紅外線 MIDLED HIR89-01C/1R 資料手冊 - 3.0x2.8x1.9mm - 1.55V - 850nm - 100mW - 英文技術文件

1. 產品概述

HIR89-01C/1R 是一款採用 MIDLED 封裝的微型表面黏著紅外線（IR）發射二極體。其主要功能是發射峰值波長為 850 奈米（nm）的紅外光，其光譜經過優化，可與矽光電二極體和光電晶體相容。這使其成為各種不可見光感測與通訊系統中的基礎元件。

該元件採用 GaAlAs（砷化鎵鋁）晶片材料製成，封裝於水清透鏡中。其主要設計優勢包括低順向電壓，有助於提升能源效率，以及相對狹窄的 30 度視角，可實現定向紅外線發射。本產品符合現代環境與安全標準，為無鉛製品，符合歐盟 REACH 法規，並歸類為無鹵素產品。

1.1 核心特性與符合性

• 電氣效率： 低順向電壓特性。
• 光學性能： 定向發射的典型視角為30°。
• 環境合規性： 無鉛（Pb-free）結構。
• RoHS 符合性： 本產品符合有害物質限制指令。
• REACH 符合性： 符合歐盟《化學品註冊、評估、授權和限制法規》的要求。
• 無鹵素： Contains very low levels of bromine (Br) and chlorine (Cl), specifically Br <900 ppm, Cl <900 ppm, and Br+Cl < 1500 ppm.

2. 技術規格深入解析

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。不保證在此條件下運作。

• 連續順向電流 (I_F): 65 mA
• 峰值順向電流 (I_FP): 200 mA (脈衝寬度 ≤500μs，工作週期 ≤5%)
• Reverse Voltage (V_R): 5 V
• Operating Temperature (T_opr): -40°C 至 +100°C
• Storage Temperature (T_stg): -40°C 至 +100°C
• 焊接溫度 (T_sol): 260°C (for ≤5 seconds)
• 功率耗散 (P_d): 100 mW (於環境溫度25°C或以下時)

2.2 電氣-光學特性

這些參數是在標準環境溫度25°C下量測，定義了裝置在典型工作條件下的性能。

• 輻射強度 (I_e): 40 至 125 mW/sr (於 I_F=70mA, 20ms 脈衝下測量)。本裝置被分級為不同等級 (C: 40-80 mW/sr, D: 63-125 mW/sr)。
• 峰值波長 (λ_p): 850 nm (典型值，於 I_F=100mA)。
• 頻譜頻寬 (Δλ)： 30 nm (典型值，於 I_F=100mA)。
• 順向電壓 (V_F):
  • 1.40V 至 1.70V (於 I_F=20mA)
  • 1.55V 至 1.90V (於 I_F=70mA, 20ms 脈衝)
• 逆向電流 (I_R): 最大10 μA (於 V_R=5V)。
• 視角 (2θ_1/2): 30°（典型值，於 I_F=20mA 時）。

3. 性能曲線分析

該數據手冊提供了數個對電路設計與熱管理至關重要的特性曲線。

3.1 順向電流 vs. 環境溫度

此圖表說明了最大允許連續順向電流隨著環境溫度升高而降額的情況。額定電流從25°C時的65mA開始線性下降，隨著溫度接近100°C的最高工作限值，電流額定值將降至更低。設計人員必須使用此曲線來確保LED在高溫環境下不會被過度驅動。

3.2 正向電流 vs. 正向電壓 (I-V 曲線)

I-V 曲線顯示了二極體典型的指數關係。這對於選擇合適的限流電阻至關重要。電壓略微超過典型 V_F 可能導致電流大幅且具潛在破壞性的增加，這凸顯了串聯電阻的必要性。

3.3 輻射強度 vs. 順向電流

此曲線顯示光學輸出（輻射強度）隨順向電流增加而提升，但兩者關係並非完全線性，尤其在較高電流時更是如此。它有助於設計者選擇一個能平衡亮度、效率與元件壽命的工作點。

3.4 光譜分佈

光譜圖確認發射中心位於850nm，典型的半高全寬(FWHM)為30nm。此窄頻寬確保了與矽基探測器峰值靈敏度的良好匹配。

3.5 相對輻射強度與角度位移關係

此極座標圖可視化定義了30°視角，顯示強度如何從中心軸±15°處降至峰值的一半。此資訊對於光學系統設計至關重要，決定了光束擴散與對準要求。

4. Mechanical and Package Information

4.1 Package Dimensions

HIR89-01C/1R 採用緊湊型 MIDLED 表面黏著封裝。關鍵尺寸（單位：毫米）為：

• 總長度：3.0 mm
• 總寬度：2.8 mm
• 整體高度：1.9 mm
• 引腳間距：2.0 mm

4.2 極性辨識

陰極標示於封裝上。資料表中包含顯示陰極標記的圖示，此標記對於組裝時的正確方向至關重要，可防止反向偏壓連接。

4.3 載帶尺寸

本元件以壓紋載帶形式提供，適用於自動化取放組裝。載帶尺寸規格符合標準SMT設備要求。每捲包含2000個元件。

5. 焊接與組裝指南

5.1 迴流焊接溫度曲線

提供建議的無鉛迴流焊接溫度曲線。關鍵參數包括：

• 預熱與均熱區。
• 峰值溫度不超過260°C。
• 高於液相線時間（通常為217°C）。
• 冷卻速率。

5.2 手工焊接

若必須進行手工焊接，務必極度謹慎：

• Use a soldering iron with a tip temperature < 350°C.
• 每個端子的焊接時間限制在≤3秒以內。
• 使用額定功率 ≤ 25W 的烙鐵。
• 焊接每個端子之間至少間隔 2 秒，以防止熱衝擊。

5.3 Rework and Repair

強烈不建議在焊接後進行維修。若不可避免，必須使用雙頭烙鐵同時加熱兩個端子，以最大限度地減少對LED封裝的應力。任何重工後都必須驗證對器件特性的影響。

6. 儲存與操作注意事項

6.1 濕度敏感性

LED 對濕氣敏感。注意事項包括：

• 請於準備使用前再開啟防潮屏障袋。
• 未開封的袋子應儲存於溫度≤30°C且相對濕度≤90%的環境中。
• 請於出貨後一年內使用。
• 開封後，請儲存於溫度≤30°C且相對濕度≤70%的環境中。
• 開袋後請於168小時（7天）內完成焊接。
• 若超過儲存時間或乾燥劑顯示受潮，使用前請將元件以60±5°C烘烤24小時。

6.2 電流保護

關鍵： 必須使用外部限流電阻。LED的指數型I-V特性意味著微小的電壓增加可能導致電流大幅激增，從而立即燒毀。電阻值必須根據電源電壓和所需的正向電流計算，同時考慮V_F 範圍。

7. 封裝與訂購資訊

7.1 包裝程序

LED封裝於內含乾燥劑的鋁製防潮袋中，袋身標示有重要資訊。

7.2 標籤規格

標籤包含以下欄位：

• CPN (客戶零件編號)
• P/N (製造商零件編號: HIR89-01C/1R)
• QTY (數量)
• CAT (等級，例如輻射強度的C或D級)
• HUE (峰值波長)
• LOT No. (可追溯批號)
• 生產來源地
• Moisture Sensitivity Level (MSL)

7.3 裝置選擇指南

HIR89-01C/1R 是此系列中唯一的料號，採用 GaAlAs 晶片與透明透鏡。

8. 應用建議與設計考量

8.1 典型應用

• Infrared Sensing Systems: 接近感測器、物體偵測、非接觸式開關。
• 光學編碼器： 馬達中的位置與速度感測。
• 資料傳輸： 短距離紅外線資料連結（例如：遙控器、IrDA）。
• 機器視覺： 適用於配備紅外線濾鏡的攝影機之照明。
• 安全系統： 夜視攝影機的主動式照明。

8.2 電路設計注意事項

1. 電流限制： 務必使用串聯電阻。計算公式為 R = (V_supply - V_F) / I_F. 使用最大 V_F from the datasheet to ensure safe current under all conditions.
2. 驅動電路： 對於脈衝操作（例如感測、通訊），請確保脈衝寬度和工作週期保持在I_FP 額定值範圍內，以避免過熱。
3. 熱管理： 請考慮降額曲線。在高環境溫度下，或當安裝在具有其他發熱元件的電路板上時，應相應降低工作電流。
4. PCB佈局： 請遵循尺寸圖中建議的焊盤佈局。確保與其他元件有足夠的間距，以避免熱或光學干擾。

9. 技術比較與定位

HIR89-01C/1R 將自身定位為一款採用微型 SMD 封裝的通用、可靠的紅外線發射器。其 850nm 波長是與矽偵測器相容的業界標準。與舊式的穿孔型 IR LED 相比，其 SMD 格式能實現更小型化、自動化的 PCB 組裝。30° 視角在光束集中度和對準容差之間提供了良好的平衡，適用於多種應用。提供詳細的分級（C 級和 D 級）允許設計師根據所需的輸出功率選擇元件，這對於實現一致的感測距離或訊號強度至關重要。

10. 常見問題（基於技術參數）

10.1 為什麼限流電阻絕對必要？

LED的二極體特性在超過順向電壓後具有極低的動態電阻。若無電阻，電流僅受電源內阻和佈線限制，而這兩者通常非常低，將導致災難性的過電流。該電阻提供了一種線性、可預測且安全的方法來設定工作電流。

10.2 我可以直接用3.3V或5V微控制器引腳驅動這個LED嗎？

不行。 微控制器GPIO引腳具有電流源/汲極限制（通常為20-40mA），該限制處於或低於此LED的連續額定值。更重要的是，它們無法提供必要的限流功能。您必須使用GPIO來控制電晶體或MOSFET，然後透過連接到主電源軌的適當限流電阻來驅動LED。

10.3 C級和D級分箱之間有何區別？

C級和D級指定了在70mA下測量的不同輻射強度（I_e）範圍。C級的輸出範圍較低（40-80 mW/sr），而D級的輸出範圍較高（63-125 mW/sr）。選擇D級器件可以提供更高的光功率，以實現更長的距離或更穩健的信號檢測，但成本可能略高。訂購的具體等級將在包裝標籤上標明。

10.4 濕度敏感性和烘烤指示有多關鍵？

非常關鍵。塑膠封裝吸收的濕氣在高溫迴焊過程中可能汽化，導致內部分層、破裂或「爆米花」現象，這可能損壞晶片或焊線。遵守儲存時間並在需要時執行烘烤程序，對於實現高組裝良率和長期可靠性至關重要。

11. 設計與使用案例研究

11.1 設計一個簡單的接近傳感器

目標： 偵測10公分內的物體。
設計： 將HIR89-01C/1R與匹配的矽光電晶體配對使用。該LED透過限流電阻由5V電源驅動。利用典型的V_F 在5V電壓、70mA電流下，LED正向壓降為1.55V，電阻值計算為 R = (5V - 1.55V) / 0.07A ≈ 49.3Ω（實際選用標準51Ω電阻）。透過微控制器以特定頻率（例如38kHz）驅動LED脈衝發光。光電晶體輸出端連接至調諧於相同頻率的解調接收IC，此設計能有效抑制環境光干擾，並透過反射的調變紅外光偵測物體存在。30°光束角有助於明確界定偵測區域。

12. 運作原理

紅外線發光二極體（IR LED）的運作基於半導體p-n接面的電致發光原理。當施加正向電壓時，來自n型區域的電子和來自p型區域的電洞會注入接面。這些電荷載子在主動區域（此處為GaAlAs層）復合。復合過程中釋放的能量以光子（光）的形式發射出來。GaAlAs半導體材料的特定能隙能量決定了發射光子的波長，此元件的波長中心位於近紅外光譜的850奈米處。透明環氧樹脂透鏡將發射光塑形為指定的視角。

13. 技術趨勢

紅外線LED技術持續演進。趨勢包括：

• 更高效率： Development of new semiconductor materials and structures (e.g., multi-quantum wells) to achieve more optical power output per unit of electrical input (higher wall-plug efficiency).
• 提升功率密度： 能夠在更小的封裝中處理更高驅動電流的裝置，適用於LiDAR和遠距離感測等應用。
• 多波長與VCSELs： 其他紅外線波長（例如，940nm 用於更好的眼睛安全性，1350nm/1550nm 用於更長距離的 LiDAR）的 LED 和垂直腔面射型雷射（VCSEL）的出現，以適應特定的應用需求。
• 整合解決方案： 將紅外線發射器、驅動電路，有時還包括偵測器，整合到單一模組中，以簡化設計並提升性能。