紅外線發射二極體 940nm 規格書 - EIA 封裝 - 峰值波長 940nm - 順向電壓 1.2V - 輻射強度 0.8mW/sr - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

本文件詳述一款分離式紅外線發射元件的規格。此元件專為需要可靠紅外線發射的應用而設計，例如遙控系統、紅外線無線資料傳輸及安全警報系統。它屬於包含多種紅外線發射二極體與光電偵測器的產品線。主要使用材料為砷化鎵，其針對 940 奈米的峰值發射波長進行了優化。此波長在消費性電子產品中廣泛使用，因其對人眼不可見，且能與矽基接收器良好搭配運作。

此元件採用標準 EIA 封裝，使其能相容於自動化組裝製程。其特點為頂視、水色透明平透鏡，提供寬廣視角。本產品符合 RoHS 指令，並歸類為綠色產品。

1.1 主要特點

• 符合 RoHS 與綠色產品標準。
• 頂視設計，配備水色透明平透鏡。
• 以 8mm 載帶包裝於 7 英吋直徑捲盤，適用於自動貼裝。
• 相容於自動貼裝設備。
• 適用於紅外線迴焊製程。
• 標準 EIA 封裝焊盤圖案。
• 峰值發射波長 (λp) 為 940nm。
• 濕度敏感等級：第 3 級。

1.2 目標應用

• 主要作為紅外線發射源使用。
• 整合至 PCB 安裝的紅外線感測器模組。
• 消費性電子產品遙控器（電視、音響系統）。
• 短距離無線資料鏈路。
• 接近感測器與物體偵測。
• 安全與警報系統光束遮斷。

2. 技術參數：深入客觀解讀

以下章節針對規格書中定義的元件關鍵性能參數進行詳細分析。理解這些參數對於正確的電路設計與可靠運作至關重要。

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運作，為確保長期可靠性能應予以避免。

• 功率消耗 (Pd)：100 mW。這是元件能以熱形式消耗的最大總功率。超過此限制有熱失控與故障的風險。
• 峰值順向電流 (I_FP)：500 mA。這是脈衝條件下（每秒 300 個脈衝，10 μs 脈衝寬度）允許的最大電流。此值顯著高於直流額定值，允許遙控器使用高亮度脈衝。
• 直流順向電流 (I_F)：50 mA。最大連續順向電流。為實現最高效率與可靠性，建議使用較低的驅動電流（例如測試條件中使用的 20mA）。
• 逆向電壓 (V_R)：5 V。可施加於逆向方向的最大電壓。此元件並非為逆向操作設計，超過此電壓可能導致崩潰。
• 工作與儲存溫度：分別為 -40°C 至 +85°C 與 -55°C 至 +100°C。這些範圍定義了運作與非運作時的環境條件。
• 紅外線焊接條件：可承受 260°C 最多 10 秒。此為定義迴焊溫度曲線的關鍵參數。

2.2 電氣與光學特性

這些是在環境溫度 (T_A) 25°C 下量測的典型性能參數。它們定義了元件在正常工作條件下的行為。

• 輻射強度 (I_E)：在 I_F= 20mA 時為 0.8 mW/sr（典型值）。此參數量測每單位立體角發射的光功率。最小值為 0.42 mW/sr，測試容差為 ±15%。此參數直接影響紅外線系統的有效距離。
• 峰值發射波長 (λ_Peak)：940 nm（典型值）。這是發射光功率達到最大值的波長。必須與接收光電二極體或光電晶體管的峰值靈敏度相匹配。
• 譜線半寬度 (Δλ)：50 nm（典型值）。這表示發射強度至少為峰值一半的光譜頻寬。較窄的頻寬有助於濾除環境光雜訊。
• 順向電壓 (V_F)：在 I_F= 20mA 時為 1.2 V（典型值），1.6 V（最大值）。這是二極體導通時的跨壓降。對於計算串聯電阻值至關重要：R_series= (V_supply- V_F) / I_F.
• 逆向電流 (I_R)：在 V_R= 5V 時為 10 μA（最大值）。這是二極體逆向偏壓時的小量漏電流。
• 視角 (2θ_1/2)：150°（典型值）。這是輻射強度降至軸上值一半時的全角。如此寬廣的角度適用於需要廣泛覆蓋而非聚焦光束的應用。

3. 性能曲線分析

規格書提供了數條特性曲線，說明關鍵參數如何隨工作條件變化。這些對於設計優化極具價值。

3.1 光譜分佈

光譜分佈曲線（圖 1）顯示相對輻射強度隨波長的變化。它確認了 940nm 的峰值與約 50nm 的半寬度，提供了發射光譜純度的視覺化呈現。

3.2 順向電流 vs. 環境溫度與順向電壓

圖 2 顯示最大允許順向電流如何隨環境溫度升高而降額。這對於熱管理至關重要。圖 3 是標準的 I-V（電流-電壓）曲線，顯示順向電流與電壓之間的指數關係。此曲線有助於理解二極體的動態電阻。

3.3 相對輻射強度 vs. 溫度與電流

圖 4 說明光學輸出功率如何隨環境溫度升高而降低。圖 5 顯示輸出功率如何隨順向電流增加，但並非線性關係。它突顯了在極高電流下報酬遞減與潛在效率下降的點。

3.4 輻射圖案

極座標輻射圖（圖 6）以圖形方式呈現視角。標示不同角度強度值的近乎圓形圖案，確認了平透鏡封裝特有的非常寬廣、類似朗伯體的發射模式。

4. 機械與封裝資訊

4.1 外型尺寸

規格書包含元件的詳細機械圖。關鍵尺寸包括本體尺寸、引腳間距與總高度。除非另有說明，所有尺寸均以毫米為單位，標準公差為 ±0.1mm。此封裝符合標準 EIA 焊盤圖案，確保與常見 PCB 佈局及取放機器的相容性。

4.2 建議焊墊尺寸

提供了用於 PCB 設計的建議焊盤圖案。遵循這些尺寸可確保迴焊過程中形成正確的焊點。建議包括使用厚度為 0.1mm（4 mils）或 0.12mm（5 mils）的金屬鋼網進行錫膏印刷。

4.3 極性識別

陰極通常由元件本體及外型圖上的平面側、凹口或較短的引腳標示。組裝時必須注意正確極性，以防止元件損壞。

4.4 載帶與捲盤包裝尺寸

此元件以壓紋載帶包裝於 7 英吋（178mm）直徑的捲盤上供應。規格書提供了載帶凹槽、覆蓋帶與捲盤軸心的詳細尺寸。標準捲盤數量為每捲 5000 個。包裝符合 ANSI/EIA-481-1-A-1994 規範。

5. 焊接與組裝指南

5.1 迴焊參數

此元件相容於紅外線迴焊製程。提供了無鉛焊接的建議溫度曲線，關鍵參數包括：

• 預熱：150–200°C。
• 預熱時間：最長 120 秒。
• 峰值溫度：最高 260°C。
• 液相線以上時間：最長 10 秒（建議最多兩次迴焊循環）。

此曲線基於 JEDEC 標準。必須強調，最佳曲線取決於特定的電路板設計、元件、錫膏與迴焊爐，因此需要進行特性分析。

5.2 手工焊接

若需手工焊接，請使用溫度不超過 300°C 的烙鐵，並將每個引腳的接觸時間限制在最多 3 秒。

5.3 儲存條件

基於其濕度敏感等級第 3 級：

• 密封袋：儲存於 ≤30°C 與 ≤90% RH。請於袋口密封日期起一年內使用。
• 開袋後：儲存於 ≤30°C 與 ≤60% RH。建議在一週（168 小時）內完成紅外線迴焊。
• 長期儲存（已開封）：儲存於帶有乾燥劑的密封容器或氮氣乾燥櫃中。
• 烘烤：若暴露超過一週，請在焊接前以約 60°C 烘烤至少 20 小時，以去除吸收的水分並防止迴焊過程中發生爆米花效應。

5.4 清潔

若需焊後清潔，請使用酒精類溶劑，如異丙醇。避免使用可能損壞環氧樹脂透鏡或封裝的強效或未知化學清潔劑。

6. 應用建議與設計考量

6.1 典型應用電路

最常見的電路是簡單的串聯連接：電壓源 (V_CC)、限流電阻 (R_S) 與紅外線發射二極體。R_S= (V_CC- V_F) / I_F。對於脈衝操作（例如遙控器），通常使用電晶體（BJT 或 MOSFET）以所需的頻率與工作週期開關紅外線發射二極體。峰值電流不得超過 I_FP rating.

6.2 光學設計考量

• 距離 vs. 電流：有效距離與輻射強度的平方根成正比。將驅動電流加倍並不會使距離加倍。
• 透鏡選擇：內建的平透鏡提供寬廣覆蓋。對於更長距離或聚焦光束，可添加外部塑膠透鏡以準直光線。
• 接收器匹配：務必將 940nm 發射器與峰值靈敏度同樣在 940nm 區域的光電偵測器（光電二極體、光電晶體管或 IC）配對。許多矽偵測器在 850-950nm 附近具有良好的靈敏度。
• 環境光抑制：在具有強烈環境紅外線（陽光、白熾燈泡）的環境中，請使用調變訊號與帶有匹配解調器的接收器。在接收器上使用阻擋可見光並通過 940nm 的光學濾鏡，可顯著改善訊噪比。

6.3 熱管理

雖然此元件可處理 100mW，但在較低的功率消耗下運作可提高可靠性與壽命。確保焊墊周圍有足夠的 PCB 銅箔面積作為散熱片，特別是在接近最大直流電流驅動時。對於高溫環境，必須參考降額曲線（圖 2）。

7. 技術比較與差異化

此款 940nm 砷化鎵紅外線發射二極體為通用紅外線應用提供了一組平衡的特性。其規格所暗示的主要差異化因素包括：

• 波長：在許多消費性應用中，940nm 比 850nm 更受青睞，因為其微弱的紅光較不可見，提供更隱蔽的操作。
• 寬廣視角：150° 的角度異常寬廣，適用於對準要求不嚴格或需要廣泛區域覆蓋的應用（例如佔位感測器）。
• 標準封裝：EIA 封裝確保了業界內易於採購、相容與更換。
• 穩健性：脈衝電流（500mA）與迴焊（260°C）的額定值表明這是一款為高產量、可靠製造而設計的元件。

8. 常見問題（基於技術參數）

8.1 我應該使用多大的電阻值，以從 5V 電源以 20mA 驅動此紅外線發射二極體？

使用典型的 V_F值 1.2V：R = (5V - 1.2V) / 0.020A = 190 歐姆。標準的 180 或 200 歐姆電阻將是合適的。為確保保守設計，電流不超過目標值，請始終使用最大 V_F值（1.6V）計算：R_min = (5V - 1.6V) / 0.020A = 170 歐姆。

8.2 我可以將此元件用於長距離遙控器嗎？

其 0.8 mW/sr 的輻射強度適用於典型室內遙控器，距離為 5-10 公尺。對於更長距離，您需要增加驅動電流（在脈衝額定值內）、使用聚焦透鏡，或選擇具有更高輻射強度規格的紅外線發射二極體。

8.3 規格書寫道逆向電壓條件僅用於紅外線測試。此元件並非為逆向操作設計。這是什麼意思？

這意味著 5V 逆向電壓額定值是用於驗證製造過程中漏電流的測試參數。它並非操作額定值。在您的電路中，必須確保紅外線發射二極體在正常操作期間絕不會承受逆向偏壓，因為即使是很小的逆向電壓，若未限流，也可能損壞它。務必包含保護措施，例如確保其方向正確，或在電路拓撲可能導致逆向電壓時添加並聯二極體。

8.4 打開防潮袋後一週的車間壽命有多關鍵？

對於 MSL 3 級元件而言，這非常重要。超過車間壽命而未進行適當儲存或烘烤，會導致濕氣進入塑膠封裝。在高溫迴焊過程中，這些水分可能迅速汽化，導致內部分層、裂紋或爆米花效應，從而引發立即或潛在的故障。請嚴格遵守儲存與烘烤指南。

9. 運作原理

紅外線發射二極體的運作原理與標準可見光 LED 相同，但使用具有對應紅外線光子能量的能隙的半導體材料（如砷化鎵）。當施加順向電壓時，電子與電洞在半導體的主動區域復合，以光子形式釋放能量。對於砷化鎵，此光子能量對應於約 940nm 的波長。水色透明環氧樹脂透鏡對可見光與紅外線均透明，允許紅外線輻射通過，同時也為半導體晶片提供機械與環境保護。

10. 產業趨勢

分離式紅外線元件的市場保持穩定，由遙控器等成熟應用以及物聯網感測器、手勢辨識與機器視覺等新興應用所驅動。趨勢包括將發射器與偵測器整合到更小、更穩固的封裝中，開發用於資料通訊（IrDA 後繼者）的更高速度紅外線發射二極體，以及對電池供電裝置的功率效率與可靠性的日益重視。符合全球環保法規的無鉛與無鹵素材料轉向也是一項標準要求，而此元件已滿足此要求。