IR25-21C/TR8 反向封裝紅外線LED規格書 - SMD封裝 - GaAlAs晶片 - 水清透鏡 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

IR25-21C/TR8是一款微型表面黏著元件（SMD）紅外線發光二極體。其採用反向封裝設計，以水清塑膠模製並具有球形頂部透鏡。此元件的主要功能是發射紅外光，其光譜輸出特別匹配矽光二極體和光電晶體，使其成為各種感測應用的理想光源。

此LED的主要優勢包括其緊湊的雙端封裝，便於PCB安裝並整合到空間受限的設計中。它在低順向電壓下運作，有助於提升能源效率。該元件符合主要的環境與安全標準，包括RoHS、歐盟REACH，且為無鹵素，確保其適用於現代電子製造。

1.1 元件選型指南

IR25-21C/TR8屬於紅外線（IR）LED類別。它採用砷化鎵鋁（GaAlAs）晶片材料，以其高效的紅外線發射而聞名。透鏡為水清材質，允許紅外光以最大透射率通過，無需濾色。

2. 技術規格與客觀解讀

2.1 絕對最大額定值

元件的操作限制定義於標準環境溫度（Ta=25°C）下。超過這些額定值可能導致永久性損壞。

• 順向電流（I_F）：100 mA - 允許通過LED的最大連續電流。
• 逆向電壓（V_R）：5 V - 可施加於逆向方向的最大電壓。
• 功率耗散（P_d）：120 mW - 封裝可作為熱量散發的最大功率。
• 操作溫度（T_opr）：-40°C 至 +85°C - 可靠運作的環境溫度範圍。
• 儲存溫度（T_stg）：-40°C 至 +85°C - 未通電時儲存元件的安全溫度範圍。
• 焊接溫度（T_s）：最高260°C，持續時間最長5秒 - LED在迴焊焊接過程中可承受的峰值溫度和持續時間。

2.2 電氣與光學特性

這些參數在Ta=25°C下量測，定義了LED的典型性能。

• 輻射強度（I_e）：40 mW/sr（最小值）@ I_F=20 mA - 這是每單位立體角的光功率輸出，是衡量像LED這類定向光源亮度的關鍵指標。
• 峰值波長（λ_p）：940 nm（典型值） - LED發射最多光功率的波長。這與常見矽光偵測器的峰值靈敏度良好匹配。
• 光譜頻寬（Δλ）：50 nm（典型值） - 發射的波長範圍，以峰值強度的一半（半高全寬）量測。
• 順向電壓（V_F）：1.5 V（典型值）@ I_F=20 mA - 在指定電流下運作時，LED兩端的電壓降。低電壓值對低電壓電路有益。
• 視角（2θ_1/2）：±20°（典型值） - 輻射強度至少為峰值強度一半的角度範圍。這定義了光束的寬度。

3. 性能曲線分析

規格書提供了數個圖表，說明元件在不同條件下的行為。

3.1 順向電流 vs. 環境溫度

圖1顯示了最大允許順向電流隨著環境溫度升高而降額的情況。為防止過熱，在超過25°C的環境下運作時必須降低電流。此曲線對於熱管理設計至關重要。

3.2 光譜分佈

圖2繪製了相對強度與波長的關係，確認了大約940 nm的峰值和約50 nm的頻寬。這與矽偵測器的響應度（峰值約在900-1000 nm）相匹配，可最大化感測器系統中的訊號強度。

3.3 相對強度 vs. 順向電流

圖3展示了光學輸出與驅動電流之間的關係。輸出隨電流增加而增加，但在極高電流下可能因發熱和效率下降而變得次線性。在建議範圍內運作可確保性能穩定。

3.4 順向電流 vs. 順向電壓

圖4是I-V特性曲線。它顯示了二極體典型的指數關係。該曲線突顯了使用限流電阻或恆流驅動器的重要性，因為電壓超過膝點（約1.5V）後，微小的增加會導致電流大幅且可能具破壞性的增加。

3.5 角度位移

圖5繪製了相對輻射強度與中心軸夾角的關係，定義了空間發射模式（朗伯型或其他）。這對於光學設計至關重要，決定了光線在目標區域的分佈方式。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

LED具有緊湊的SMD佔位面積。關鍵尺寸包括本體尺寸約為2.0mm x 1.25mm，高度約為0.8mm。詳細圖紙指定了焊盤佈局、端子間距和透鏡幾何形狀。除非另有說明，公差通常為±0.1mm。提供了建議的焊盤圖案（焊盤佈局）供PCB設計參考，但應根據特定的製造工藝和熱要求進行優化。

4.2 極性辨識

該元件採用反向封裝。極性由本體上的標記或封裝佔位面積的形狀指示。正確的方向對於電路運作至關重要。

4.3 載帶包裝尺寸

該元件以8mm寬的凸版載帶供應，捲繞在直徑7英吋的捲盤上。載帶間距和凹槽尺寸均有規定，以確保與自動貼片組裝設備相容。每捲包含2000個元件。

5. 焊接與組裝指南

5.1 儲存與操作

LED具有濕度敏感性（MSL）。未開封的防潮袋必須儲存在30°C以下、90% RH以下的環境中。一旦開封，在≤60% RH條件下儲存時，"車間壽命"為168小時（7天）。超過此時間需要在迴焊前進行烘烤（例如，在60°C下烘烤96小時），以防止焊接過程中發生"爆米花效應"損壞。

5.2 迴焊溫度曲線

建議採用無鉛（Pb-free）迴焊溫度曲線。關鍵參數包括預熱區、漸進的溫度斜坡、峰值溫度不超過260°C且持續時間最長5秒，以及受控的冷卻階段。同一元件不應進行超過兩次的迴焊。

5.3 手工焊接與返修

若需手工焊接，應使用烙鐵頭溫度低於350°C、功率低於25W的烙鐵。每個端子的接觸時間必須少於3秒。對於返修，建議使用雙頭烙鐵同時加熱兩個端子，以避免機械應力。任何返修後都應驗證對元件特性的影響。

5.4 關鍵注意事項

• 電流保護：必須使用外部串聯電阻來限制順向電流。陡峭的I-V曲線意味著微小的電壓波動可能導致災難性的過電流。
• 機械應力：避免在焊接期間或之後對LED本體施加力。請勿在已安裝LED的PCB附近彎折電路板。

6. 應用建議與設計考量

6.1 典型應用場景

• PCB安裝紅外線感測器：用作接近感測器、物體偵測和位置編碼中的光源。
• 微型光遮斷器/光學開關：與光偵測器配對，創建可遮斷的光束，用於計數、安全光幕或極限開關。
• 軟碟機（傳統應用）：歷史上用於磁軌偵測。
• 煙霧偵測器：用於遮光式偵測器，其中煙霧顆粒會散射光束。

6.2 設計考量

• 驅動電路：實現恆流源或帶有精確計算限流電阻的電壓源（R = (V_supply- V_F) / I_F）。
• 光學對準：±20°的視角需要與接收偵測器仔細對準，以實現最佳訊號耦合，特別是在窄光束應用中。
• 熱管理：確保足夠的PCB銅箔面積或散熱通孔以散熱，特別是在較高電流或較高環境溫度下驅動時。
• 電氣雜訊：在敏感的類比感測電路中，考慮屏蔽或調變LED驅動訊號，以將其與環境光和電氣雜訊區分開來。

7. 技術比較與差異化

與標準紅外線LED相比，IR25-21C/TR8的反向封裝提供了可能更低的剖面高度和不同的輻射模式。其關鍵差異在於與矽材料的特定光譜匹配，這在偵測器系統中能產生比波長偏離峰值的LED更高的訊噪比。符合無鹵素和現代環境標準使其適用於綠色電子倡議。

8. 常見問題（基於技術參數）

8.1 為何限流電阻絕對必要？

二極體的指數型I-V特性意味著，超過順向電壓膝點（約1.5V）後，電流會隨著電壓的微小增加而急劇上升。若沒有電阻來設定工作點，微小的電源變化或溫度變化都可能將電流推至超過100mA的最大值，瞬間損壞LED。

8.2 "光譜與矽光偵測器匹配"是什麼意思？

基於矽的光二極體和光電晶體具有特定的響應度曲線；它們對800-1000 nm附近的光最為敏感。此LED在940 nm的峰值發射正好落在這個高靈敏度區域內，確保偵測器能將LED光功率的最大部分轉換為電流，從而提高系統效率和範圍。

8.3 168小時的車間壽命有多關鍵？

對於可靠的組裝而言非常關鍵。吸收到塑膠封裝中的濕氣在高溫迴焊焊接過程中可能迅速蒸發，導致內部分層、裂紋或鍵合線損壞（"爆米花效應"）。遵守車間壽命或進行適當的烘烤可以防止這種失效模式。

9. 實際使用案例

設計紙張計數器：在辦公設備中，IR25-21C/TR8可以安裝在紙張路徑的一側，直接面對另一側的光電晶體。當沒有紙張時，紅外線光束到達偵測器，產生高訊號。當一張紙通過時，它會遮斷光束，導致偵測器訊號下降。微控制器對這個事件進行計數。940nm波長是不可見的，且不受環境室內光影響。低順向電壓允許系統由3.3V或5V邏輯電源供電，只需一個簡單的串聯電阻（例如，(5V - 1.5V)/0.02A = 175Ω）即可將LED電流設定在安全的20mA。

10. 工作原理簡介

紅外線發光二極體（IR LED）是一種半導體p-n接面二極體。當施加順向偏壓時，來自n區的電子和來自p區的電洞被注入接面區域。當這些電荷載子復合時，它們會釋放能量。在GaAlAs材料系統中，此能量主要以紅外光譜（波長長於可見紅光，通常為700nm至1mm）中的光子（光粒子）形式釋放。鎵、鋁和砷化物層的特定成分決定了峰值發射波長。水清環氧樹脂封裝充當透鏡，將發射的光塑造成定義的光束模式。

11. 產業趨勢與發展

感測用光電元件的趨勢持續朝向微型化、更高效率和整合化發展。雖然像IR25-21C/TR8這樣的離散LED在靈活性和性能方面仍然至關重要，但將發射器、偵測器和訊號調理電路整合在單一封裝中的整合感測器模組市場正在不斷增長。這些模組簡化了設計，但可能對特定應用的優化較少。另一個趨勢是數據通訊應用（如紅外線遙控器）對更高速度調變的需求，這需要具有快速上升/下降時間的LED。環境合規性（RoHS、REACH、無鹵素）已成為標準要求，而非差異化因素。高效紅外線發射的基礎技術持續改進，研究人員正在探索如InGaN等新材料系統以用於不同的波長範圍。