紅外線LED元件規格書 - 峰值波長940nm - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

本文件提供一款紅外線發光二極體元件的技術規格。此元件主要應用於需要非可見光源的系統，例如遙控器、接近感測器與夜視照明。此元件的核心優勢在於其特定的峰值波長，該波長針對與矽基光電探測器的相容性進行了優化，並且對人眼具有低可見度。目標市場包括消費性電子產品、工業自動化、安防系統以及需要可靠紅外線信號傳輸或感測的汽車應用。

2. 深入技術參數分析

所提供的資料指定了此紅外線LED的一項關鍵光度參數。

2.1 光度特性

定義的最關鍵參數是峰值波長 (λp)。

• 峰值波長 (λp)：940 奈米 (nm)。此數值表示LED在電磁波譜中發出最大光功率的特定點。940nm的波長穩固地位於近紅外線範圍內。此波長特別有利，因為它能與常見的矽光電二極體和光電晶體管的峰值靈敏度良好匹配，確保了高效的信號傳輸與接收。此外，與850nm等較短的紅外線波長相比，940nm的光作為微弱的紅光較不明顯，使其更適合隱蔽應用。

紅外線LED的其他典型光度參數，例如輻射強度、視角以及在特定電流下的順向電壓，在摘錄中未明確提供，但對於完整的電路設計至關重要。

2.2 電氣參數

雖然提供的文本中未列出具體數值，但紅外線LED的電氣行為由設計師必須考慮的幾個關鍵參數定義。

• 順向電壓 (Vf)：當LED導通電流時，其兩端的電壓降。對於典型的基於砷化鎵的紅外線LED，在其額定順向電流下，此值通常在1.2V至1.6V之間。
• 順向電流 (If)：建議的連續工作電流。超過最大額定順向電流可能導致性能迅速退化或災難性故障。
• 逆向電壓 (Vr)：LED在非導通方向偏壓時所能承受的最大電壓。紅外線LED通常具有非常低的逆向電壓額定值，並且容易受到逆向電壓尖峰的損壞。
• 功率耗散：轉換為熱和光的總電功率。需要適當的熱管理以防止過熱。

2.3 熱特性

熱管理對於LED的壽命和穩定性能至關重要。

• 接面溫度 (Tj)：半導體晶片有源區的溫度。最大允許Tj是一個關鍵限制。
• 熱阻 (Rθj-a)：此參數以攝氏度每瓦為單位，表示熱量從LED接面傳遞到周圍空氣的效率。較低的值表示更好的散熱能力。封裝設計對此值影響很大。
• 降額曲線：顯示最大允許順向電流如何隨著環境溫度或接面溫度升高而降低的圖表。在這些限制內操作對於可靠性至關重要。

3. 分級系統說明

大量生產的LED製造會導致關鍵參數產生變異。分級是根據測量的性能將元件分類到不同組別的過程，以確保最終用戶的一致性。

3.1 波長分級

對於此940nm紅外線LED，元件將根據其實際峰值波長進行測試和分級。例如，分級可能定義為935-940nm、940-945nm等。這使得設計師可以在其應用需要精確光譜匹配時，選擇波長公差更緊的LED。

3.2 輻射強度 / 光功率分級

LED也根據其輻射輸出進行分級。這對於需要均勻亮度或特定信號強度的應用至關重要。分級由標準化測試電流下的最小和最大輻射強度值定義。

3.3 順向電壓分級

為了簡化限流電路設計並確保並聯陣列中的行為一致，LED按順向電壓進行分級。常見的分級可能將Vf在1.2V-1.3V、1.3V-1.4V等範圍內的LED歸為一組。

4. 性能曲線分析

圖形數據對於理解元件在不同操作條件下的行為至關重要。

4.1 電流-電壓 (I-V) 特性曲線

此曲線繪製順向電流與順向電壓的關係。它顯示了二極體典型的指數關係。該曲線用於確定工作點並設計適當的限流電阻或驅動電路。電流開始快速增加的"膝點"電壓是一個關鍵特徵。

4.2 溫度依存性

幾條曲線說明了溫度效應。

• 順向電壓 vs. 溫度：通常顯示Vf隨著接面溫度升高而線性下降。這對於恆流驅動器很重要。
• 輻射強度 vs. 溫度：顯示光輸出如何隨著溫度升高而降低。這種降額對於在高環境溫度下運行的應用至關重要。
• 相對光譜分佈 vs. 溫度：展示了峰值波長如何隨著溫度升高而輕微偏移。

4.3 光譜分佈

此圖表繪製相對輻射功率與波長的關係。它顯示了940nm處的峰值和光譜頻寬。較窄的頻寬表示更單色的光。

5. 機械與封裝資訊

提供的摘錄包含特定的封裝細節。

5.1 封裝層級

元件受到多層包裝系統的保護：

• 靜電放電防護袋：用於存放單個LED元件或捲盤的主要容器。此袋子由靜電消散材料製成，以防止在處理和儲存過程中因靜電放電造成損壞。
• 內盒：一個較小的盒子或托盤，用於容納多個ESD袋或捲盤，提供物理結構和額外保護。
• 外箱：用於容納多個內盒的主要運輸容器。其設計旨在運輸和儲存過程中保持堅固。

5.2 包裝數量

文件明確列出"包裝數量"作為關鍵參數。這指的是在一個標準運輸單位中包含的單個LED元件數量。對於表面黏著元件，常見的數量是每捲1000、2000或5000件。

5.3 實體尺寸與極性

雖然未提供確切尺寸，但典型的紅外線LED封裝會有詳細的機械圖紙。該圖紙指定了本體長度、寬度、高度、引腳間距以及引腳尺寸。關鍵的是，它包括極性識別，通常通過透鏡上的平邊、較短的引腳、封裝上的點或焊盤上的特定標記來指示陰極。

6. 焊接與組裝指南

正確的組裝對於可靠性至關重要。

6.1 迴流焊溫度曲線

對於表面黏著紅外線LED，必須遵循建議的迴流焊溫度曲線。這包括：

• 預熱/升溫速率：通常為每秒1-3°C，以避免熱衝擊。
• 保溫區：在低於焊料液相線的溫度下保持一段時間，以活化助焊劑並使電路板溫度均勻。
• 迴流焊區：峰值溫度必須足夠高以熔化焊料，但又必須足夠低且時間足夠短，以免損壞LED。
• 冷卻速率：受控的冷卻過程，以正確固化焊點。

6.2 關鍵注意事項

• 靜電防護：始終在靜電防護環境中使用接地腕帶和導電墊處理元件。
• 濕度敏感等級：如果適用，封裝將具有MSL等級。超過其車間壽命的元件在迴流焊前必須進行烘烤，以防止"爆米花"損壞。
• 清潔：僅使用相容的清潔溶劑，以免損壞LED透鏡或環氧樹脂。
• 機械應力：在放置或測試期間避免對LED透鏡施加直接壓力。

6.3 儲存條件

元件應儲存在其原始未開封的ESD袋中，並置於受控環境中。建議的條件通常是溫度在5°C至30°C之間，相對濕度低於60%。避免暴露在陽光直射、腐蝕性氣體或過多灰塵中。

7. 包裝與訂購資訊

文件的生命週期數據顯示"修訂版：5"和"有效期：永久"，表明這是一份於2013年5月27日發布的穩定、非停產控制的文件。包裝規格在第5.1節中有明確定義。訂購代碼或型號通常遵循一種命名慣例，該慣例對封裝類型、波長分級、強度分級和包裝數量等關鍵屬性進行編碼。

8. 應用建議

8.1 典型應用場景

• 紅外線遙控器：用於電視、音響系統和機上盒。940nm波長是業界標準。
• 接近與存在感測器：用於智慧型手機在通話時停用觸控螢幕、自動水龍頭和安全燈開關。
• 物件計數與偵測：用於自動販賣機、工業組裝線和印刷設備。
• 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。
• 光學數據傳輸：用於短距離、低速串列通訊或工業數據鏈路。

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。切勿將LED直接連接到電壓源。
• 散熱：對於大電流操作或高環境溫度，確保足夠的PCB銅箔面積或外部散熱器，以管理LED的熱阻。
• 光學設計：考慮LED的視角。根據應用需要使用透鏡或反射器來準直或擴散光束。
• 光電探測器匹配：確保所選的光電探測器在940nm處具有高靈敏度。如果環境光噪聲較大，請使用紅外線濾光片來阻擋可見光。
• 電氣抗噪性：在感測器應用中，調製紅外線信號，並使用調諧接收器來抑制來自陽光或螢光燈的環境光干擾。

9. 技術比較

與其他紅外線光源相比，此940nm LED具有特定優勢。

• 與850nm紅外線LED比較：940nm的光作為微弱的紅光可見度低得多，使其在隱蔽監控方面更優越。然而，矽光電探測器在940nm處的靈敏度略低於850nm，且大氣吸收稍高。
• 與白熾紅外線燈比較：LED效率更高、響應時間更快、機械強度更高，且操作壽命更長。
• 與雷射二極體比較：LED具有更寬的光譜輸出和更大的發光面積，產生易於處理的擴散光束。它們的成本也顯著更低，且不需要雷射二極體複雜的驅動和安全電路。

10. 常見問題 (FAQ)

Q1: 940nm峰值波長的目的是什麼？
A1: 940nm波長是最佳選擇，因為它與矽光電探測器的靈敏度良好匹配，同時對人眼幾乎不可見，使其成為隱蔽感測和遙控應用的理想選擇。

Q2: 如何確定正確的限流電阻值？
A2: 使用歐姆定律：R = (電源電壓 - Vf) / If。您必須知道您的電源電壓、LED的順向電壓以及所需的順向電流。始終確保電阻的額定功率足夠。

Q3: 我可以在戶外使用此LED嗎？
A3: 可以，但需注意。環氧樹脂透鏡在長時間紫外線照射下可能會劣化。更重要的是，明亮的陽光含有強烈的紅外線成分，可能使接收器飽和。使用光學濾光片和調製信號對於可靠的戶外操作至關重要。

Q4: 為什麼靜電防護對LED如此重要？
A4: LED中的半導體接面對高壓靜電放電極其敏感。靜電放電事件可能立即降低光輸出、增加漏電流，或導致完全故障，且沒有任何可見損壞。

Q5: "包裝數量"指的是什麼？
A5: 它指定了一個標準銷售單位中提供的單個LED元件數量，例如每捲、每管或每個防靜電袋內的數量。這對於生產計劃和庫存管理至關重要。

11. 實際應用案例

11.1 簡易接近感測器

可以通過將940nm紅外線LED和光電晶體管並排放置來構建基本的反射式感測器。LED由脈衝電流驅動。當物體靠近時，它將紅外線光反射回光電晶體管，導致其集極電流增加。比較器電路隨後可以觸發數位輸出信號。此設計用於印表機中的紙張偵測和烘手機啟動。

11.2 CCTV用長距離紅外線照明器

對於夜視安防攝影機，需要構建一個由多個高功率940nm LED組成的陣列。LED由能夠提供數百毫安電流的恆流驅動器驅動。在陣列前方放置一個菲涅耳透鏡，將光準直成光束，將有效照明範圍擴展到數十米。對於這種高功率設計，通過大型鋁製散熱器進行熱管理至關重要。

12. 工作原理

紅外線發光二極體是一種半導體p-n接面元件。當施加順向偏壓時，來自n區的電子被注入到p區，而來自p區的電洞被注入到n區。這些少數載子在相對的區域中與多數載子復合。在像砷化鎵這樣的直接能隙半導體中，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。通過調整半導體合金成分，可以精確控制能隙，從而控制發射波長，產生此處指定的940nm輸出。

13. 技術趨勢

紅外線LED技術領域持續發展。主要趨勢包括：

• 功率與效率提升：持續的材料科學和封裝改進正在產生具有更高輻射通量和電光轉換效率的紅外線LED，使得在相同輸入功率下，元件更小或範圍更長。
• 微型化：對更小消費性電子產品的推動，正將紅外線LED推向更小的表面黏著封裝和晶片級封裝。
• 整合解決方案：趨勢是將紅外線LED、光電探測器、驅動電路和信號處理整合到單一模組或系統級封裝中，從而簡化最終用戶的設計。
• 擴展至新波長：雖然850nm和940nm占主導地位，但對於特殊應用，其他紅外線波長的興趣正在增長。
• 改進的熱管理：具有更低熱阻的新封裝設計和具有更好導熱性的材料正在延長LED壽命並實現更高的驅動電流。