SMD 5050 RGBW LED 規格書 - 5.0x5.0x1.6mm - 紅光 2.6V/綠光 3.8V/藍光 3.8V/白光 3.6V - 每晶片 0.2W - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

本文件詳細說明一款採用 5050 封裝尺寸、緊湊型、表面黏著、低功耗 LED 的規格。此元件在單一白色樹脂封裝內整合了四個獨立的半導體晶片：紅光（R）、綠光（G）、藍光（B）與白光（W）。這種多晶片配置能夠產生廣泛的光譜顏色，包括來自專用白光晶片的純白光，以及來自 RGB 組合的混色光。封裝採用 8 腳位導線架設計，為每個晶片提供獨立的電氣連接，以便進行獨立控制。

此 LED 的核心優勢包括高發光效率、低功耗以及寬廣的 120 度視角。其緊湊的 SMD 封裝形式使其適合紅外線迴焊等自動化組裝製程。本產品符合關鍵的環境與安全標準，包括 RoHS、歐盟 REACH 以及無鹵素要求（Br <900 ppm，Cl <900 ppm，Br+Cl < 1500 ppm）。

其目標應用非常多元，充分利用了其混色能力與一般照明特性。主要用途包括一般裝飾與娛樂照明、狀態指示燈、開關與面板的背光或照明，以及其他需要緊湊型多色光源的應用。

2. 深入技術參數分析

2.1 絕對最大額定值

所有額定值均在焊接點溫度（T_焊接）為 25°C 時指定。超過這些限制可能會導致永久性損壞。

• 逆向電壓（V_R）：所有晶片（R、G、B、W）最大為 5V。施加更高的逆向電壓可能導致接面崩潰。
• 連續順向電流（I_F）：紅光與白光晶片額定為 200mA。綠光與藍光晶片額定為 180mA。此為直流電流限制。
• 峰值順向電流（I_FP）：適用於工作週期為 1/10、脈衝寬度為 10ms 的脈衝操作。紅光/白光：400mA。綠光/藍光：360mA。
• 功率損耗（P_d）：每個晶片允許的最大功率損耗。R：520mW，G/B：684mW，W：720mW。此參數對於熱管理至關重要。
• 溫度範圍：工作溫度：-40°C 至 +85°C。儲存溫度：-40°C 至 +100°C。最高接面溫度（T_j）：110°C。
• 熱阻（R_{th J-S}）：接面至焊接點。R：60°C/W，G：110°C/W，B：75°C/W，W：75°C/W。數值越低表示從晶片到電路板的熱傳導效果越好。
• 焊接溫度：紅外線迴焊：峰值溫度 260°C，最長 10 秒。手工焊接：烙鐵頭溫度 350°C，最長 3 秒。

2.2 電光特性

典型性能是在 T_焊接=25°C 且 I_F=100mA 的條件下測量，除非另有說明。

• 發光強度（I_v）：以毫燭光（mcd）為單位測量。典型值：R：5000 mcd，G：11000 mcd，B：3000 mcd，W：10000 mcd。亦指定了最小值。容差為 ±11%。
• 順向電壓（V_F）：LED 在 100mA 電流下的電壓降。典型值/最大值：R：2.10V/2.60V，G：3.00V/3.80V，B：3.10V/3.80V，W：2.90V/3.60V。容差為 ±0.1V。此參數對於驅動器設計至關重要。
• 視角（2θ_1/2）：120 度。此為發光強度降至峰值強度（軸向）一半時的全角。
• 主波長（λ_p）：發射光的峰值波長。R：619-629nm，G：520-535nm，B：460-475nm。容差為 ±1nm。白光 LED 的顏色描述為偏黃。
• 逆向電流（I_R）：所有晶片在 V_R= -5V 時的最大漏電流為 10µA。

3. 分級系統說明

為確保顏色與亮度的一致性，LED 會根據測量性能進行分級。

3.1 發光強度分級

LED 根據其在 I_F=100mA 時測得的發光強度進行分組。每個分級都有一個代碼（例如 CB、DA、EA），定義了以 mcd 為單位的最小/最大強度範圍。

• 紅光（R）：分級 CB（3550-4500 mcd）、DA（4500-5600 mcd）、DB（5600-7100 mcd）。
• 綠光（G）：分級 EA（7100-9000 mcd）、EB（9000-11200 mcd）、FA（11200-14000 mcd）。
• 藍光（B）：分級 BA（1800-2240 mcd）、BB（2240-2800 mcd）、CA（2800-3550 mcd）、CB（3550-4500 mcd）。
• 白光（W）：分級 DB（5600-7100 mcd）、EA（7100-9000 mcd）、EB（9000-11200 mcd）、FA（11200-14000 mcd）、FB（14000-18000 mcd）。

3.2 主波長分級

LED 也會根據其發射光的峰值波長進行分級，以控制色調。

• 紅光（R）：分級 RB（619-624 nm）、RC（624-629 nm）。
• 綠光（G）：分級 G7（520-525 nm）、G8（525-530 nm）、G9（530-535 nm）。
• 藍光（B）：分級 B3（460-465 nm）、B4（465-470 nm）、B5（470-475 nm）。

3.3 色度座標分級（白光 LED）

對於白光 LED，顏色是使用 CIE 1931 色度圖上的色度座標（x, y）來精確定義的。規格書提供了詳細的分級代碼表（例如 A11、A12、A21）及其對應的由四組 (x,y) 座標定義的四邊形區域。這些座標的容差為 ±0.01。此系統確保對發射光的白點（例如冷白光、中性白光、暖白光）進行嚴格控制。

4. 性能曲線分析

規格書包含典型的特性曲線，對於理解元件在不同工作條件下的行為至關重要。

4.1 光譜分佈

顯示了典型的光譜分佈曲線，繪製了相對強度與波長的關係。此曲線直觀地表示了光輸出的組成。對於 RGB 晶片，它顯示了在其主波長處的窄峰。對於白光 LED（通常是塗有螢光粉的藍光晶片），曲線顯示了來自螢光粉轉換光的寬峰，並結合了來自激發 LED 的較小藍光峰。光度計算也會參考標準人眼響應曲線（V(λ)）。

4.2 順向電流 vs. 順向電壓（I-V 曲線）

R、G、B 和 W 晶片的獨立曲線顯示了在 25°C 下順向電流（I_F）與順向電壓（V_F）之間的關係。這些曲線本質上是指數型的。它們對於設計限流電路或恆流驅動器至關重要。這些曲線證實，在 100mA 的典型工作電流下，V_F與電氣表中所述的典型值相符。

4.3 波長 vs. 順向電流

這些曲線說明了每個晶片的主波長（顏色）如何隨著順向電流的增加而偏移。通常，由於接面加熱和其他效應，波長會隨著電流略微增加。對於需要在不同亮度級別下保持精確顏色穩定性的應用來說，這是一個重要的考量因素。

4.4 相對強度 vs. 順向電流

這些圖表顯示了光輸出（G/W 的相對發光強度，R/B 的相對輻射強度）如何隨著順向電流的增加而增加。在較低電流下，關係大致呈線性，但在較高電流下可能因熱效應和效率下降而飽和。此數據用於確定達到所需亮度級別的最佳驅動電流。

4.5 最大允許順向電流 vs. 溫度

此降額曲線對於可靠性而言是最重要的曲線之一。它顯示了隨著環境（或焊接點）溫度的升高，必須如何降低最大允許連續順向電流。例如，在 85°C 時，允許的電流將顯著低於 25°C 的額定值。在此曲線上方操作有超過最高接面溫度的風險，導致光輸出下降（流明衰減）並顯著縮短 LED 的使用壽命。

5. 焊接與組裝指南

LED 對靜電放電（ESD）敏感，必須採取適當的預防措施進行處理。推薦的焊接方法如下：

• 紅外線迴焊：這是 SMD 組裝的首選方法。最高峰值溫度不應超過 260°C，且溫度高於 260°C 的時間應限制在 10 秒內。標準的無鉛迴焊曲線是合適的。
• 手工焊接：如有必要，可以進行手工焊接，烙鐵頭溫度不超過 350°C。每個引腳的接觸時間應限制在 3 秒內，以防止對封裝和焊線造成熱損壞。

必須注意避免在焊接期間和焊接後對封裝施加機械應力。儲存溫度範圍為 -40°C 至 +100°C。

6. 應用建議與設計考量

6.1 典型應用電路

由於紅光、綠光、藍光、白光晶片的順向電壓特性不同，每個晶片都需要自己的限流電路。強烈建議使用恆流驅動器，而不是簡單的串聯電阻，以獲得更好的亮度一致性和顏色穩定性，尤其是在使用電池等可變電壓源操作時。對於 RGB 混色，脈衝寬度調變（PWM）是強度控制的標準方法，因為它能保持恆定的順向電壓和電流，從而保持每個原色的色度。

6.2 熱管理

有效的散熱對於性能和壽命至關重要。熱阻值（R_{th J-S}）表示熱量從晶片傳導到 PCB 的難易程度。設計人員必須確保 PCB 具有足夠的銅箔面積（散熱焊盤或通孔到內層），以消散產生的總熱量（所有工作晶片的 I_F* V_F之和）。在沒有適當冷卻的情況下，在接近或達到最大電流額定值下操作，將導致高接面溫度，造成光輸出下降（流明衰減）並顯著縮短 LED 的工作壽命。

6.3 光學設計

寬廣的 120 度視角使此 LED 適合需要寬廣、漫射照明的應用。對於更定向的光線，可能需要二次光學元件（透鏡）。在進行混色設計時，四個晶片在 5050 封裝內的物理接近性確保了在遠處具有良好的空間顏色混合效果，但對於非常近距離的觀看，可能會分辨出個別的色點。

7. 技術比較與差異化

此 5050 RGBW LED 的差異化在於將四個不同的發光體整合在一個非常緊湊、符合業界標準的 5.0mm x 5.0mm 佔位面積內。與使用四個獨立的單色 5050 LED 相比，這種整合封裝節省了 PCB 空間並簡化了取放組裝。除了 RGB 晶片外，還包含一個專用的白光晶片，提供了一個高品質的白光光源，無需進行混色，而混色有時會導致效率較低或顯色性問題。獨立的 8 腳位配置提供了最大的控制靈活性，允許每種顏色獨立驅動或以任何組合驅動。

8. 常見問題（基於技術參數）

問：我可以使用單個恆壓源和一個串聯電阻來並聯驅動所有四個晶片（RGBW）嗎？

答：不建議。順向電壓（V_F）差異很大（例如，紅光約 2.1V，藍光約 3.1V）。將它們並聯會導致嚴重的電流不平衡，紅光晶片會吸取大部分電流，可能超過其額定值，而其他晶片則保持暗淡或熄滅。每個顏色通道都需要獨立的電流控制。

問：額定值中的發光強度（mcd）和功率（mW）有什麼區別？

答：發光強度（以燭光或毫燭光為單位測量）是人眼感知的光亮度，並根據人眼的敏感度曲線進行加權。功率損耗（以毫瓦為單位）是在 LED 接面處轉換為熱量的電功率（I_F*V_F）。一部分輸入功率被轉換為光（輻射功率），但規格書指定了必須管理的最大熱量。

問：如何解讀白光 LED 的色度座標分級？

答：每個分級（例如 A11）在 CIE 色度圖上定義了一個小的四邊形區域。四對 (x,y) 座標就是該區域的角點。測量顏色落在該四邊形內的 LED 會被分配該分級代碼。這確保了一批 LED 具有幾乎相同的白點顏色。

問：為什麼峰值順向電流（I_FP）高於連續電流（I_F）？

答：半導體接面可以在極短的時間內（此處為 10ms）承受更高的電流脈衝，因為產生的熱量沒有時間將接面溫度提高到臨界水平。這對於 PWM 調光或產生短暫的明亮閃光很有用。

9. 實務設計與使用案例

情境：設計一個變色情境燈。

設計師選擇此 LED 用於 USB 供電的桌面燈。他們使用一個具有四個 PWM 通道的微控制器來獨立控制 R、G、B 和 W 的電流。白光 LED 提供純淨的閱讀燈模式。RGB LED 混合以創造數百萬種顏色用於環境照明。設計使用了一個恆流 LED 驅動器 IC，每個通道能夠提供高達 200mA 的電流。PCB 包含一個大的接地層，通過多個通孔連接到 LED 的散熱焊盤以作為散熱器。韌體實現了顏色漸變演算法，並包含熱管理邏輯：如果微控制器的溫度感測器（放置在 PCB 上靠近 LED 的位置）讀數超過 70°C，則降低最大驅動電流，確保 LED 在其安全的溫度降額曲線內運行。

10. 工作原理介紹

發光基於半導體材料中的電致發光。當順向電壓施加在 LED 的 p-n 接面兩端時，電子和電洞重新結合，以光子（光）的形式釋放能量。光的顏色（波長）由半導體材料的能隙能量決定。紅光晶片使用 AlInGaP（磷化鋁銦鎵）。綠光和藍光晶片使用 InGaN（氮化銦鎵），並透過不同的銦/鎵比例來調節能隙。白光 LED 通常使用塗有黃色（或多色）螢光粉的藍光 InGaN 晶片。來自晶片的藍光激發螢光粉，然後螢光粉發射出較長波長（黃色、紅色）的寬廣光譜，與剩餘的藍光結合產生白光。偏黃的描述表明其相關色溫（CCT）位於白光光譜中較暖的一側。

11. 技術趨勢與背景

像此 5050 RGBW 這樣的整合多晶片封裝，代表了 LED 照明領域朝向更高功能密度和簡化系統設計的趨勢。朝向更寬視角（如 120 度）的發展，迎合了需要均勻、無眩光照明的應用，而非聚焦的聚光燈。業界持續推動更高的發光效率（每電瓦產生更多光輸出）和改進的顯色性，尤其是白光元件。此外，如詳細的色度座標表所示，更嚴格的分級容差反映了市場對單色和白光 LED 應用中卓越顏色一致性的需求，這在多 LED 燈具和顯示器中至關重要。