HIR67-21C/L11/TR8 微型頂部紅外線LED 規格書 - 850nm峰值波長 - 120°視角 - 65mA順向電流 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

HIR67-21C/L11/TR8是一款專為表面黏著應用設計的高效能紅外線發光二極體。它採用微型、平頂式SMD封裝，由透明塑膠模製而成，兼具透鏡功能。此元件設計用於發射峰值波長為850nm的光線，使其光譜與常見的矽光電二極體和光電晶體相匹配。這種匹配對於最大化光電系統中的偵測效率至關重要。

其核心優勢包括低順向電壓，有助於提升能源效率，以及與標準紅外線和氣相迴流焊接製程的相容性。此元件亦符合關鍵的環境與安全標準，為無鉛、符合RoHS規範、符合歐盟REACH規範且為無鹵素設計，滿足溴與氯含量的特定閾值要求。

此紅外線LED的目標市場涵蓋各種需要可靠、不可見光感測的消費性與工業電子領域。

2. 技術參數深度解析

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能導致元件永久損壞的極限。不保證在此條件下運作。

• 連續順向電流 (IF):65 mA。這是可持續通過LED的最大直流電流。
• 逆向電壓 (VR):5 V。超過此逆向偏壓可能導致接面崩潰。
• 工作與儲存溫度 (Topr, Tstg):-40°C 至 +100°C。此寬廣範圍確保了在惡劣環境下的可靠性。
• 焊接溫度 (Tsol):最高260°C，持續時間最長5秒，與無鉛迴流焊溫度曲線相容。
• 功率損耗 (Pd):在環境溫度25°C或以下時為130 mW。在更高溫度下必須進行功率降額。

2.2 電氣與光學特性 (Ta=25°C)

這些參數定義了元件在典型工作條件下的性能。

• 輻射強度 (Ie):在順向電流(IF)為20mA時，典型值為2.0 mW/sr。在100mA的脈衝操作下（100μs脈衝寬度，≤1%工作週期），可達10 mW/sr。
• 峰值波長 (λp):850 nm (典型值)。這是發射光功率達到最大值時的波長。
• 光譜頻寬 (Δλ):45 nm (典型值)。這表示以峰值為中心所發射的波長範圍。
• 順向電壓 (VF):在20mA時典型值為1.45V，最大值為1.65V。在100mA（脈衝）時，範圍為1.80V至2.40V。
• 逆向電流 (IR):在逆向電壓5V下，最大值為10 μA。
• 視角 (2θ1/2):120度 (典型值)。這是輻射強度降至最大值一半時的全角，表示光束模式非常寬廣。

3. 性能曲線分析

規格書提供了幾條對電路設計和熱管理至關重要的特性曲線。

3.1 功率損耗 vs. 環境溫度

此圖表顯示最大允許功率損耗如何隨著環境溫度升高而降低。設計人員必須使用此曲線來確保LED在其安全工作區域內運作，特別是在高溫應用中。降額是線性的，從25°C時的130mW開始，在最高接面溫度時降至零。

3.2 光譜分佈

光譜分佈曲線繪製了相對強度與波長的關係。它確認了850nm的峰值發射以及約45nm的光譜頻寬。此資訊對於選擇匹配的光電偵測器和光學濾波器至關重要。

3.3 順向電流 vs. 順向電壓 (IV曲線)

這種非線性關係對於設計限流電路至關重要。曲線顯示，供電電壓超過典型VF的微小增加，會導致電流大幅且可能具破壞性的增加，這凸顯了適當電流調節（例如串聯電阻或恆流驅動器）的必要性。

3.4 相對輻射強度 vs. 角度位移

此極座標圖直觀地呈現了120度的視角。強度在0度（垂直於LED表面）時最高，並對稱地降至中心點±60度處最大值的50%。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

LED採用緊湊的SMD封裝。關鍵尺寸包括本體尺寸、引腳間距和總高度。除非另有說明，所有尺寸均以毫米為單位，標準公差為±0.1mm。平頂透鏡設計有助於實現寬廣的視角。

4.2 極性識別

陰極通常由封裝上的標記指示，例如凹口、圓點或修剪過的引腳。組裝時必須注意正確的極性，以防止逆向偏壓損壞。

4.3 載帶與捲盤規格

元件以8mm載帶形式供應於7英吋直徑的捲盤上，適用於自動貼片組裝。每捲包含2000個元件。提供詳細的載帶尺寸（凹槽尺寸、間距等），以確保與自動組裝設備的相容性。

5. 焊接與組裝指南

5.1 儲存與濕度敏感性

LED具有濕度敏感性(MSL)。預防措施包括：

• 在準備使用前，請勿打開防潮袋。
• 將未開封的袋子儲存在≤30°C和≤90% RH的環境中。請在一年內使用。
• 開封後，若儲存在≤30°C和≤70% RH的環境中，請在168小時（7天）內使用元件。
• 若超過儲存時間或乾燥劑顯示受潮，請在使用前以60±5°C烘烤24小時。

5.2 迴流焊

提供了建議的無鉛迴流焊溫度曲線。要點包括：

• 峰值溫度不應超過260°C。
• 應控制高於液相線（例如217°C）的時間。
• 迴流焊次數不應超過兩次。
• 在加熱和冷卻過程中避免對封裝施加機械應力。

5.3 手動焊接與維修

若必須進行手動焊接：

• 使用烙鐵頭溫度為<350°C的烙鐵。
• 每個接點接觸時間限制在≤3秒。
• 使用額定功率≤25W的烙鐵。
• 焊接每個接點之間，允許≥2秒的冷卻間隔。
• 避免維修已焊接的LED。若不可避免，請使用雙頭烙鐵同時加熱兩個接點，以最小化熱應力。任何維修嘗試後，請驗證元件功能。

6. 應用建議

6.1 典型應用場景

規格書列出了幾種應用，包括：

• 軟碟機與錄影機：用於位置感測和磁帶末端偵測。
• 光電開關：透過將紅外線LED與光電晶體或光電二極體配對，用於物體偵測、計數和位置感測。
• 相機：常用於自動對焦系統或夜視的紅外線照明。
• 煙霧偵測器：用於遮光型偵測器，其中煙霧顆粒會中斷LED與感測器之間的紅外線光束。

6.2 設計考量

電流限制：這是最關鍵的設計面向。必須使用外部串聯電阻來設定工作電流，並保護LED免受因微小電壓波動引起的過電流。電阻值(R)可使用歐姆定律計算：R = (供電電壓 - VF) / IF，其中VF是規格書中在所需電流IF下的順向電壓。
熱管理：對於接近最大額定電流或在環境溫度較高下的連續運作，需考慮PCB佈局以利散熱。確保功率損耗(Pd = VF * IF)不超過功率損耗 vs. 溫度曲線中的降額最大值。
光學設計：120°寬光束適用於需要廣泛覆蓋的應用。對於更聚焦的光束，可能需要外部透鏡或反射器。確保外殼材料對850nm紅外線光透明。

7. 技術比較與差異化

雖然規格書未比較特定的競爭元件，但HIR67-21C/L11/TR8提供了多項特性的組合，使其在市場上具有良好定位：

• 寬廣視角 (120°)：提供比許多標準紅外線LED（視角通常在20-60度左右）更廣泛的覆蓋範圍。
• 低順向電壓：與具有較高VF的LED相比，有助於降低功耗和減少熱量產生。
• 環境合規性：其無鉛、RoHS、REACH和無鹵素狀態符合嚴格的全球法規要求，這是現代電子製造的關鍵差異化因素。
• 高脈衝輸出：在脈衝操作（100mA）下提供10 mW/sr的能力，使其適用於需要高瞬時訊號強度的應用，例如某些感測或通訊協定。

8. 常見問題解答 (基於技術參數)

問：為什麼限流電阻絕對必要？
答：IV曲線顯示了LED的指數型電流-電壓關係。供電電壓超過標稱VF的微小增加，會導致電流非常巨大且可能具破壞性的增加。串聯電阻提供線性電壓降，穩定電流並保護LED。

問：我可以直接從3.3V或5V微控制器引腳驅動此LED嗎？
答：不行。微控制器引腳的電流供應/吸收能力有限（通常為20-40mA），且並非設計用於直接驅動功率LED。此外，您仍然需要一個串聯電阻。請使用微控制器引腳來控制電晶體或MOSFET，以切換LED所需的較高電流。

問：光譜與矽光電二極體匹配是什麼意思？
答：矽光電偵測器在近紅外區域（約800-900nm）具有峰值靈敏度。此LED的850nm峰值波長落在這個高靈敏度區域內，確保偵測器能將發射光最大程度地轉換為電流，從而實現最佳的系統訊噪比。

問：如何解讀100mA測試條件中的脈衝寬度≦100μs，工作週期≦1%？
答：這意味著在100mA下的較高輻射強度和順向電壓值僅在LED以脈衝驅動（而非直流驅動）時有效。脈衝必須為100微秒或更短，且脈衝間隔時間必須足夠長，以使平均工作週期為1%或更低（例如，每10ms一個100μs脈衝）。這可防止過度加熱。

9. 實務設計與使用案例

案例：設計一個簡單的物體偵測感測器。
目標：偵測物體何時通過紅外線LED與光電晶體之間。
元件：HIR67-21C/L11/TR8紅外線LED、匹配的矽光電晶體、電阻、比較器/運算放大器或微控制器。
步驟：

1. LED驅動電路：從5V電源為LED供電。選擇工作電流，例如20mA以獲得良好的強度和壽命。計算串聯電阻：R = (5V - 1.45V) / 0.020A = 177.5Ω。使用標準180Ω電阻。確認電阻和LED中的功率損耗是可接受的。
2. 偵測器電路：將光電晶體放置在LED對面並對齊。當紅外線光束未被阻斷時，光電晶體導通，在負載電阻上產生電壓降。當物體阻斷光束時，光電晶體停止導通，電壓發生變化。
3. 訊號調理：此電壓變化可饋入比較器以產生乾淨的數位訊號，或直接饋入微控制器的類比數位轉換器(ADC)引腳進行更複雜的處理。
4. 考量事項：遮蔽裝置免受環境光（包含紅外線）影響，以防止誤觸發。LED的120°光束有助於對齊容差，但可能需要使用管狀物或屏障來更精確地定義感測路徑。

10. 原理介紹

紅外線發光二極體(IR LED)的運作原理與可見光LED相同：半導體材料中的電致發光。當順向電壓施加於p-n接面時，來自n區的電子與來自p區的電洞復合。此復合事件會釋放能量。在紅外線LED中，所選的半導體材料（本例為砷化鎵鋁 - GaAlAs）使其能隙對應於紅外線光譜（波長長於可見紅光，通常為700nm至1mm）中的光子發射。850nm波長位於近紅外線(NIR)區域，人眼不可見，但易於被矽基感測器偵測。平頂透明環氧樹脂封裝既作為環境密封，也作為透鏡來塑造發射光的輻射模式。

11. 發展趨勢

紅外線光電領域持續發展。與HIR67-21C/L11/TR8等元件相關的關鍵趨勢包括：

• 效率提升：持續的材料科學研究旨在開發具有更高內部量子效率（每個電子產生更多光子）和改善封裝光提取效率的半導體結構，從而在相同輸入功率下獲得更高的輻射強度。
• 微型化：對更小、更密集電子產品的推動，要求在保持或改善光學性能和熱特性的同時，採用更緊湊的SMD封裝。
• 增強波長選項：雖然850nm和940nm很常見，但針對特定應用（例如醫療設備的810nm或用於氣體感測的特定波段）的其他近紅外線波長也在發展中。
• 整合化：趨勢包括將紅外線LED與驅動IC甚至光電偵測器整合在單一封裝中，以創建完整、經過校準的感測器模組，從而簡化終端使用者的系統設計。
• 更嚴格的合規性：環境和材料法規（RoHS、REACH、無鹵素）將持續變得更加嚴格，推動開發在不影響性能或可靠性的前提下滿足這些要求的新封裝材料和製造製程。