SMD LED 15-21/S3C-AP1Q2/2T 規格書 - 紅橙色 - 2.0V - 60mW - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

本文件詳述一款緊湊型、高效能表面黏著元件 (SMD) LED 的規格。此元件專為現代電子組裝製程設計，在空間受限的應用中，提供發光輸出、可靠性與整合便利性之間的平衡。

1.1 核心優勢與產品定位

此 LED 的主要優勢在於其微型佔位面積，能顯著縮小印刷電路板 (PCB) 尺寸，並提高元件佈局密度，從而實現更緊湊的終端產品設計。元件重量輕，特別適合可攜式與微型電子裝置。其以 8mm 載帶包裝，捲繞於直徑 7 英吋的捲盤上，確保與大量生產中使用的標準自動化取放設備相容。

1.2 目標市場與應用

此 LED 用途廣泛，針對數個關鍵應用領域。其主要用途為背光照明，特別是儀表板、開關與符號的背光。它也非常適合通訊設備，作為電話、傳真機等裝置的狀態指示燈與背光。此外，它可用於小型 LCD 面板的平面背光，以及需要紅橙色訊號的通用指示燈應用。

2. 技術參數深度解析

本節根據標準測試條件 (Ta=25°C)，對 LED 的關鍵電氣、光學與熱參數進行詳細、客觀的分析。

2.1 絕對最大額定值

絕對最大額定值定義了可能導致元件永久損壞的應力極限。這些數值並非用於正常操作。

• 逆向電壓 (V_R):5 V。在逆向偏壓下超過此電壓可能導致接面崩潰。
• 連續順向電流 (I_F):25 mA。可靠長期運作的最大直流電流。
• 峰值順向電流 (I_FP):60 mA (工作週期 1/10 @ 1kHz)。此額定值允許較高電流的短脈衝，適用於多工或脈衝操作方案。
• 功率消耗 (P_d):60 mW。元件在不超過其熱極限下，能以熱形式消散的最大功率。
• 靜電放電 (ESD) 人體模型 (HBM):2000 V。這表示具有中等程度的 ESD 耐受性；仍建議遵循適當的操作程序。
• 操作溫度 (T_opr):-40°C 至 +85°C。元件被指定可正常運作的環境溫度範圍。
• 儲存溫度 (T_stg):-40°C 至 +90°C。
• 焊接溫度:元件可承受峰值溫度 260°C 最長 10 秒的迴焊，或每個端子 350°C 最長 3 秒的手工焊接。

2.2 電光特性

這些參數定義了 LED 在典型操作條件 (I_F=20mA, Ta=25°C) 下的性能。

• 發光強度 (I_v):45.0 mcd (最小), 112.0 mcd (最大)。典型值落在這個寬廣的範圍內，此範圍透過分級系統管理 (參見第 3 節)。視角 (2θ_1/2) 通常為 130 度，提供寬廣、擴散的發光圖型。
• 光譜特性:
  • 峰值波長 (λ_p):通常為 621 nm。
  • 主波長 (λ_d):605.5 nm (最小), 625.5 nm (最大)。這是人眼感知的波長，同樣會進行分級。
  • 光譜頻寬 (Δλ):通常為 18 nm，定義了顏色的純度。
• 電氣特性:
  • 順向電壓 (V_F):1.70 V (最小), 2.00 V (典型), 2.40 V (最大) @ I_F=20mA。此相對較低的電壓是 AlGaInP 材料技術的特徵。
  • 逆向電流 (I_R):10 μA (最大) @ V_R=5V。一個重要備註指出，此元件並非設計用於逆向偏壓操作；此測試參數僅用於漏電流特性描述。

2.3 熱考量

LED 性能高度依賴溫度。順向電流降額曲線對設計至關重要。當環境溫度 (T_a) 超過 25°C 時，必須線性降低最大允許連續順向電流，以防止過熱和加速劣化。降額曲線提供了具體的關係，確保接面溫度保持在安全限度內。

3. 分級系統說明

為確保大量生產的一致性，LED 會根據關鍵參數進行分類 (分級)。這讓設計師能選擇符合特定應用亮度與顏色要求的元件。

3.1 發光強度分級

發光輸出分為四個等級 (P1, P2, Q1, Q2)，每個等級涵蓋從 45.0 mcd 到 112.0 mcd 的特定範圍。例如，Q2 等級包含強度介於 90.0 至 112.0 mcd 的 LED。每個等級內適用 ±11% 的容差。

3.2 主波長分級

顏色 (主波長) 分為五個等級 (E1 至 E5)，範圍從 605.5 nm 到 625.5 nm，大約以 4nm 為間隔。例如，E4 等級涵蓋 617.5 至 621.5 nm。每個波長等級內保持 ±1nm 的更嚴格容差。

3.3 順向電壓分級

規格書註明順向電壓容差為 ±0.1V，但摘錄中未提供 V_F的特定分級表。此嚴格容差有助於設計一致的電流驅動電路。

4. 性能曲線分析

圖形數據提供了對 LED 在不同條件下行為的更深入見解。

4.1 光譜分佈

光譜曲線顯示一個單一、明確的峰值，中心約在 621 nm，證實了來自 AlGaInP 晶片材料的紅橙色發光。窄頻寬表示良好的色彩飽和度。

4.2 輻射圖型

極座標圖說明了光的空間分佈。確認了典型的 130 度視角，顯示出接近朗伯 (餘弦) 的發光圖型，其中強度在 0 度 (垂直於晶片) 最高，並逐漸向兩側遞減。

4.3 順向電流 vs. 順向電壓 (I-V 曲線)

此曲線顯示了二極體典型的指數關係。電壓在極低電流時急遽上升，然後在正常工作範圍內 (20mA 時約 2.0V) 更線性地增加。

4.4 相對發光強度 vs. 順向電流

此圖表顯示，在工作範圍內，光輸出大致與順向電流成正比，儘管在極高電流下，由於熱量增加，效率可能略微下降。

4.5 相對發光強度 vs. 環境溫度

這是一條顯示熱淬滅的關鍵曲線。隨著環境溫度升高，發光強度降低。當溫度接近最大操作極限時，輸出可能顯著下降，這是高溫環境下設計的關鍵因素。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸

此 LED 符合 "15-21" SMD 封裝外型。詳細的尺寸圖指定了長度、寬度、高度與引腳位置，標準容差為 ±0.1mm，除非另有說明。此資訊對於 PCB 焊墊設計與間隙檢查至關重要。

5.2 極性識別

封裝上標示有清晰的陰極標記，對於組裝時的正確方向至關重要。以反向極性安裝 LED 將使其無法發光，並可能使其承受逆向電壓應力。

6. 焊接與組裝指南

正確的操作對於可靠性至關重要。

6.1 電流限制

必須使用外部限流電阻。LED 的指數型 I-V 特性意味著電壓的微小增加可能導致電流大幅、潛在破壞性的增加。電阻設定了操作點。

6.2 濕度敏感性與儲存

元件包裝在帶有乾燥劑的防潮袋中。在準備使用零件前不應打開袋子。開封後，未使用的 LED 必須儲存在 30°C/60%RH 或更低的條件下，並在 168 小時 (7 天) 內使用。若超過此期限，在進行迴焊前需要以 60±5°C 烘烤 24 小時，以防止焊接過程中發生 "爆米花" 損壞。

6.3 迴焊溫度曲線

提供了詳細的無鉛迴焊溫度曲線:

• 預熱:150-200°C，持續 60-120 秒。
• 液相線以上時間 (217°C):60-150 秒。
• 峰值溫度:最高 260°C，保持不超過 10 秒。
• 加熱/冷卻速率:分別最高為 6°C/秒 與 3°C/秒。

6.4 手工焊接與返修

若必須進行手工焊接，烙鐵頭溫度必須低於 350°C，每個端子焊接時間不超過 3 秒，並使用低功率烙鐵 (<25W)。端子之間需要 >2 秒的冷卻間隔。強烈不建議進行返修。若不可避免，必須使用專用的雙頭烙鐵同時加熱兩個端子，以防止焊點承受機械應力。必須事先評估返修過程中可能造成的熱損壞。

7. 包裝與訂購資訊

7.1 包裝規格

LED 以壓紋載帶供應，載帶上的凹穴與鏈輪孔尺寸均有指定。載帶捲繞在標準直徑 7 英吋 (178mm) 的捲盤上。每捲包含 2000 個元件。

7.2 捲盤與標籤詳情

提供了空捲盤的尺寸。捲盤標籤包含關鍵資訊:

• 客戶料號 (CPN)
• 製造商料號 (P/N): 15-21/S3C-AP1Q2/2T
• 包裝數量 (QTY)
• 發光強度等級 (CAT)
• 色度/主波長等級 (HUE)
• 順向電壓等級 (REF)
• 批號 (LOT No.)

8. 應用備註與設計考量

8.1 電路設計

務必使用串聯電阻來設定順向電流。使用公式 R = (V_supply- V_F) / I_F 計算電阻值，其中 V_F應取規格書中的最大值 (2.4V)，以確保在最壞情況下電流不超過限制。考慮電阻的額定功率 (P = I_F²* R)。

8.2 熱管理

雖然封裝小巧，但透過 PCB 進行有效的散熱對於維持亮度與壽命非常重要，特別是在高環境溫度環境下或驅動電流接近最大值時。使用降額曲線來確定您的應用預期最高環境溫度下的安全操作電流。確保 PCB 上 LED 焊墊周圍有足夠的銅箔區域作為散熱片。

8.3 光學整合

寬廣的 130 度視角使此 LED 適合需要寬廣、均勻照明而無需二次光學元件的應用。對於更定向的光線，可能需要外部透鏡或導光板。水透明樹脂確保封裝本身的光吸收最小。

9. 法規符合性與材料資訊

本產品符合多項關鍵的環境與安全指令，這對現代電子製造是一大優勢。確認其為無鉛 (lead-free)，符合有害物質限制 (RoHS) 指令。它也符合歐盟關於化學物質的 REACH 法規。此外，它滿足無鹵素要求，溴 (Br) 與氯 (Cl) 含量各低於 900 ppm，且總和低於 1500 ppm，減少了處置時的環境影響。

10. 技術比較與差異化

與傳統的穿孔式或較大的 SMD LED 相比，此 15-21 封裝的關鍵差異在於其卓越的微型化，實現了次世代緊湊設計。使用 AlGaInP 半導體材料可提供高效的紅橙色光，並在溫度與壽命期間具有良好的色彩穩定性，通常優於 GaAsP 等舊技術。寬視角、穩固的 SMT 相容性以及全面的環境法規符合性相結合，使其成為對成本敏感、大量生產且電路板空間寶貴的應用中，一個現代且可靠的選擇。

11. 常見問題 (基於技術參數)

11.1 使用 5V 電源時，應選用多大的電阻值？

使用最大 V_F 2.4V 與目標 I_F 20mA: R = (5V - 2.4V) / 0.020A = 130 歐姆。最接近的標準值 130Ω 或 150Ω 將是合適的。電阻功耗為 P = (0.020)²* 130 = 0.052W，因此標準的 1/8W (0.125W) 電阻已足夠。

11.2 若我的電源電壓與 V_F?

No.相符，是否可以不加限流電阻驅動此 LED？ 強烈不建議這樣做。順向電壓具有容差 (1.7V 至 2.4V) 且隨溫度變化。固定在某個電壓 (例如 2.0V) 的電源，可能會在具有低 V_F的 LED 中導致過量電流，從而導致快速失效。串聯電阻對於穩定、安全的操作至關重要。

11.3 為何開封後儲存時間限制為 7 天？

SMD 封裝會從空氣中吸收濕氣。在高溫迴焊過程中，這些被截留的濕氣可能迅速蒸發，產生內部壓力，導致封裝分層或晶片破裂 ("爆米花效應")。7 天的限制與烘烤程序是防止此失效模式的關鍵品質控制措施。

11.4 如何解讀標籤上的分級代碼 (例如 Q2, E4)？

分級代碼告訴您該捲盤上 LED 的性能組別。"Q2" 表示高亮度 LED (90-112 mcd)。"E4" 表示主波長在 617.5-621.5 nm 範圍內。使用相同等級的零件可確保您的產品在亮度和顏色上的一致性。

12. 實務設計與使用範例

12.1 儀表板開關背光

在汽車儀表板中，多個開關需要均勻、可靠的背光。可將數個此類 LED 放置在透明開關帽後方。其寬視角確保了開關表面的均勻照明。低操作電壓使其可直接由車輛穩壓的 5V 或 3.3V 系統透過簡單的電阻網路驅動。高溫操作範圍 (-40°C 至 +85°C) 適合汽車環境。

12.2 網路設備狀態指示燈

對於路由器或數據機上的 "連線活動" 或 "電源" 指示燈，單一 LED 提供清晰的視覺訊號。紅橙色非常醒目。元件可由微控制器的 GPIO 引腳驅動。串聯電阻連接在 GPIO 與 LED 陽極之間，陰極接地。微控制器韌體可切換引腳以產生穩定或閃爍的模式。SMD 格式允許在前面板 PCB 上實現非常低高度的設計。

13. 工作原理

此 LED 基於磷化鋁鎵銦 (AlGaInP) 製成的半導體晶片。當施加順向電壓時，電子和電洞被注入半導體接面的主動區域。當這些電荷載子復合時，它們以光子 (光) 的形式釋放能量。AlGaInP 合金的特定成分決定了能隙能量，進而定義了發射光的波長 (顏色) — 在此例中，位於紅橙色光譜 (605-625 nm)。晶片內產生的光透過頂部表面提取，並由封裝的水透明環氧樹脂透鏡塑形。

14. 技術趨勢

指示燈與背光 LED 技術的總體趨勢持續朝向更高效率 (每單位電功率產生更多光輸出)、超越 15-21 等封裝的進一步微型化，以及更寬廣的色域發展。同時，重點也在於增強在嚴苛條件 (如更高溫度和濕度) 下的可靠性與壽命。將控制電子元件 (如恆流驅動器或脈衝寬度調變 (PWM) 控制器) 直接整合到 LED 封裝中是另一個發展趨勢，簡化了終端使用者的電路設計。此外，對永續性的追求持續推動材料進步，以滿足比 RoHS 和 REACH 更嚴格的環境法規。