IR 發射器與偵測器 LTE-C216-P-W 資料手冊 - 1206 封裝 (3.2x1.6x1.1mm) - 峰值波長 850nm - 順向電壓 1.4V - 功率損耗 100mW - 英文技術文件

1. 產品概述

本文件詳述一款分離式紅外線發射器與偵測器元件的規格。此元件專為需要可靠紅外線訊號傳輸與接收的應用而設計。它將一個紅外線發光二極體與一個感測元件結合在單一、緊湊的表面黏著封裝內。其核心技術基於砷化鎵與砷化鋁鎵材料，針對850奈米的峰值波長操作進行優化。此波長因其在性能與元件可用性之間的良好平衡，普遍用於消費性電子產品與資料傳輸。

其主要設計目標是提供一個具備高輻射強度、良好速度特性與寬廣視角的解決方案，以利對準與訊號擷取。此元件採用標準1206封裝尺寸，使其能相容於自動化取放組裝線與標準紅外線迴焊製程。它被歸類為符合RoHS規範的綠色產品。

1.1 主要特性與應用

該裝置整合多項關鍵特性，使其適用於現代電子製造：

• 符合RoHS與綠色產品標準。
• 以8mm載帶包裝於7英吋直徑捲盤，適用於自動化組裝。
• 相容於自動貼裝設備。
• 設計可承受標準紅外迴流焊接溫度曲線。
• 符合EIA標準封裝尺寸。
• 發射峰值波長(λp)為850nm。
• 採用常見的1206表面黏著元件(SMD)封裝類型。

此元件的典型應用包括但不限於：

• 適用於遙控裝置（例如電視、音響系統）的紅外線發射器。
• 用於接近偵測、物體感測或資料接收的PCB安裝紅外線感測器。
• 用於短距離通訊的紅外線無線資料傳輸鏈路。
• 利用紅外線光束的安全警報系統。

2. 技術規格詳解

本節提供對裝置電氣、光學及熱特性的詳細客觀分析。除非另有說明，所有參數均以環境溫度 (TA) 25°C 為準。

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能導致裝置永久損壞的極限。不保證在此條件下或於此條件時操作，在可靠的設計中應避免。

• Power Dissipation (Pd): 100 毫瓦。這是封裝作為熱能所能耗散的最大總功率。
• 峰值順向電流 (IFP)： 800 毫安。這是在每秒 300 個脈衝、脈衝寬度 10 微秒的條件下，所規定的最大允許脈衝電流。
• 直流順向電流 (IF)： 60 毫安。這是穩態操作下的最大連續順向電流。
• 逆向電壓 (VR)： 5 伏特。可施加於 IRED 兩端的最大逆向電壓。
• 操作溫度範圍： -40°C 至 +85°C。此為裝置設計可正常運作的環境溫度範圍。
• 儲存溫度範圍： -55°C 至 +100°C。此為裝置在非運作狀態下存放的溫度範圍。
• 紅外線迴焊條件： 最高 260°C 持續 10 秒。此定義了無鉛製程迴焊的峰值溫度限制。

2.2 電氣與光學特性

此為正常操作條件下的典型性能參數。設計人員應根據其電路計算，適當地使用典型值 (Typ.) 或最大值 (Max.)。

• 輻射強度 (IE)： 在正向電流 (IF) 為 20mA 時，典型值為 3.0 mW/sr。此為沿軸線每單位立體角所發射的光功率。
• 峰值發射波長 (λPeak)： 典型值為 850 nm。此為光輸出功率達到最大值時的波長。
• 譜線半寬 (Δλ)： 典型值為 50 nm。此為發射功率至少達到峰值功率一半時的波長範圍，用以表示光譜純度。
• 正向電壓 (VF)： 在 IF=20mA 時，典型值為 1.4 V，最大值為 1.8 V。此為 IRED 導通時兩端的電壓降。
• 逆向電流 (IR): 在逆向電壓 (VR) 為 5V 時，最大 10 μA。此為元件處於逆向偏壓時的小量漏電流。
• 上升/下降時間 (Tr/Tf): 典型值 20 nS。指光學輸出從最終值的 10% 上升至 90%（或從 90% 下降至 10%）所需的時間，代表其切換速度。
• 視角 (2θ1/2): 典型值 100 度。指輻射強度為軸上強度一半時的全角。更寬的視角使得發射器與偵測器之間的對準要求較不嚴苛。

3. 性能曲線分析

資料手冊提供了數個特性曲線，對於理解元件在不同條件下的行為至關重要。這些圖表能讓設計者推斷單點規格以外的性能表現。

3.1 光譜分佈

光譜分佈曲線顯示了相對輻射強度隨波長的變化關係。對於此元件，曲線中心位於850nm，並具有定義的50nm半高寬。此資訊對於在偵測器端選擇相容的光學濾波器以抑制環境光噪聲至關重要。

3.2 順向電流 vs. 順向電壓 (I-V 曲線)

此曲線說明了流經紅外線發光二極體的電流與其兩端電壓之間的非線性關係。它顯示了典型的導通電壓以及VF如何隨IF增加。設計人員利用此資訊來計算當使用電壓源驅動時，用於限流所需的串聯電阻值。

3.3 順向電流 vs. 環境溫度

此圖表展示了最大允許直流順向電流如何隨著環境溫度升高而遞減。為了確保可靠性，在較高溫度下必須降低工作電流，以使接面溫度和功率耗散保持在安全限度內。

3.4 相對輻射強度 vs. 環境溫度

此曲線顯示了光輸出功率對溫度的依賴性。通常，輻射強度會隨著接面溫度上升而下降。在需要於寬廣溫度範圍內保持穩定光輸出的應用中，必須考慮此特性。

3.5 相對輻射強度 vs. 順向電流

這是一條關鍵曲線，顯示光輸出功率作為驅動電流的函數。它在很大範圍內通常是線性的，但在極高電流下可能會飽和。設計人員利用此曲線來確定實現特定訊號強度所需的驅動電流。

3.6 輻射場型圖

一個描述發射光空間分佈的極座標圖。該圖證實了寬廣的100度視角，並顯示了強度如何隨著偏離中心軸的角度而減弱。此模式對於設計系統中的光路和對準至關重要。

4. 機械與封裝資訊

4.1 外觀與封裝尺寸

該元件採用標準的1206 SMD封裝。關鍵尺寸包括本體長度約3.2mm、寬度1.6mm及高度1.1mm。資料手冊提供了詳細的尺寸圖，公差通常為±0.1mm。陰極通常透過標記或特定的焊墊形狀來指示。

4.2 建議焊墊佈局

提供了用於PCB設計的建議焊墊圖形（Footprint）。這包括焊墊尺寸、間距和形狀，以確保迴焊時形成可靠的焊點，同時最大限度地降低墓碑效應或橋接短路的風險。遵循這些建議對於製造良率非常重要。

4.3 捲帶與捲盤封裝規格

元件以壓紋載帶供應，捲繞於7英吋（178毫米）直徑的捲盤上。關鍵載帶尺寸包含袋距、袋型尺寸與載帶寬度。每捲盤包含3000件元件。包裝符合ANSI/EIA 481-1-A-1994標準，確保與標準自動化送料器相容。

5. 組裝、操作與應用指南

5.1 焊接與迴焊製程

本元件相容於紅外線迴焊製程。建議採用符合JEDEC無鉛組裝標準的詳細迴焊溫度曲線。關鍵參數包含：

• 預熱： 150-200°C，最長可達120秒。
• 峰值溫度： 最高260°C。
• 液相線以上時間： 元件不應暴露於260°C以上溫度超過10秒，且迴焊次數不應超過兩次。

使用烙鐵進行手工焊接時，建議烙鐵頭最高溫度為300°C，每個焊點加熱時間不超過3秒。必須強調，最佳溫度曲線取決於具體的PCB設計、錫膏和迴焊爐，因此需要進行製程特性分析。

5.2 儲存與濕度敏感性

這些元件對濕度敏感。在原始的密封防潮袋（內含乾燥劑）中，應儲存於≤30°C且≤90%相對濕度（RH）的環境下，並在一年內使用。一旦開封，儲存環境不得超過30°C / 60% RH。從原始包裝中取出的元件應在一週內進行迴焊。若需在原始包裝外長期儲存，必須將其置於帶有乾燥劑的密封容器或氮氣乾燥櫃中。未包裝儲存超過一週的元件，在焊接前需要進行烘烤（例如，在60°C下烘烤20小時），以去除吸收的濕氣，防止迴焊時發生「爆米花」現象。

5.3 清潔

若焊接後需要清潔，僅應使用異丙醇（IPA）等醇類溶劑。應避免使用強效或侵蝕性化學清潔劑，因其可能損壞封裝的環氧樹脂透鏡。

5.4 驅動方法與電路設計

一個關鍵的設計注意事項是，LED是一種電流驅動元件。驅動紅外線發射器時，若使用電壓源，必須串聯一個限流電阻。此電阻用於將工作電流（IF）設定至所需值，可根據歐姆定律計算：R = (Vcc - VF) / IF。此外，當多個發射器並聯連接時，每個元件應使用獨立的限流電阻，以確保亮度均勻性，因為不同元件之間的正向電壓（VF）可能略有差異。

5.5 應用注意事項與預期用途

本元件適用於一般用途的電子設備。對於需要極高可靠性，且故障可能危及生命或健康的應用（例如航空、醫療、運輸安全系統），需要進行專門的諮詢與認證，因為這些應用超出了本資料手冊所提供的標準商業級規格範圍。

6. 技術比較與設計考量

相較於簡單的分離式紅外線發射二極體或光電探測器，這種封裝於單一元件內的整合型發射器-探測器對，能確保匹配的光學特性與緊密的物理鄰近性，從而簡化設計，這對反射式感測應用是有利的。850奈米波長的光線對人眼而言比940奈米更不易察覺，使其適用於可接受微弱紅光、甚至將此紅光用作狀態指示燈的應用。100度的視角明顯寬廣，與光束較窄的元件相比，降低對準精度的要求。

設計人員必須仔細權衡驅動電流、輻射強度與元件壽命/發熱之間的取捨。在電流或溫度的絕對最大額定值或接近該值下運作，將加速元件老化並降低長期可靠性。建議規劃適當的PCB佈局以利散熱，尤其是在高工作週期或高環境溫度下運作時。

7. 常見問題（基於技術參數）

Q: 我可以直接用微控制器GPIO引腳驅動這個紅外線發射二極體嗎？
A: 不行。微控制器引腳通常無法安全地提供20-60mA電流。您必須使用GPIO來控制一個電晶體（例如MOSFET或BJT），由該電晶體來切換來自電源供應器的較高電流，並串聯一個電阻來設定精確的電流值。

Q: 峰值波長（λp）與主波長（λd）有何不同？
A> Peak wavelength is the point of maximum spectral power. Dominant wavelength is derived from color perception on a chromaticity diagram and represents a single wavelength that matches the perceived color. For monochromatic IR devices, they are often very close.

Q: 我該如何與此元件的偵測器端進行介接？
A> The datasheet primarily details the 發射器 characteristics. The 偵測器 (photodiode or phototransistor) will have its own set of parameters (dark current, responsivity, etc.) not fully listed here. Typically, the 偵測器 output is a small current proportional to received IR light, which is usually converted to a voltage using a transimpedance amplifier or a simple load resistor for digital threshold detection.

Q: 為什麼儲存濕度條件如此重要？
A> SMD packages can absorb moisture through the plastic molding compound. During the high heat of reflow soldering, this trapped moisture can vaporize rapidly, creating internal pressure that can crack the package or delaminate internal bonds—a failure known as "popcorning." The storage and baking guidelines prevent this.

8. 實際應用範例

設計案例：簡易接近/障礙物感測器
一種常見的應用是光束遮斷感測器。發射器以脈衝電流驅動（例如，38kHz下的20mA脈衝），以將其訊號與環境紅外線區分開來。放置在短距離外的偵測器接收此訊號。當物體阻斷光束時，接收到的訊號會下降。偵測器的輸出被送入解調接收器IC或具有濾波邏輯的微控制器，以偵測載波頻率的缺失，從而觸發輸出。其寬廣的視角簡化了在監控路徑兩側對齊發射器和偵測器的過程。

9. 運作原理

該裝置基於基本的光電原理運作。 發射器 是一個紅外線發射二極體（IRED）。當施加正向偏壓時，電子和電洞在半導體的主動區（GaAs/AlGaAs）內復合，以光子的形式釋放能量。材料的能隙決定了光子能量，從而決定了波長，在此情況下為850nm。 偵測器 通常是矽製成的光二極體或光電晶體。當具有足夠能量（對於矽，波長通常可達約1100nm）的光子撞擊偵測器的空乏區時，會產生電子-電洞對。在光二極體中，當施加反向偏壓時，這會產生光電流。在光電晶體中，光電流充當基極電流，導致更大的集極電流流動，從而提供內部增益。

10. 技術趨勢

在分離式紅外元件領域，趨勢包括開發具有更高功率輸出以實現更長距離、提升速度以加快資料傳輸的裝置，以及在探測器封裝中整合增強型光譜濾波，以在強環境光條件下實現更高的信噪比。此外，為了節省電路板空間，也有朝向比1206封裝更小型化（例如0805、0603）發展的趨勢，儘管這通常會以光學功率或視角的降低為代價。汽車和工業應用中對更高可靠性和性能的追求，持續推動著元件向更寬的工作溫度範圍和更堅固的封裝方向發展。