）發射二極體。此元件採用緊湊的0805封裝，旨在提供與矽基光電探測器特別匹配的可靠紅外線發射。其主要功能是作為各種感測與開關電路中的高效紅外線光源。

此元件的核心優勢在於其微型尺寸，允許高密度PCB設計，以及其與矽光電二極體和光電晶體管的優異光譜匹配，確保了最佳的系統靈敏度。該元件採用透明塑膠透鏡構建，提供平坦的頂部視圖，有助於實現其寬廣的120度視角。它符合關鍵的環境與安全標準，包括RoHS、歐盟REACH，並且是作為無鹵素元件製造的。

2. 技術規格與客觀解讀

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。不保證在這些極限下或超過這些極限的操作。

• 連續順向電流（I_F)）：65 mA。這是可以持續流經LED的最大直流電流。
• 逆向電壓（V_R)）：5 V。施加高於此值的逆向偏壓可能會擊穿LED的PN接面。
• 工作與儲存溫度（T_opr, T_stg)）：-40°C 至 +85°C。此元件額定適用於工業級溫度範圍。
• 功率消耗（P_d)）：在25°C時為130 mW。這是封裝可以作為熱量消散的最大功率。在較高的環境溫度下需要進行降額處理。
• 焊接溫度（T_sol)）：≤5秒內260°C。這定義了峰值迴焊溫度曲線的耐受度。

2.2 電氣-光學特性

這些參數是在25°C環境溫度和20 mA順向電流的標準測試條件下測量的，代表典型工作條件。

• 輻射強度（I_e)）：0.2 mW/sr（最小值），0.8 mW/sr（典型值）。這測量的是每單位立體角發射的光功率。典型值表示預期的輸出。
• 峰值波長（λ_p)）：940 nm（典型值）。發射的紅外線以此波長為中心，這對於在近紅外區域具有高靈敏度的矽探測器來說是理想的。
• 頻譜頻寬（Δλ）：45 nm（典型值）。這定義了發射的波長範圍，通常是半高全寬（FWHM）。
• 順向電壓（V_F)）：在20mA下為1.2 V（典型值），1.5 V（最大值）。低順向電壓可降低功耗和熱負載。
• 逆向電流（I_R)）：在5V下為10 µA（最大值）。這是元件處於逆向偏壓時的漏電流。
• 視角（2θ_1/2)）：120°（典型值）。定義為輻射強度降至軸上值一半時的全角，提供非常寬廣的發射模式。

3. 性能曲線分析

規格書提供了幾條對設計工程師至關重要的特性曲線。

• 順向電流 vs. 環境溫度：此圖顯示了由於封裝的功率消耗限制，最大允許順向電流如何隨著環境溫度升高而降低。這對於熱管理至關重要。
• 頻譜分佈：說明相對輻射功率隨波長的變化，確認了940nm處的峰值和頻譜頻寬。
• 順向電流 vs. 順向電壓（I-V曲線）：展示了二極體典型的指數關係。該曲線有助於為給定的電源電壓選擇合適的限流電阻。
• 相對輻射強度 vs. 角度位移：顯示發射模式的極座標圖。此處可視化確認了120度視角，顯示了平頂LED常見的朗伯或近朗伯分佈。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

IR17-21C/TR8符合標準的0805（英制）或2012（公制）佔位面積。關鍵尺寸包括本體長度約2.0 mm、寬度1.25 mm，以及高度通常為0.8至1.0 mm（精確值請參閱圖紙）。陽極和陰極在封裝上有明確標記。提供了建議的焊盤佈局供PCB設計使用，並建議根據特定的製造工藝進行調整。

4.2 載帶尺寸

元件以標準8mm載帶捲盤形式供應，用於自動貼片組裝。每捲包含3000個元件。載帶尺寸，包括凹槽尺寸、間距和捲盤直徑，均有明確規定，以確保與SMT設備送料器的相容性。

5. 焊接與組裝指南

5.1 濕度敏感度與儲存

此元件對濕度敏感（標籤上標明MSL等級）。未開封的防潮袋必須儲存在30°C以下和90%相對濕度以下。一旦開封，當儲存在≤60%相對濕度時，元件的車間壽命為168小時（7天）。超過此時間需要在迴焊前進行烘烤程序（例如，在60°C下烘烤96小時），以防止焊接過程中發生爆米花損壞。

5.2 迴焊溫度曲線

建議採用無鉛（Pb-free）迴焊溫度曲線。關鍵參數包括預熱階段、在液相線以上（例如217°C）的規定時間、不超過260°C的峰值溫度，以及在臨界溫度區域內的總時間。迴焊次數不應超過兩次。

5.3 手工焊接與返修

若需手工焊接，應使用烙鐵頭溫度低於350°C、額定功率低於25W的烙鐵。每個端子的接觸時間應限制在3秒內，端子之間需有足夠的冷卻時間。對於返修，建議使用雙頭烙鐵同時加熱兩個端子，以避免對焊點造成機械應力。應事先評估返修對元件可靠性的影響。

6. 應用建議與設計考量

6.1 典型應用場景

• PCB安裝式紅外線感測器：用作接近感測器、物體偵測和非接觸式開關中的發射器。
• 微型光遮斷器 / 光學遮斷器：與光電探測器配對，用於偵測物體遮斷光束，應用於編碼器、槽型感測器和安防系統。
• 光電開關：用於反射式感測器，其中LED光線從表面反射回探測器。
• 煙霧偵測器：用於某些光學腔室設計中，偵測散射光線的煙霧顆粒。

6.2 關鍵設計考量

• 必須進行電流限制：必須始終使用外部串聯電阻來設定順向電流。LED的低順向電壓意味著即使電源電壓的小幅增加也可能導致電流大幅且具破壞性的增加。
• 熱管理：雖然封裝很小，但必須考慮功率消耗，特別是在高環境溫度環境下或驅動電流接近最大值時。足夠的PCB銅箔面積有助於散熱。
• 光學對準：寬廣的120度視角有利於廣泛覆蓋，但會降低任何特定點的強度。對於長距離或聚焦應用，可能需要外部透鏡。
• 電氣雜訊免疫力：在電氣雜訊較大的環境中，考慮屏蔽或調變LED驅動電流，以將訊號與環境紅外線雜訊（例如來自陽光或其他來源）區分開來。

7. 技術比較與差異化

與其他紅外線LED相比，IR17-21C/TR8的關鍵差異在於其結合了非常緊湊的0805佔位面積、相對較高的輻射強度（典型值0.8 mW/sr）以及寬廣的120度視角。許多類似封裝的競爭產品可能提供較窄的視角或較低的輸出。其1.2V的低順向電壓對於低電壓電池供電電路也是一個優勢，提高了效率。明確符合無鹵素和REACH標準，使其適用於對材料限制嚴格且注重環保的設計。

8. 常見問題（基於技術參數）

8.1 我應該使用多大的電阻值，從5V電源以20mA驅動此LED？

使用歐姆定律：R = (V_supply- V_F) / I_F。假設V_supply=5V，V_F=1.2V（典型值），且I_F=0.020A，則R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190歐姆。使用標準的200歐姆電阻將產生約(5-1.2)/200 = 19mA的電流，這是可接受的。請務必使用最大V_F（1.5V）進行計算，以確保最小電流足以滿足您的應用需求。

8.2 我可以用高於65mA的電流脈衝驅動此LED嗎？

連續順向電流的絕對最大額定值為65mA。如果工作週期足夠低，使得平均電流和由此產生的接面溫度保持在安全限度內，則使用更高的峰值電流進行脈衝驅動可能是可行的。然而，規格書並未提供脈衝電流額定值或降額曲線。不建議在沒有製造商提供的特定特性數據的情況下，操作超過絕對最大額定值，因為這可能會降低可靠性和使用壽命。

8.3 環境溫度如何影響輸出？

LED的輻射強度通常會隨著接面溫度的升高而降低。順向電流 vs. 環境溫度圖表間接與此相關，因為較高的溫度迫使降低允許電流以避免過熱。為了在溫度變化下獲得精確的輸出穩定性，可能需要使用配對的光電探測器或溫度補償的反饋電路。

9. 實務設計與使用案例

案例：設計印表機中的紙張偵測感測器

一位工程師需要在小型印表機的進紙匣偵測紙張是否存在。空間極其有限。他們選擇了IR17-21C/TR8和一個類似封裝的匹配光電晶體管。這些元件被放置在紙張通過的狹窄通道的兩側。LED以15mA驅動（使用來自印表機3.3V邏輯電源的合適電阻），以在提供足夠訊號的同時節省電力。LED寬廣的120度視角確保了即使有輕微的機械對準誤差，光束也能充分充滿通道。當紙張存在時，它會阻擋紅外線，導致光電晶體管的輸出發生變化，該變化由微控制器讀取。0805封裝的低高度允許感測器整合到纖薄的機構中。設計者遵循迴焊溫度曲線指南，並確保PCB佈局包含用於焊接的散熱焊盤。

10. 工作原理介紹

紅外線發光二極體（IR LED）是一種半導體二極體。當在其端子之間施加順向電壓（陽極相對於陰極為正）時，電子會注入PN接面。當這些電子在半導體材料（此處為砷化鎵鋁 - GaAlAs）的活性區域中與電洞復合時，能量以光子（光粒子）的形式釋放。GaAlAs材料的特定成分決定了發射光子的波長，對於此元件而言，該波長位於紅外線頻譜（940nm）。此波長對人眼不可見，但可以被矽基光電二極體和光電晶體管有效偵測，當受到足夠能量的光子撞擊時，它們會產生電流。

11. 產業趨勢與發展

光電元件（包括紅外線元件）的趨勢持續朝向微型化、更高效率和整合化發展。對於空間受限的應用，比0805更小的封裝（例如0603、0402）正變得越來越普遍。同時，業界也致力於通過改進晶片設計和封裝材料，從更小的封裝中提高輻射強度和功率輸出。整合是另一個關鍵趨勢，將發射器-探測器對組合在單一封裝中（光耦合器、反射式感測器），簡化了組裝並改善了對準。此外，對符合嚴格環境法規（RoHS、REACH、無鹵素）的元件的需求，現已成為整個行業的標準要求，推動了無鉛焊料和封裝材料在材料科學方面的創新。