紅外線LED 940nm 規格書

1. 產品概述

本文件提供紅外線發光二極體元件的全面技術概述。此元件的主要功能是發射近紅外光譜的光，特別是峰值波長為940奈米。此波長人眼不可見，但對於各種感測與遙控應用極為有效。此元件專為需要可靠且穩定紅外線光源的電子組裝而設計。

此紅外線LED的核心優勢在於其指定的940nm發射波長，這是電視遙控器、接近感測器等消費性電子產品的常見標準。此波長在矽光電探測器靈敏度與環境光抑制之間取得了良好平衡。目標市場包括消費性電子、工業自動化、安防系統，以及任何需要非可見光進行信號傳輸、偵測或資料傳輸的應用。

2. 深入技術參數分析

提供的PDF片段突顯了一個關鍵的光度參數：峰值波長。

2.1 光度特性

峰值波長：940nm

這是LED發射的最主要波長，輻射強度在此達到最大值。940nm的峰值具有重要意義，原因如下：

矽探測器相容性：最常見的紅外線探測器——矽光電二極體與光電晶體，其峰值靈敏度通常在800nm至950nm範圍內。940nm光源與此範圍高度匹配，確保了高效的偵測與強勁的信號強度。
低可見光發射：雖然某些近紅外LED會發出微弱的紅光，但940nm LED幾乎不可見，使其成為隱蔽應用或避免可見光洩漏的理想選擇。
抗陽光干擾：太陽輻射光譜在940nm附近有一個局部最小值，這使得使用此波長的感測器，相較於例如850nm LED，更能抵抗環境陽光的干擾。

雖然PDF摘錄僅顯示峰值波長，但完整的規格書通常會包含其他光度參數，例如輻射強度、視角以及光譜頻寬。

2.2 電氣參數

儘管提供的文字中未明確列出，但理解電氣特性對於設計至關重要。

順向電壓：LED在其指定電流下工作時的電壓降。對於典型的紅外線LED，此值通常在1.2V至1.6V之間，但確切值取決於半導體材料和晶片設計。此參數對於選擇合適的限流電阻或驅動電路至關重要。
順向電流：建議的連續工作電流，對於標準封裝通常介於20mA至100mA之間。超過最大順向電流可能導致快速劣化或災難性故障。
逆向電壓：LED在反向偏壓下可承受而不損壞的最大電壓，通常約為5V。超過此值可能擊穿PN接面。
功率耗散：計算為Vf * If，這決定了元件上的熱負載，並影響散熱需求。

2.3 熱特性

LED的性能與壽命極度依賴於接面溫度。

熱阻：從半導體接面到環境空氣的熱流阻力，以攝氏度每瓦表示。較低的值表示更好的散熱能力。
最高接面溫度：半導體接面允許的最高溫度。在此限制以上工作會急劇縮短LED的壽命。適當的PCB佈局對於將Tj保持在限制內至關重要。
降額曲線：顯示最大允許順向電流如何隨著環境溫度升高而降低的圖表。這是確保在所有工作條件下可靠性的關鍵設計工具。

3. 分級系統說明

製造變異意味著LED並非完全相同。分級系統根據關鍵參數對元件進行分類，以確保生產批次內的一致性。

波長/峰值波長分級：LED根據其實際峰值波長進行分類，例如935-945nm、940-950nm。這確保了應用的色彩一致性。
輻射強度/光通量分級：元件根據其測量的光輸出功率進行分組。例如，分級可能定義為在特定測試電流下的最小/典型/最大輻射強度值。
順向電壓分級：LED根據其在測試電流下的Vf進行分類。這有助於設計更均勻的電路，特別是當多個LED串聯時。

設計師在訂購時必須指定所需的分級，以保證其應用所需的性能。

4. 性能曲線分析

圖形數據比單點規格提供更深入的洞察。

4.1 電流對電壓曲線

此曲線顯示順向電壓與順向電流之間的關係。它是非線性的，呈現一個"膝點"電壓，超過此電壓，電流會隨著電壓的微小增加而迅速增加。這強調了對於驅動LED，電流控制而非電壓控制的重要性。

4.2 溫度特性

關鍵圖表包括：

順向電壓對接面溫度：Vf具有負溫度係數，意味著它隨著溫度升高而降低。這可用於溫度感測。
輻射強度對接面溫度：光輸出通常隨著溫度上升而減少。此曲線的斜率表示輸出的熱穩定性。
相對強度對順向電流：顯示光輸出如何隨驅動電流變化，通常在熱效應主導之前呈線性或略微次線性關係。

4.3 光譜分佈

繪製相對強度對波長的圖表。對於940nm LED，此曲線將以940nm為中心，典型的半高全寬為40-50nm。此曲線的形狀和寬度影響光與濾光片和探測器的相互作用。

5. 機械與封裝資訊

PDF提到了封裝術語，但缺少尺寸圖。

封裝類型：紅外線LED的常見封裝包括3mm、5mm徑向引腳，以及表面黏著封裝。
尺寸：詳細的機械圖會指定長度、寬度、高度、引腳直徑/間距，或焊墊尺寸。
焊墊設計/焊盤圖案：對於SMD零件，推薦的PCB焊盤圖案對於可靠的焊接和機械強度至關重要。
極性識別：LED是二極體，必須以正確的極性連接。識別通常透過透鏡上的平邊、較長的陽極引腳，或SMD封裝本體上標記的陰極來實現。

6. 焊接與組裝指南

正確的處理確保可靠性。

迴焊溫度曲線：對於SMD元件，必須遵循指定的時間-溫度曲線，包括預熱、均熱、迴焊峰值溫度和冷卻速率。
手工焊接：如果適用，會提供烙鐵溫度和每個引腳的最大焊接時間指南，以防止環氧樹脂透鏡或半導體受熱損壞。<350°C) 和每個引腳的最大焊接時間指南，以防止環氧樹脂透鏡或半導體受熱損壞。
靜電防護注意事項：LED對靜電放電敏感。應在靜電防護工作站使用接地設備進行處理。PDF中提到的"靜電袋"突顯了此要求。
儲存條件：元件應儲存在乾燥、受控的環境中，以防止吸濕，這可能在迴焊過程中導致"爆米花"現象。<40°C/40% RH) 以防止吸濕，這可能在迴焊過程中導致"爆米花"現象。

7. 包裝與訂購資訊

PDF片段列出了幾個包裝層級。

靜電袋：散裝元件或捲盤的主要防潮和靜電屏障。
內盒：包含多個靜電袋或捲盤。
外箱：包含多個內盒的主要運輸紙箱。
包裝數量：每捲、每袋或每箱的標準數量。
標籤：標籤應包含零件編號、數量、日期代碼、批號/批次號，以及靜電/濕度敏感等級。
型號編碼規則：完整的零件編號通常編碼了關鍵屬性，如封裝類型、波長分級、強度分級和順向電壓分級。

8. 應用建議

8.1 典型應用場景

紅外線遙控器：用於電視、機上盒、音響系統。940nm波長是業界標準。
接近與存在感測器：用於智慧型手機、自動水龍頭、皂液器。
物體偵測與計數：用於工業自動化、自動販賣機和安全光束。
光學資料傳輸：用於短距離、低速資料鏈路。
夜視照明：與紅外線敏感攝影機配對，用於低光源條件下的監控。

8.2 設計考量

驅動電路：始終使用串聯限流電阻或恆流驅動器。使用公式 R = (電源電壓 - Vf) / If 計算電阻值。
PCB佈局：在LED的散熱焊墊下提供足夠的銅面積或散熱孔以散熱。
光學設計：考慮使用透鏡或光圈來塑形光束。LED的視角必須與探測器的視野匹配。
濾波：在探測器上使用紅外線通過濾光片以阻擋可見光並提高信噪比。
調變：對於感測應用，調變紅外線信號並使用同步探測器可以有效抑制環境光干擾。

9. 技術比較

與其他紅外線光源比較：

對比850nm紅外線LED：850nm LED通常有微弱的紅光，且更容易受到陽光干擾，但由於材料效率，在相同驅動電流下可能提供稍高的輻射強度。940nm更適合隱蔽操作和更好的抗陽光干擾。
對比雷射二極體：雷射提供相干、窄光束，適合長距離或精密感測，但更昂貴，需要更複雜的驅動和安全措施，且發射光譜更窄。
對比白熾紅外線光源：燈絲光源發射寬頻譜紅外線，但效率低、速度慢、易碎且產生大量熱量。

940nm LED為主流的消費性和工業應用提供了成本、效率、可靠性和性能的最佳平衡。

10. 常見問題

問：為什麼我的940nm LED看不見？

答：人眼的靈敏度在大約750nm後急劇下降。940nm遠在紅外線光譜內，基本上是不可見的，這是許多應用的關鍵特性。

問：我可以直接從5V或3.3V微控制器引腳驅動這個LED嗎？

答：不行。您必須始終使用串聯的限流電阻。微控制器的GPIO引腳無法提供穩定的電流，並且可能因LED的低順向電壓而損壞，這可能造成近乎短路的狀況。

問：如何確定最佳電阻值？

答：使用歐姆定律：R = (Vs - Vf) / If。例如，Vs=5V，Vf=1.4V，If=20mA：R = (5 - 1.4) / 0.02 = 180 歐姆。使用下一個標準值。

問：提到的"靜電袋"有什麼用途？

答：它保護LED在儲存和運輸過程中免受靜電放電的損害，即使損壞不是立即可見的，也可能損壞敏感的半導體接面。

問：環境溫度會影響性能嗎？

答：是的，影響顯著。輻射強度隨溫度升高而降低，順向電壓也降低。對於關鍵應用，請參考降額曲線並據此設計熱管理。

11. 實際使用案例

案例研究1：智慧型手機接近感測器

一個940nm LED放置在聽筒附近。當通話進行時，LED發射短脈衝。附近的光電探測器測量反射光。如果物體靠近，反射信號強，觸控螢幕會被禁用以防止誤觸。940nm波長確保在通話期間看不到可見光。

案例研究2：工業輸送帶物體計數器

一個紅外線LED和探測器安裝在輸送帶的兩側，形成一道光束。當物體通過時，它會中斷光束，觸發計數器。使用調變的940nm信號有助於系統忽略工廠地面上熱物體或機械產生的恆定紅外線輻射。

12. 工作原理

紅外線LED是一種半導體p-n接面二極體。當正向偏壓時，來自n區的電子被注入p區，來自p區的電洞被注入n區。這些少數載子在相對區域中與多數載子復合。在像砷化鎵或砷化鋁鎵這樣的直接能隙半導體材料中，這種復合事件以光子的形式釋放能量。發射光子的波長由半導體材料的能隙能量決定。對於940nm波長，能隙能量約為1.32 eV。特定的材料成分被設計用來實現這個精確的能隙。

13. 技術趨勢

紅外線LED的發展遵循幾個由應用需求驅動的關鍵趨勢：

功率與效率提升：持續的材料科學和晶片設計改進帶來更高的輻射強度和電光轉換效率，實現更長距離或更低功耗。
微型化：封裝尺寸持續縮小，以適應越來越小的消費性設備。
整合解決方案：趨勢是朝向將LED、驅動器、光電探測器，有時甚至微控制器整合到單一封裝中的模組，簡化終端使用者的設計。
擴展至新光譜：雖然850nm和940nm占主導地位，但對於特殊應用，如氣體感測或增強生物組織成像，對其他紅外線波長的興趣日益增長。
改進的熱管理：具有更低熱阻的新封裝設計允許在苛刻環境中使用更高的驅動電流和持續輸出。

這些趨勢旨在使紅外線感測更可靠、緊湊、節能，並適用於更廣泛的應用領域。

LED規格術語詳解

LED技術術語完整解釋

一、光電性能核心指標

術語	單位/表示	通俗解釋	為什麼重要
光效（Luminous Efficacy）	lm/W（流明/瓦）	每瓦電能發出的光通量，越高越節能。	直接決定燈具的能效等級與電費成本。
光通量（Luminous Flux）	lm（流明）	光源發出的總光量，俗稱"亮度"。	決定燈具夠不夠亮。
發光角度（Viewing Angle）	°（度），如120°	光強降至一半時的角度，決定光束寬窄。	影響光照範圍與均勻度。
色溫（CCT）	K（開爾文），如2700K/6500K	光的顏色冷暖，低值偏黃/暖，高值偏白/冷。	決定照明氛圍與適用場景。
顯色指數（CRI / Ra）	無單位，0–100	光源還原物體真實顏色的能力，Ra≥80為佳。	影響色彩真實性，用於商場、美術館等高要求場所。
色容差（SDCM）	麥克亞當橢圓步數，如"5-step"	顏色一致性的量化指標，步數越小顏色越一致。	保證同一批燈具顏色無差異。
主波長（Dominant Wavelength）	nm（奈米），如620nm（紅）	彩色LED顏色對應的波長值。	決定紅、黃、綠等單色LED的色相。
光譜分佈（Spectral Distribution）	波長 vs. 強度曲線	顯示LED發出的光在各波長的強度分佈。	影響顯色性與顏色品質。

二、電氣參數

術語	符號	通俗解釋	設計注意事項
順向電壓（Forward Voltage）	Vf	LED點亮所需的最小電壓，類似"啟動門檻"。	驅動電源電壓需≥Vf，多個LED串聯時電壓累加。
順向電流（Forward Current）	If	使LED正常發光的電流值。	常採用恆流驅動，電流決定亮度與壽命。
最大脈衝電流（Pulse Current）	Ifp	短時間內可承受的峰值電流，用於調光或閃光。	脈衝寬度與佔空比需嚴格控制，否則過熱損壞。
反向電壓（Reverse Voltage）	Vr	LED能承受的最大反向電壓，超過則可能擊穿。	電路中需防止反接或電壓衝擊。
熱阻（Thermal Resistance）	Rth（°C/W）	熱量從晶片傳到焊點的阻力，值越低散熱越好。	高熱阻需更強散熱設計，否則結溫升高。
靜電放電耐受（ESD Immunity）	V（HBM），如1000V	抗靜電打擊能力，值越高越不易被靜電損壞。	生產中需做好防靜電措施，尤其高靈敏度LED。

三、熱管理與可靠性

術語	關鍵指標	通俗解釋	影響
結溫（Junction Temperature）	Tj（°C）	LED晶片內部的實際工作溫度。	每降低10°C，壽命可能延長一倍；過高導致光衰、色漂移。
光衰（Lumen Depreciation）	L70 / L80（小時）	亮度降至初始值70%或80%所需時間。	直接定義LED的"使用壽命"。
流明維持率（Lumen Maintenance）	%（如70%）	使用一段時間後剩餘亮度的百分比。	表徵長期使用後的亮度保持能力。
色漂移（Color Shift）	Δu′v′ 或麥克亞當橢圓	使用過程中顏色的變化程度。	影響照明場景的顏色一致性。
熱老化（Thermal Aging）	材料性能下降	因長期高溫導致的封裝材料劣化。	可能導致亮度下降、顏色變化或開路失效。

四、封裝與材料

術語	常見類型	通俗解釋	特點與應用
封裝類型	EMC、PPA、陶瓷	保護晶片並提供光學、熱學介面的外殼材料。	EMC耐熱好、成本低；陶瓷散熱優、壽命長。
晶片結構	正裝、倒裝（Flip Chip）	晶片電極佈置方式。	倒裝散熱更好、光效更高，適用於高功率。
螢光粉塗層	YAG、矽酸鹽、氮化物	覆蓋在藍光晶片上，部分轉化為黃/紅光，混合成白光。	不同螢光粉影響光效、色溫與顯色性。
透鏡/光學設計	平面、微透鏡、全反射	封裝表面的光學結構，控制光線分佈。	決定發光角度與配光曲線。

五、質量控制與分檔

術語	分檔內容	通俗解釋	目的
光通量分檔	代碼如 2G、2H	按亮度高低分組，每組有最小/最大流明值。	確保同一批產品亮度一致。
電壓分檔	代碼如 6W、6X	按順向電壓範圍分組。	便於驅動電源匹配，提高系統效率。
色區分檔	5-step MacAdam橢圓	按顏色坐標分組，確保顏色落在極小範圍內。	保證顏色一致性，避免同一燈具內顏色不均。
色溫分檔	2700K、3000K等	按色溫分組，每組有對應的坐標範圍。	滿足不同場景的色溫需求。

六、測試與認證

術語	標準/測試	通俗解釋	意義
LM-80	流明維持測試	在恆溫條件下長期點亮，記錄亮度衰減數據。	用於推算LED壽命（結合TM-21）。
TM-21	壽命推演標準	基於LM-80數據推算實際使用條件下的壽命。	提供科學的壽命預測。
IESNA標準	照明工程學會標準	涵蓋光學、電氣、熱學測試方法。	行業公認的測試依據。
RoHS / REACH	環保認證	確保產品不含有害物質（如鉛、汞）。	進入國際市場的准入條件。
ENERGY STAR / DLC	能效認證	針對照明產品的能效與性能認證。	常用於政府採購、補貼項目，提升市場競爭力。

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