1. 產品概述
本文件提供LTST-C170KDKT表面黏著裝置(SMD)LED燈的完整技術規格。此元件屬於專為自動化印刷電路板(PCB)組裝所設計的LED系列,提供緊湊的外形尺寸,非常適合空間受限的應用。該LED採用超亮鋁銦鎵磷(AllnGaP)半導體晶片產生紅光,並封裝於水透明鏡片內。其設計優先考慮與現代大批量製造製程的相容性。
1.1 特性
- 符合RoHS(危害性物質限制指令)規範。
- 採用AllnGaP晶片技術實現高亮度輸出。
- 封裝於8mm載帶,捲繞於7英吋直徑捲盤,適用於自動化取放設備。
- 標準 EIA (Electronic Industries Alliance) 封裝尺寸。
- 輸入相容於標準積體電路 (IC) 邏輯位準。
- 專為自動元件置放系統使用而設計。
- 可承受紅外線(IR)迴流焊接製程,對於無鉛(Pb-free)組裝至關重要。
1.2 目標應用
LTST-C170KDKT適用於需要可靠、緊湊狀態指示或背光照明之廣泛電子設備。主要應用領域包括:
- Telecommunications Equipment: 無線電話、行動電話及網路系統硬體中的狀態指示器。
- 計算裝置: 筆記型電腦及其他可攜式電子產品中鍵盤與鍵盤的背光照明。
- Consumer & Industrial Electronics: 家用電器、辦公室自動化設備及工業控制系統中的指示燈。
- Display & Signage: 室內信號或符號照明裝置的微型顯示器及低照度照明。
2. Technical Parameters: In-Depth Objective Interpretation
LED的性能由一系列絕對最大額定值和標準操作特性所定義。理解這些參數對於可靠的電路設計及確保元件長期性能至關重要。
2.1 絕對最大額定值
這些數值代表應力極限,超過此極限可能對LED造成永久性損壞。不保證在此條件下運作。所有額定值均在環境溫度(Ta)為25°C下指定。
- 功率耗散 (Pd): 50 mW。此裝置能以熱形式耗散的最大總功率。
- 峰值順向電流 (IFP): 40 mA。這是最大允許瞬時順向電流,通常在脈衝條件下指定(1/10 工作週期,0.1ms 脈衝寬度),以防止過熱。
- 連續順向電流 (IF): 20 mA。可持續施加的最大直流電流。
- 逆向電壓 (VR): 5 V。施加超過此值的逆向電壓可能導致接面崩潰。
- 操作溫度範圍: -30°C 至 +85°C。此為裝置設計可正常運作的環境溫度範圍。
- 儲存溫度範圍: -40°C 至 +85°C。
- 紅外線焊接條件: 在回流焊接過程中,可承受峰值溫度260°C,最長持續時間10秒。
2.2 電光特性
這些參數定義了LED在標準測試條件下的典型性能(除非另有說明,Ta=25°C,IF=10mA)。
- 發光強度(IV): 2.8 - 28.0 mcd(毫坎德拉)。此為透過匹配人眼明視覺響應(CIE曲線)的濾光感測器所測得的光輸出感知亮度。其寬廣範圍表示採用了分檔系統(見第3節)。
- 視角(2θ1/2): 130度。此為光強度降至軸上(0°)測量值一半時的全角。130度角表示一種寬廣、擴散的發射模式,適用於大面積照明。
- Peak Emission Wavelength (λP): 650 nm (typical)。此為光譜功率輸出達到最大值時的波長。
- 主波長 (λd): 630 - 645 nm。這是人眼感知、用以定義LED顏色(紅色)的單一波長,由CIE色度座標推導得出。
- 譜線半寬 (Δλ): 20 nm(典型值)。在最大強度一半處量測到的發射光譜頻寬(半高全寬 - FWHM)。
- 順向電壓 (VF): 1.6 - 2.4 V。此為以10mA驅動LED時,其兩端的電壓降。此範圍涵蓋了半導體接面在正常製造過程中的公差。
- 逆向電流 (IR): 10 μA (最大)。施加最大逆向電壓 (5V) 時所流過的微小漏電流。
2.3 熱考量
雖然未在單獨的熱阻參數中明確詳述,但功耗(50mW)與工作溫度範圍(-30°C 至 +85°C)是主要的熱限制條件。若超過最大接面溫度(此溫度間接受這些額定值限制),將降低發光輸出與使用壽命。對於在接近最大電流下運作的應用,建議採用適當的 PCB 佈局以利散熱。
3. Binning System 說明
為確保終端產品的亮度一致性,LED會根據其測量的發光強度進行分選(分檔)。LTST-C170KDKT針對其紅色輸出採用以下分檔代碼系統。
3.1 發光強度(IV)分檔
發光強度是在正向電流為10mA的條件下測量的。各分檔定義如下,每個分檔內允許±15%的容差。
- 分級 H: 2.8 mcd(最小值)至 4.5 mcd(最大值)
- 分級 J: 4.5 mcd 至 7.1 mcd
- Bin K: 7.1 mcd 至 11.2 mcd
- Bin L: 11.2 mcd 至 18.0 mcd
- Bin M: 18.0 mcd 至 28.0 mcd
此系統讓設計師能根據其應用選擇合適的亮度等級,在成本與性能之間取得平衡。例如,高亮度指示燈可能需要 Bin M,而要求較低的狀態燈則可使用 Bin H 或 J。
4. Performance Curve Analysis
雖然數據手冊中引用了特定的圖形曲線(例如,圖1表示光譜輸出,圖5表示視角分佈模式),但以下將根據標準LED行為及所提供的參數來描述其一般含義。
4.1 電流與電壓 (I-V) 特性
The forward voltage (VF對於紅色AllnGaP LED而言,在10mA電流下,1.6V至2.4V的電壓範圍是典型的。其I-V曲線呈指數型,如同標準二極體。低於閾值電壓(此材料約為1.4-1.5V)時,幾乎沒有電流流動。超過此閾值後,電流會隨著電壓的微小增加而迅速上升。這就是為什麼LED必須透過限流機制(電阻或恆流源)驅動,而不能直接使用電壓源。
4.2 發光強度 vs. 順向電流
在相當大的範圍內,光輸出(發光強度)大致與順向電流成正比。在最大連續電流(20mA)下驅動LED,其產生的發光強度通常約為標準測試條件10mA下測得值的兩倍,儘管在高電流下因發熱影響,效率可能略有下降。
4.3 溫度依賴性
LED 的性能對溫度敏感。隨著接面溫度升高:
- 順向電壓 (VF): 降低。這具有負溫度係數。
- 發光強度(IV): 降低。較高的溫度會降低半導體的內部量子效率,導致在相同驅動電流下的光輸出降低。
- 主波長 (λd): 可能會略微偏移,通常隨著溫度升高而移向較長波長(紅移)。
4.4 光譜分佈
其光譜輸出的特徵是峰值波長為650nm,主波長介於630-645nm之間。20nm的光譜半高寬顯示,相較於白熾燈泡等寬頻譜光源,其紅色相對純淨、飽和度較高。窄頻寬是如AllnGaP等直接能隙半導體發光元件的典型特徵。
5. 機械與封裝資訊
5.1 封裝尺寸
該LED符合標準EIA SMD封裝外形。所有用於PCB焊盤設計和元件佈局的關鍵尺寸均在資料表圖紙中提供,除非另有說明,標準公差為±0.1mm。該封裝採用透明透鏡,不會擴散光線,從而呈現晶片固有的130°寬視角圖案。
5.2 推薦的PCB焊盤佈局
提供了一個建議的PCB焊盤圖形(焊墊幾何形狀),以確保在迴焊過程中形成正確的焊點。遵循此建議有助於獲得良好的焊料潤濕性、機械強度以及元件的正確對位。此焊盤設計考慮了必要的焊角,並能防止墓碑效應(元件在迴焊時一端翹起)。
5.3 極性識別
資料表中包含標示陽極和陰極端子的標記或圖示。正確的極性對元件操作至關重要。施加超過5V額定值的反向偏壓可能導致立即損壞。
6. 焊接與組裝指南
6.1 紅外迴流焊接參數
此LED適用於無鉛焊接製程。關鍵參數如下:
- 預熱溫度: 150°C 至 200°C。
- 預熱時間: 組件加熱與焊錫膏助焊劑活化過程,最大時間為120秒。
- 峰值迴焊溫度: 最高260°C。元件僅可在有限時間內承受此溫度。
- 高於液相線時間(於峰值溫度時): 最長10秒。元件承受峰值溫度的時間不應超過此時長。最多允許兩次回流焊循環。
6.2 手工焊接(若有必要)
若需手動修復:
- 烙鐵溫度: 最高300°C。
- 接觸時間: 每個接點最多3秒。
- 限制: 每個接點僅允許進行一次手工焊接循環,以盡量減少封裝體的熱應力。
6.3 清潔
若需進行焊後清潔,應僅使用指定溶劑,以避免損壞塑膠封裝。推薦使用室溫下的乙醇或異丙醇。LED浸泡時間應少於一分鐘。必須避免使用未指定的化學清潔劑。
6.4 儲存與操作
- ESD(靜電放電)注意事項: LED對靜電敏感。處理時應採取防靜電措施,例如使用防靜電手環、接地工作站和導電泡棉。
- Moisture Sensitivity Level (MSL): The device is rated MSL 2a. This means that once the original moisture-proof barrier bag is opened, the components must be soldered within 672 hours (28 days) under factory floor conditions (<30°C / 60% RH).
- 延長儲存(拆封後): 若需儲存超過 672 小時,元件應存放於裝有乾燥劑的密封容器或氮氣環境中。若暴露時間超過限制,在焊接前需進行約 60°C、至少 20 小時的烘烤,以去除吸收的濕氣並防止「爆米花效應」(迴焊過程中封裝開裂)。
- 原廠包裝儲存: 未開封的捲盤應儲存在30°C以下且相對濕度90%以下的環境中,自日期代碼起建議保存期限為一年。
7. 包裝與訂購資訊
7.1 捲帶與捲盤規格
本LED產品以符合產業標準的壓花載帶包裝,適用於自動化組裝。
- 載帶寬度: 8 毫米。
- 捲盤直徑: 7 英吋。
- 每捲數量: 3000件。
- 餘料最低訂購量(MOQ): 500件。
- 蓋帶: 空元件袋會以頂部蓋帶密封。
- 缺件: 根據ANSI/EIA-481標準,捲帶中允許的連續缺失LED最大數量為兩個。
8. 應用建議
8.1 典型應用電路
LED是一種電流驅動元件。最基本且可靠的驅動方式是使用串聯限流電阻,如數據手冊中「電路A」所示。對於電源電壓VCC,電阻值R的計算公式為:R = (VCC - VF) / IF. 使用最大VF (2.4V) 進行計算可確保電流不會超過所需的IF ,即使是低VF 的元件亦然。對於多個LED,強烈建議為每個並聯的LED使用單獨的電阻,以確保亮度均勻,因為不同元件之間的正向電壓可能存在差異。
8.2 設計考量
- 當前設定: 操作於或低於20mA最大直流電流。為延長使用壽命及降低功耗,10mA甚至5mA通常已足夠,尤其用於指示用途時。
- 散熱: 若需在高電流下持續運作,請確保PCB佈局能讓熱量從LED的散熱焊盤(如適用)或焊點處有效散逸。
- 光學設計: 130°視角提供寬廣的覆蓋範圍。如需更集中的光線,可能需要外部透鏡或導光裝置。
- 調光: Brightness can be controlled via Pulse Width Modulation (PWM), where the LED is switched on and off at a frequency faster than the eye can perceive (typically >100Hz). The average current, and thus the perceived brightness, is controlled by the duty cycle. This is more efficient and provides better color stability than analog (DC) dimming.
9. Technical Comparison and Differentiation
LTST-C170KDKT的主要差異化特點在於其技術與封裝的結合:
- AllnGaP晶片與其他技術的比較: 相較於舊式的GaAsP(磷化砷化鎵)紅色LED,AllnGaP提供了顯著更高的發光效率(每單位電能可輸出更多光線)以及更好的溫度穩定性。這使得其性能更明亮、更穩定。
- 廣視角: 130° 視角明顯比許多專為定向照明設計的 SMD LED 更寬廣。這使其非常適合需要寬廣、均勻照明而非聚焦光束的應用。
- 製造相容性: 與IR回流焊和自動化貼裝完全兼容,使其成為現代化、高產量表面貼裝生產線的經濟高效選擇,不同於需要手動或波峰焊的穿孔式LED。
10. 常見問題(基於技術參數)
Q1: 我可以直接從3.3V或5V微控制器引腳驅動這個LED嗎?
A1: 不。您必須始終使用一個串聯限流電阻。直接連接會試圖汲取過大電流,可能損壞LED和微控制器輸出引腳。請按照第8.1節所述計算電阻值。
Q2: 發光強度分檔代碼(H, J, K, L, M)對我的設計意味著什麼?
A2: 它定義了亮度範圍。如果您的設計需要滿足特定規格的最低亮度(例如,陽光可讀性),則必須選擇能保證該最低亮度的分檔(例如,最高亮度的M檔)。對於非關鍵性指示燈,選擇較低的分檔可能更具成本效益。
Q3: 數據手冊顯示最高焊接溫度為260°C,但我的電路板上有其他元件要求250°C。這樣可以嗎?
A3: 可以。260°C的額定值是最高耐受額定值。採用較低峰值溫度(例如250°C)的焊接溫度曲線是完全可接受的,並且能使LED承受較小的熱應力,這對可靠性是有益的。
Q4: LED的壽命有多長?
A4: LED壽命通常定義為光輸出衰減至初始值的50%或70%的時間點(L70/L50)。雖然這份基礎數據手冊中未具體說明,但AllnGaP LED在額定範圍內工作時,尤其是在低於最大電流且具備良好熱管理的情況下,通常具有極長的使用壽命(數萬小時)。
11. 實務設計與應用案例
案例:為網路路由器設計狀態指示燈面板
設計師需要為消費級路由器的「電源」、「網際網路」、「Wi-Fi」和「乙太網路」指示燈配置多個紅色狀態LED。LTST-C170KDKT是一個極佳的選擇。
- 電路設計: 路由器使用3.3V電源軌。以保守的10mA驅動電流為目標,並採用最大VF 為2.4V以保留安全餘裕:R = (3.3V - 2.4V) / 0.010A = 90 歐姆。選用最接近的標準值91歐姆。四個LED各使用一個獨立的91歐姆電阻。
- 亮度一致性: 透過使用獨立電阻,每個LED的VF 差異(例如一個為1.8V,另一個為2.2V)不會造成顯著的亮度差異,因為流經每個LED的電流由其對應的電阻獨立設定。
- Assembly: LED採用建議的焊盤佈局安裝於PCB上。整個電路板經過標準無鉛紅外迴焊製程,峰值溫度為245°C,完全符合元件額定規格。
- 結果: 該面板利用LED的寬視角特性,從多個角度皆可清晰可見,提供均勻、明亮的紅色狀態指示,具備高可靠性。
12. Operating Principle Introduction
發光二極體(LED)是一種半導體元件,透過稱為電致發光的過程將電能直接轉換為光。LTST-C170KDKT的核心是由磷化鋁銦鎵(AllnGaP)製成的晶片。這種材料是一種直接能隙半導體。當施加正向電壓時,來自n型區域的電子和來自p型區域的電洞會被注入接面。當這些電荷載子在接面的主動區域內復合時,會釋放能量。在間接能隙材料中,此能量主要釋放為熱能。而在像AllnGaP這樣的直接能隙材料中,此能量的很大一部分會以光子(光粒子)的形式釋放。發射光的特定波長(顏色)由半導體材料的能隙能量決定,該能量在晶體生長過程中經過設計,以產生紅光(峰值約650nm)。其水清環氧樹脂封裝體封裝並保護了脆弱的半導體晶片,其圓頂形狀有助於有效地提取光線,從而實現寬廣的視角。
13. 技術趨勢
LED技術領域在對更高效率、更低成本和新應用的需求推動下持續發展。對於像LTST-C170KDKT這樣的指示燈型LED,有幾個相關趨勢:
- 提升效率: 持續進行的材料科學研究旨在提升AllnGaP及其他化合物半導體的內部量子效率(IQE)與光提取效率,從而在相同驅動電流下實現更高亮度,或在更低功耗下維持相同亮度。
- 微型化: 在日益緊湊的便攜式電子產品中,為節省印刷電路板(PCB)空間,業界持續推動更小的封裝尺寸(例如0402、0201公制規格)。
- 提升可靠性與穩健性: 封裝材料和晶片貼裝技術的改進,增強了防潮性、熱循環性能及整體使用壽命。
- 整合: 雖然這是一個分立元件,但趨勢包括將多個LED晶片(RGB、多色)整合到單一封裝中,或將控制IC與LED結合以實現「智慧」照明解決方案,儘管這些在照明級產品中比基本指示燈更為常見。
- 擴展色域: 量子點或新型螢光材料等材料的發展,能實現更飽和與精準的色彩,這項技術可能逐漸滲透至專業顯示應用的指示燈市場。
LED Specification Terminology
LED 技術術語完整解析
光電性能
| 術語 | 單位/表示法 | 簡易說明 | 重要性原因 |
|---|---|---|---|
| Luminous Efficacy | lm/W (流明每瓦) | 每瓦電力所產生的光輸出,數值越高代表能源效率越好。 | 直接決定能源效率等級與電費成本。 |
| 光通量 | lm (lumens) | 光源發出的總光量,通常稱為「亮度」。 | 決定光線是否足夠明亮。 |
| Viewing Angle | ° (度),例如:120° | 光強度降至一半時的角度,決定光束寬度。 | 影響照明範圍與均勻度。 |
| CCT (色溫) | K (克耳文),例如:2700K/6500K | 光線的暖度/冷度,數值越低越偏黃/溫暖,越高越偏白/冷冽。 | 決定照明氛圍與適用場景。 |
| CRI / Ra | 無單位,0–100 | 準確呈現物體顏色的能力,Ra≥80為良好。 | 影響色彩真實性,用於商場、博物館等高要求場所。 |
| SDCM | MacAdam橢圓步階,例如「5步階」 | 色彩一致性指標,步階數值越小代表色彩一致性越高。 | 確保同一批次LED的色彩均勻一致。 |
| Dominant Wavelength | nm (nanometers), e.g., 620nm (red) | 對應彩色LED顏色的波長。 | 決定紅色、黃色、綠色單色LED的色調。 |
| Spectral Distribution | 波長對強度曲線 | 顯示強度在波長上的分佈。 | 影響色彩呈現與品質。 |
Electrical Parameters
| 術語 | Symbol | 簡易說明 | 設計考量 |
|---|---|---|---|
| 順向電壓 | Vf | 啟動LED所需的最低電壓,類似「起始閾值」。 | 驅動器電壓必須 ≥Vf,串聯LED的電壓會累加。 |
| 順向電流 | If | 正常LED運作時的電流值。 | Usually constant current drive, current determines brightness & lifespan. |
| Max Pulse Current | Ifp | 短時間可耐受的峰值電流,用於調光或閃爍。 | Pulse width & duty cycle must be strictly controlled to avoid damage. |
| Reverse Voltage | Vr | LED可承受的最大反向電壓,超過此值可能導致擊穿。 | 電路必須防止反接或電壓突波。 |
| 熱阻 | Rth (°C/W) | 從晶片到焊點的熱傳遞阻力,數值越低越好。 | 高熱阻需要更強的散熱能力。 |
| ESD Immunity | V (HBM),例如 1000V | 承受靜電放電的能力,數值越高表示越不易受損。 | 生產中需採取防靜電措施,特別是對於敏感的LED。 |
Thermal Management & Reliability
| 術語 | 關鍵指標 | 簡易說明 | 影響 |
|---|---|---|---|
| Junction Temperature | Tj (°C) | LED晶片內部實際工作溫度。 | 每降低10°C可能使壽命倍增;過高會導致光衰、色偏。 |
| 光通量衰減 | L70 / L80 (小時) | 亮度衰減至初始值70%或80%所需時間。 | 直接定義LED的「使用壽命」。 |
| Lumen Maintenance | % (例如:70%) | 經過一段時間後保留的亮度百分比。 | 表示長期使用下的亮度維持率。 |
| 色偏 | Δu′v′ 或 MacAdam 橢圓 | 使用期間的顏色變化程度。 | 影響照明場景中的色彩一致性。 |
| Thermal Aging | 材料劣化 | 因長期高溫導致的劣化。 | 可能導致亮度下降、顏色變化或開路故障。 |
Packaging & Materials
| 術語 | Common Types | 簡易說明 | Features & Applications |
|---|---|---|---|
| 封裝類型 | EMC, PPA, Ceramic | 外殼材料保護晶片,提供光學/熱介面。 | EMC:良好耐熱性,低成本;Ceramic:散熱更佳,壽命更長。 |
| 晶片結構 | 正面,覆晶 | 晶片電極排列。 | 覆晶封裝:散熱更佳、效能更高,適用於高功率。 |
| Phosphor Coating | YAG, 矽酸鹽, 氮化物 | 覆蓋藍光晶片,將部分轉換為黃/紅光,混合成白光。 | 不同的螢光粉會影響光效、相關色溫與顯色指數。 |
| 透鏡/光學元件 | 平面型、微透鏡型、全內反射型 | 控制光分佈的表面光學結構。 | 決定視角與光分佈曲線。 |
Quality Control & Binning
| 術語 | 分箱內容 | 簡易說明 | 目的 |
|---|---|---|---|
| 光通量分級 | 代碼,例如 2G, 2H | 依亮度分組,每組皆有最小/最大流明值。 | 確保同一批次亮度均勻。 |
| Voltage Bin | 代碼,例如 6W, 6X | 依順向電壓範圍分組。 | 促進司機匹配,提升系統效率。 |
| Color Bin | 5-step MacAdam ellipse | 依據色座標分組,確保緊密範圍。 | 保證色彩一致性,避免燈具內部色彩不均。 |
| CCT Bin | 2700K, 3000K 等。 | 依 CCT 分組,每組有對應的座標範圍。 | 滿足不同場景的CCT需求。 |
Testing & Certification
| 術語 | 標準/測試 | 簡易說明 | 顯著性 |
|---|---|---|---|
| LM-80 | 光通維持測試 | 恆溫長期點亮,記錄亮度衰減。 | 用於估算LED壽命(採用TM-21標準)。 |
| TM-21 | 壽命估算標準 | 根據LM-80數據估算實際條件下的壽命。 | 提供科學的壽命預測。 |
| IESNA | Illuminating Engineering Society | 涵蓋光學、電學、熱學測試方法。 | 業界公認的測試基準。 |
| RoHS / REACH | 環境認證 | 確保不含任何有害物質(鉛、汞)。 | 國際市場准入要求。 |
| ENERGY STAR / DLC | 能源效率認證 | 照明能源效率與性能認證。 | 用於政府採購、補貼計畫,提升競爭力。 |