目錄
1. 產品概述
LSHD-F101是一款單一位數、七段式加小數點的LED顯示器模組。它採用先進的磷化鋁銦鎵（AlInGaP）磊晶層，生長於砷化鎵（GaAs）基板上，以產生高效率的紅光。此元件主要應用於需要清晰、明亮且可靠數字讀數的電子設備，例如儀表板、消費性家電和工業控制裝置。其核心優勢包括：因連續均勻的段位而具備出色的字元外觀、高亮度與高對比度帶來卓越的可視性，以及固態可靠性確保了長久的運作壽命。
1.1 主要特點
- 字元高度：0.39英吋（10.0毫米）。
- 連續均勻的段位，確保字元外觀平滑。
- 低功耗需求，提升能源效率。
- 高亮度與高對比度，提供絕佳的可讀性。
- 廣視角，適用於各種安裝位置。
- 固態可靠性，無活動零件。
- 依發光強度分級，便於在多數位應用中進行亮度匹配。
- 無鉛封裝，符合RoHS（有害物質限制）指令。
2. 技術參數：深入客觀解讀
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應力極限。為確保可靠性能，不建議在接近或達到這些極限的條件下運作。
- 每段功耗：70 mW。這是單一LED段位在不會造成熱損壞的情況下，可安全散發的最大功率。
- 每段峰值順向電流：90 mA。此額定值適用於脈衝條件（1/10工作週期，0.1ms脈衝寬度），高於連續電流額定值。
- 每段連續順向電流：在25°C時為25 mA。當環境溫度超過25°C時，此電流會以0.28 mA/°C的速率線性遞減。在較高溫度下，需要適當的散熱或降低電流。
- 每段逆向電壓：5 V。在逆向偏壓下超過此電壓可能導致立即且災難性的故障。
- 工作與儲存溫度範圍：-35°C 至 +105°C。此元件額定可在這個寬廣的工業溫度範圍內運作與儲存。
- 焊接條件：封裝可承受在260°C下焊接最多5秒，測量點位於安裝平面下方1/16英吋（約1.6毫米）處。
2.2 電氣與光學特性
這些是在指定測試條件下（Ta=25°C）測得的典型性能參數。
- 每段平均發光強度（Iv）：在1mA驅動電流下範圍為200-750 ucd，在10mA下為3400-9750 ucd。此高強度確保了明亮的顯示輸出。
- 峰值發射波長（λp）：650 nm（典型值）。此參數指定了光功率輸出達到最大值的波長。
- 主波長（λd）：639 nm（典型值）。這是人眼感知的單一波長，定義了紅色。
- 譜線半寬度（Δλ）：20 nm（典型值）。這表示所發射紅光的光譜純度。
- 每晶片順向電壓（Vf）：在20mA測試電流下為2.10V至2.60V。電路設計必須適應此範圍，以確保一致的驅動電流。
- 每段逆向電流（Ir）：在5V逆向電壓下最大為100 µA。此參數僅供測試用途；禁止進行連續逆向偏壓操作。
- 發光強度匹配比：在1mA驅動下，段位間最大為2:1。這確保了整個顯示器的亮度均勻。
3. 分級系統說明
規格書指出此元件依發光強度分級。這意味著一個分級過程，顯示器會根據在標準測試電流（例如1mA或10mA）下測得的光輸出進行分類。這讓設計師可以從相同或相鄰的強度等級中選擇零件，以確保多數位顯示器的視覺一致性，防止某些數字看起來比其他數字更亮或更暗。雖然此摘要未提供具體的分級代碼細節，但此分類是確保最終應用在外觀和功能上一致性的關鍵品管步驟。
4. 性能曲線分析
規格書參考了典型電氣/光學特性曲線，這些對於詳細設計至關重要。通常包括：
- IV曲線（順向電流 vs. 順向電壓）：顯示指數關係，對於設計恆流驅動器至關重要。
- 發光強度 vs. 順向電流：展示光輸出如何隨電流增加，有助於亮度校準和效率計算。
- 發光強度 vs. 環境溫度：顯示光輸出隨溫度升高而遞減，對於熱管理很重要。
- 光譜分佈圖：繪製相對強度與波長的關係圖，確認主波長、峰值波長和光譜寬度。
設計師應參考這些曲線，以優化驅動條件、了解溫度依賴性，並預測在實際操作環境中的性能。
5. 機械與封裝資訊
5.1 封裝尺寸
顯示器具有淺灰色面板和白色段位。關鍵尺寸註記包括：
- 所有尺寸單位為毫米，除非另有說明，一般公差為±0.25mm。
- 引腳尖端偏移公差為±0.40 mm。
- 建議的PCB引腳孔徑為1.0 mm。
- 品質規範限制了異物、段位內的氣泡、反射器彎曲以及表面油墨污染，以確保光學清晰度和機械完整性。
5.2 引腳配置與電路圖
此元件採用10引腳配置，具有共陽極架構。內部電路圖顯示兩個共陽極引腳（引腳1和引腳6）在內部連接在一起，提供冗餘並可能實現更好的電流分佈。段位陰極（A-G和DP）連接到個別引腳。此配置是複用多個數位的標準方式，儘管這是一個單一位數單元。引腳排列如下：1-共陽極，2-F，3-G，4-E，5-D，6-共陽極，7-DP，8-C，9-B，10-A。
6. 焊接與組裝指南
6.1 自動焊接
建議條件：260°C，持續5秒，測量點位於封裝安裝平面下方1.6mm（1/16英吋）處。在此過程中，元件本體溫度不得超過其最大額定值。
6.2 手動焊接
建議條件：350°C ±30°C，最多5秒，烙鐵頭位置在安裝平面下方1.6mm處。必須小心避免長時間的熱暴露。
7. 應用建議
7.1 典型應用場景
此顯示器適用於普通電子設備，包括辦公設備、通訊裝置和家用電器。其高亮度和可讀性使其適用於面板儀表、時鐘顯示、簡單控制單元讀數，以及需要清晰數字指示器的消費性電子產品。
7.2 關鍵設計考量
- 驅動方法：強烈建議使用恆流驅動而非恆壓驅動，以確保一致的發光強度和壽命，因為LED亮度是電流的函數，而非電壓。
- 電流限制：驅動電路必須將每個段位的電流限制在絕對最大額定值內（25mA連續，隨溫度遞減）。超過此值會導致快速劣化。
- 電壓範圍：電路設計必須能適應2.10V至2.60V的完整順向電壓（Vf）範圍，以便為所有單元提供預期的電流。
- 逆向電壓保護：驅動電路應包含保護措施（例如串聯二極體或積體電路功能），以防止在開機、關機或故障情況下將逆向電壓或電壓尖峰施加到LED陰極。
- 熱管理：安全操作電流必須根據應用環境的最高環境溫度進行遞減，使用超過25°C以上0.28 mA/°C的遞減係數。
8. 可靠性測試
此元件根據軍事（MIL-STD）、日本工業（JIS）和內部標準進行一系列全面的可靠性測試。這些測試驗證了其穩健性和壽命：
- 操作壽命（RTOL）：在室溫下以最大額定電流運作1000小時。
- 環境應力：包括高溫/高濕儲存（65°C/90-95% RH下500小時）、高低溫儲存（105°C和-35°C下各1000小時）、溫度循環和熱衝擊測試。
- 製程穩健性：耐焊性和可焊性測試確保封裝能承受標準組裝製程。
9. 注意事項與使用限制
此元件並非設計用於安全關鍵應用，即故障可能危及生命或健康的情況（例如航空、醫療生命維持、運輸安全系統）。對於此類應用，必須諮詢製造商以獲取特殊認證的元件。製造商對因超出絕對最大額定值運作或違反所提供的指示而造成的損害不承擔任何責任。需要特別注意避免逆向偏壓，這可能引發金屬遷移，導致漏電流增加或故障。
10. 技術比較與差異化
LSHD-F101透過其在GaAs基板上使用AlInGaP技術而與眾不同。與舊技術如標準GaAsP或GaP相比，AlInGaP LED提供顯著更高的發光效率，從而在相同驅動電流下產生更高的亮度。連續均勻段位的特點表明了高品質的模具和擴散器設計，消除了段位內可見的間隙或熱點，從而帶來更專業且易讀的字元外觀。廣視角和分級的發光強度，對於需要從不同角度或多個單元間保持一致視覺性能的應用來說，是進一步的優勢。
11. 常見問題（基於技術參數）
問：我可以用5V電源和一個簡單的電阻來驅動這個顯示器嗎？
答：可以，但需要仔細計算。使用歐姆定律（R = (電源電壓 - LED順向電壓) / LED電流），並假設最壞情況下20mA時的Vf為2.6V，電阻值為（5V - 2.6V）/ 0.02A = 120歐姆。然而，由於Vf的變化，不同段位/顯示器之間的亮度可能會有所不同。為求一致性，建議使用恆流驅動器。
問：峰值波長和主波長有什麼區別？
答：峰值波長（650nm）是發射光譜的物理峰值。主波長（639nm）是對人眼產生相同顏色感知的單一波長。主波長對於顏色規格更為相關。
問：為什麼有兩個共陽極引腳？
答：這提供了機械對稱性，簡化了PCB佈局，並且可以幫助更均勻地分配電流，可能提高可靠性和亮度均勻性。
12. 設計與使用案例研究
情境：設計一個簡單的數位電壓表讀數。
設計師為一個2位數的電壓表顯示器（需要兩個單元）選擇了LSHD-F101。他們首先檢查強度分級資訊，以從同一等級採購兩個顯示器，以確保亮度均勻。微控制器在3.3V下運作。為了以10mA的目標電流驅動每個段位以獲得良好的亮度，他們設計了一個使用電晶體陣列IC的恆流汲極驅動器。驅動電路包含保護二極體，以鉗制來自連接顯示面板的長導線的任何感性電壓尖峰。PCB佈局為顯示器提供了足夠的間距，以容納建議的1.0mm安裝孔，並包含一個接地層用於散熱。在測試期間，他們在預期的最高環境溫度50°C下驗證段位亮度，並確認電流已適當遞減至每段約18mA（25mA - (0.28mA/°C * (50-25)°C)）。
13. 運作原理介紹
LSHD-F101中的光發射基於AlInGaP材料製成的半導體p-n接面中的電致發光。當施加超過接面內建電位的順向電壓時，來自n型區域的電子和來自p型區域的電洞被注入活性區域。在此，它們重新結合，以光子的形式釋放能量。AlInGaP合金的特定成分決定了能隙能量，這直接對應於發射光的波長（顏色）——在本例中為紅色。GaAs基板具有光吸收性，因此晶片設計為頂部發射，然後由模製塑膠封裝擴散以形成均勻的段位。
14. 技術趨勢與背景
AlInGaP技術代表了用於紅色、橙色和黃色LED的成熟且高效的解決方案。雖然基於氮化鎵（GaN）的新技術主導了藍色、綠色和白色照明市場，但AlInGaP由於其在該光譜區域的卓越效率和顏色純度，仍然是高性能紅色指示器和顯示器的首選材料。顯示技術的趨勢包括轉向表面黏著元件（SMD）封裝以實現自動化組裝和更高密度。雖然LSHD-F101是一個穿孔元件，但其高亮度、可靠性和分級性能的設計原則仍然是基礎。未來的發展可能集中在進一步提高效率、更寬的溫度範圍以及與驅動電子元件的整合上。
LED規格術語詳解
LED技術術語完整解釋
一、光電性能核心指標
| 術語 | 單位/表示 | 通俗解釋 | 為什麼重要 |
|---|---|---|---|
| 光效（Luminous Efficacy） | lm/W（流明/瓦） | 每瓦電能發出的光通量，越高越節能。 | 直接決定燈具的能效等級與電費成本。 |
| 光通量（Luminous Flux） | lm（流明） | 光源發出的總光量，俗稱"亮度"。 | 決定燈具夠不夠亮。 |
| 發光角度（Viewing Angle） | °（度），如120° | 光強降至一半時的角度，決定光束寬窄。 | 影響光照範圍與均勻度。 |
| 色溫（CCT） | K（開爾文），如2700K/6500K | 光的顏色冷暖，低值偏黃/暖，高值偏白/冷。 | 決定照明氛圍與適用場景。 |
| 顯色指數（CRI / Ra） | 無單位，0–100 | 光源還原物體真實顏色的能力，Ra≥80為佳。 | 影響色彩真實性，用於商場、美術館等高要求場所。 |
| 色容差（SDCM） | 麥克亞當橢圓步數，如"5-step" | 顏色一致性的量化指標，步數越小顏色越一致。 | 保證同一批燈具顏色無差異。 |
| 主波長（Dominant Wavelength） | nm（奈米），如620nm（紅） | 彩色LED顏色對應的波長值。 | 決定紅、黃、綠等單色LED的色相。 |
| 光譜分佈（Spectral Distribution） | 波長 vs. 強度曲線 | 顯示LED發出的光在各波長的強度分佈。 | 影響顯色性與顏色品質。 |
二、電氣參數
| 術語 | 符號 | 通俗解釋 | 設計注意事項 |
|---|---|---|---|
| 順向電壓（Forward Voltage） | Vf | LED點亮所需的最小電壓，類似"啟動門檻"。 | 驅動電源電壓需≥Vf，多個LED串聯時電壓累加。 |
| 順向電流（Forward Current） | If | 使LED正常發光的電流值。 | 常採用恆流驅動，電流決定亮度與壽命。 |
| 最大脈衝電流（Pulse Current） | Ifp | 短時間內可承受的峰值電流，用於調光或閃光。 | 脈衝寬度與佔空比需嚴格控制，否則過熱損壞。 |
| 反向電壓（Reverse Voltage） | Vr | LED能承受的最大反向電壓，超過則可能擊穿。 | 電路中需防止反接或電壓衝擊。 |
| 熱阻（Thermal Resistance） | Rth（°C/W） | 熱量從晶片傳到焊點的阻力，值越低散熱越好。 | 高熱阻需更強散熱設計，否則結溫升高。 |
| 靜電放電耐受（ESD Immunity） | V（HBM），如1000V | 抗靜電打擊能力，值越高越不易被靜電損壞。 | 生產中需做好防靜電措施，尤其高靈敏度LED。 |
三、熱管理與可靠性
| 術語 | 關鍵指標 | 通俗解釋 | 影響 |
|---|---|---|---|
| 結溫（Junction Temperature） | Tj（°C） | LED晶片內部的實際工作溫度。 | 每降低10°C，壽命可能延長一倍；過高導致光衰、色漂移。 |
| 光衰（Lumen Depreciation） | L70 / L80（小時） | 亮度降至初始值70%或80%所需時間。 | 直接定義LED的"使用壽命"。 |
| 流明維持率（Lumen Maintenance） | %（如70%） | 使用一段時間後剩餘亮度的百分比。 | 表徵長期使用後的亮度保持能力。 |
| 色漂移（Color Shift） | Δu′v′ 或 麥克亞當橢圓 | 使用過程中顏色的變化程度。 | 影響照明場景的顏色一致性。 |
| 熱老化（Thermal Aging） | 材料性能下降 | 因長期高溫導致的封裝材料劣化。 | 可能導致亮度下降、顏色變化或開路失效。 |
四、封裝與材料
| 術語 | 常見類型 | 通俗解釋 | 特點與應用 |
|---|---|---|---|
| 封裝類型 | EMC、PPA、陶瓷 | 保護晶片並提供光學、熱學介面的外殼材料。 | EMC耐熱好、成本低；陶瓷散熱優、壽命長。 |
| 晶片結構 | 正裝、倒裝（Flip Chip） | 晶片電極佈置方式。 | 倒裝散熱更好、光效更高，適用於高功率。 |
| 螢光粉塗層 | YAG、矽酸鹽、氮化物 | 覆蓋在藍光晶片上，部分轉化為黃/紅光，混合成白光。 | 不同螢光粉影響光效、色溫與顯色性。 |
| 透鏡/光學設計 | 平面、微透鏡、全反射 | 封裝表面的光學結構，控制光線分佈。 | 決定發光角度與配光曲線。 |
五、質量控制與分檔
| 術語 | 分檔內容 | 通俗解釋 | 目的 |
|---|---|---|---|
| 光通量分檔 | 代碼如 2G、2H | 按亮度高低分組，每組有最小/最大流明值。 | 確保同一批產品亮度一致。 |
| 電壓分檔 | 代碼如 6W、6X | 按順向電壓範圍分組。 | 便於驅動電源匹配，提高系統效率。 |
| 色區分檔 | 5-step MacAdam橢圓 | 按顏色坐標分組，確保顏色落在極小範圍內。 | 保證顏色一致性，避免同一燈具內顏色不均。 |
| 色溫分檔 | 2700K、3000K等 | 按色溫分組，每組有對應的坐標範圍。 | 滿足不同場景的色溫需求。 |
六、測試與認證
| 術語 | 標準/測試 | 通俗解釋 | 意義 |
|---|---|---|---|
| LM-80 | 流明維持測試 | 在恆溫條件下長期點亮，記錄亮度衰減數據。 | 用於推算LED壽命（結合TM-21）。 |
| TM-21 | 壽命推演標準 | 基於LM-80數據推算實際使用條件下的壽命。 | 提供科學的壽命預測。 |
| IESNA標準 | 照明工程學會標準 | 涵蓋光學、電氣、熱學測試方法。 | 行業公認的測試依據。 |
| RoHS / REACH | 環保認證 | 確保產品不含有害物質（如鉛、汞）。 | 進入國際市場的准入條件。 |
| ENERGY STAR / DLC | 能效認證 | 針對照明產品的能效與性能認證。 | 常用於政府採購、補貼項目，提升市場競爭力。 |