3020 中功率 LED 規格書 - 3.0x2.0mm - 典型 19V - 0.6W - 冷白/中性白/暖白光 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

3020 系列代表一類採用熱增強型環氧樹脂模塑料（EMC）封裝的中功率 LED 家族。此設計旨在實現發光效率（流明/瓦）與成本效益（流明/美元）之間的最佳平衡，使其成為廣泛通用照明應用的理想選擇。該系列的特點是其緊湊的 3.0mm x 2.0mm 尺寸，額定典型功耗為 0.6W，在特定條件下最大允許功耗可達 0.8W。

1.1 核心優勢與目標市場

此 LED 系列的主要優勢源於其 EMC 封裝與設計優化。相較於傳統塑料，EMC 材料提供更優異的熱阻與長期可靠性，使其能在更高的工作溫度下保持穩定性能。關鍵特性包括 40mA 的最大正向電流、高色彩品質所需的最低 80 顯色指數（CRI），以及與無鉛迴流焊製程的相容性。這些屬性使該系列非常適合用於改裝燈具、通用室內外照明、標誌背光照明，以及建築或裝飾照明燈具，這些應用均要求效率、可靠性與色彩品質的完美結合。

2. 深入技術參數分析

本節對規格書中指定的關鍵性能參數提供詳細、客觀的解讀。理解這些數值對於正確的電路設計與熱管理至關重要。

2.1 電光特性

電光性能是在標準測試條件下測量的：電流 I_F= 30mA，溫度 T_a= 25°C，相對濕度 60%。光通量輸出提供了兩個關鍵溫度下的數據：環境溫度（T_a=25°C）與焊點溫度（T_s=85°C）。後者是 LED 實際安裝在電路板上時，更貼近實際應用性能的指標。例如，一個典型的冷白光分級（65R6）在 T_a=25°C 時提供 72 流明，但在 T_s=85°C 時僅提供 62 流明，這凸顯了熱設計的重要性。規格書註明光通量測量的公差為 ±7%，CRI（Ra）測量的公差為 ±2。

2.2 電氣與熱參數

正向電壓（V_F）在 30mA 下的典型值為 19V，指定公差為 ±0.3V。視角（2Θ1/2）為寬廣的 120 度，定義為發光強度降至峰值一半時的離軸角度。一個關鍵的熱參數是結點至焊點的熱阻（R_{th j-sp}），典型值指定為 22 °C/W。此數值量化了熱量從半導體結點流向焊點的效率；數值越低表示散熱效果越好。靜電放電（ESD）耐受等級為 1000V（人體放電模型），這是中功率 LED 的標準等級。

2.3 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能導致永久損壞的應力極限。在任何操作條件下均不得超過。關鍵限制包括：連續正向電流（I_F）為 40mA，脈衝正向電流（I_FP）為 60mA（適用於脈衝 ≤ 100µs，工作週期 ≤ 1/10），最大功耗（P_D）為 840mW，以及最高結點溫度（T_j）為 125°C。工作與儲存溫度範圍為 -40°C 至 +105°C。焊接溫度曲線允許峰值溫度為 230°C 或 260°C，最長持續時間為 10 秒。

3. 分級系統說明

為確保生產中的色彩與亮度一致性，LED 會被分類到不同的分級中。本系列採用基於 Energy Star 指南、適用於 2600K 至 7000K 範圍的全面分級系統。

3.1 相關色溫（CCT）與色度分級

產品選擇表列出了六個主要的 CCT 組別，從暖白光（2725K, 3045K）到冷白光（6530K）。每個 CCT 組別都有對應的色度分級代碼（例如 27R5, 65R6）。表 5 與圖 9 詳細說明了 CIE 1931 圖上的色度分級結構。每個分級由一個橢圓區域定義，該區域在 25°C 和 85°C 下具有特定的中心座標（x, y），以及長/短軸半徑（a, b）和一個角度（Φ）。色度座標的測量不確定度為 ±0.007。

3.2 光通量分級

在每個色度分級內，LED 會根據其在 30mA 下的光通量輸出進一步分類。表 6 定義了光通量等級。例如，在 65R6 色度分級內，LED 提供的光通量代碼有 F1（最小 66-70 流明）、F2（最小 70-74 流明）和 F3（最小 74-78 流明），所有測量均在 T_a=25°C 下進行。這種二維分級（色彩 + 光通量）讓設計師能夠選擇符合應用對色點與亮度精確要求的 LED。

4. 性能曲線分析

規格書包含多個圖表，說明 LED 在不同條件下的行為，這對於預測建模與穩健設計至關重要。

4.1 IV 特性與相對光通量

圖 4 顯示了正向電壓（V_F）與正向電流（I_F）之間的關係。在工作範圍內，曲線相對線性，V_F隨電流增加而增加。圖 3 繪製了相對光通量與 I_F的關係。光通量隨電流呈次線性增加；將 LED 驅動至建議的 30mA 以上，光輸出增益將遞減，同時產生顯著更多的熱量，可能降低效率與使用壽命。

4.2 溫度依賴性

圖 6 和圖 7 對於熱分析至關重要。圖 6 顯示相對光通量隨著焊點溫度（T_s）升高而線性下降。在 125°C 時，輸出約為 25°C 時值的 20%。圖 7 顯示 V_F也隨溫度升高而降低，這是半導體二極體的典型特性。圖 5 說明了色度座標（CIE x, y）隨溫度的變化，這對於色彩要求嚴格的應用非常重要。

3.3 光譜分佈與視角

圖 1 提供了典型的光譜功率分佈曲線，顯示了各波長的相對強度。此曲線的形狀決定了 CCT 和 CRI。圖 2 描繪了空間輻射模式（視角分佈），確認了具有指定 120 度視角的類朗伯發射輪廓。

4.4 環境溫度降額

圖 8 是基於環境溫度（T_a）與系統熱阻（R_j-a）的最大允許正向電流降額曲線。例如，在系統 R_j-a為 45°C/W 的情況下，最大電流必須從 T_a=89°C 時的 40mA 降低到 T_a=105°C 時的大約 22mA，以防止結點溫度超過其 125°C 的極限。此圖對於確定高溫環境下的安全工作電流至關重要。

5. 應用指南與設計考量

5.1 典型應用場景

由於其在效率、成本與可靠性之間的平衡，此 LED 系列非常適合用於：
- 改裝燈具：直接替換燈泡、燈管和筒燈中的白熾燈、鹵素燈或 CFL 燈泡。
- 通用照明：住宅、商業和工業燈具中的主要光源。
- 標誌背光照明：為室內外標誌提供均勻照明。
- 建築照明：立面照明、燈槽照明以及其他色彩品質重要的裝飾性應用。

5.2 關鍵設計考量

熱管理：這是影響性能與壽命的最重要單一因素。僅 22°C/W 的低 R_{th j-sp}只有在 PCB 和散熱器能提供低熱阻路徑至環境時才有效。強烈建議使用金屬核心 PCB（MCPCB）或具有足夠散熱孔的電路板。務必參考降額曲線（圖 8）來設定驅動電流。
電流驅動：穩定的光輸出與色彩必須使用恆流驅動器。建議的工作電流為 30mA，但如果熱條件極佳，可驅動至 40mA。超過 40mA 有立即損壞的風險。
光學：120 度的視角適用於許多通用照明應用。對於更聚焦的光束，則需要二次光學元件（透鏡）。
ESD 防護：雖然額定為 1000V HBM，但在組裝與處理過程中仍應遵守標準的 ESD 處理預防措施。

6. 比較分析與技術差異化

在中功率 LED 領域中，此 3020 EMC 系列的關鍵差異化因素包括：
1. 高溫能力：與標準 PPA 或 PCT 塑料（可能變黃和劣化）相比，EMC 封裝允許在更高的焊點溫度（提供 T_s=85°C 數據）下持續運作。
2. 功率密度：在 3.0x2.0mm 封裝中可達 0.8W 的能力，提供了比許多傳統 3528 或 2835 中功率 LED 更高的功率密度，可能減少達到特定流明輸出所需的 LED 數量。
3. 電壓特性：在 30mA 下典型的 19V 正向電壓值得注意。相較於更常見的 3V 或 6V 中功率 LED，設計師必須確保 LED 驅動器配置適用於此較高的電壓範圍。
4. 全面分級：遵循 Energy Star 分級標準，並提供色彩與光通量分級，為高品質照明產品提供了可預測性與一致性。

7. 常見問題解答（基於技術參數）

問：為什麼在 T_s=85°C 時的光通量比 T_a=25°C 時低？
答：T_a是 LED 周圍的空氣溫度。T_s是焊點溫度，這更接近工作時的實際結點溫度。隨著溫度升高，半導體效率下降，從而減少光輸出。T_s=85°C 的數據是設計時更貼近實際的性能指標。

問：我可以持續以 40mA 驅動此 LED 嗎？
答：絕對最大額定值是 40mA，但這是應力極限。建議的工作條件是 30mA。只有在熱管理極佳（系統 R_j-a非常低）且環境溫度低的情況下，根據圖 8 的降額曲線，才可能以 40mA 運作。這樣做會降低效率，並可能影響長期可靠性。

問：如何解讀分級代碼，例如 '65R6'？
答：該代碼定義了色度分級。前兩位數字（65）與 CCT（6500K 範圍）相關。字母（R）和後面的數字（6）定義了 CIE 圖上 LED 色度座標所在的特定橢圓區域，確保嚴格的色彩一致性。

問：22 °C/W 的熱阻有何意義？
答：此數值（R_{th j-sp}）表示，對於 LED 結點中每消耗一瓦功率，結點與焊點之間的溫差將增加 22°C。數值越低越好。系統總熱阻（結點至環境，R_j-a）包括此值加上 PCB、熱介面與散熱器的熱阻。

8. 設計與使用案例研究

情境：設計一個 1200 流明的 LED 燈管。
目標：用 LED 燈管替換螢光 T8 燈管。
設計流程：
1. 流明目標：1200 流明。
2. LED 選擇：選擇 65R6-F2 分級（30mA 下典型 72 流明，T_a=25°C）。考慮熱降額（估計在工作溫度下損失約 15%），假設每個 LED 為 61 流明。
3. 數量計算：1200 流明 / 每個 LED 61 流明 ≈ 20 個 LED。
4. 電氣設計：20 個 LED 串聯需要驅動電壓 20 * 19V = 380V，這電壓過高。更實際的方法是使用兩串各 10 個 LED 串聯（每串 190V）並聯連接，由設定總電流為 60mA（每串 30mA）的恆流驅動器驅動。
5. 熱設計：總功率：20 個 LED * 19V * 0.03A = 11.4W。使用鋁基板作為散熱器，設計師必須計算在封閉的燈管環境中，系統 R_j-a是否足夠低以將結點溫度保持在 125°C 以下，並以降額曲線作為指導。
此案例突顯了電氣配置、熱管理與光度目標之間的相互作用。

9. 技術原理與趨勢

9.1 工作原理

此 LED 基於半導體中的電致發光原理運作。當正向電壓施加於 p-n 結時，電子與電洞復合，以光子的形式釋放能量。封裝中使用的特定材料（螢光粉）將晶片發出的一部分原始藍光轉換為更長的波長，從而產生具有特定 CCT 和 CRI 的所需白光。EMC 封裝用於保護晶片與焊線，提供初級透鏡，最重要的是提供導熱路徑以散發熱量。

9.2 產業趨勢

中功率 LED 市場持續朝著更高效率（流明/瓦）、更低成本下提升可靠性的方向發展。如本系列所示，使用 EMC 封裝是一個重要趨勢，因其優異的耐熱與耐濕性取代了傳統塑料，從而實現更長的使用壽命與更高的驅動電流。此外，業界持續推動更嚴格的色彩與光通量分級，以滿足高品質照明的需求。將這些元件整合到模組與光引擎中也是一個日益增長的趨勢，簡化了照明製造商的設計。本規格書中提供的數據反映了當前在實際熱條件下表徵與指定性能的行業標準。