SMD LED 15-21/S2C-AQ2R2B/2T 規格書 - 亮橙色 - 20mA - 60mW - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

15-21/S2C-AQ2R2B/2T 是一款採用 AlGaInP（磷化鋁鎵銦）半導體技術的表面黏著元件（SMD）LED，可發出亮橙色光。此元件專為空間與重量為關鍵限制的高密度 PCB 應用而設計。相較於傳統引線框架型 LED，其緊湊的外形尺寸能顯著縮小電路板尺寸與設備體積。

此 LED 以 8mm 載帶包裝，捲繞於直徑 7 英吋的捲盤上，完全相容於自動化取放組裝設備。它屬於單色型 LED，符合無鉛、RoHS、歐盟 REACH 及無鹵素規範（Br <900 ppm, Cl <900 ppm, Br+Cl < 1500 ppm）。本元件適用於紅外線迴焊與氣相迴焊製程。

2. 技術參數深入解析

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極限。不保證在此條件下運作。

• 逆向電壓 (VR)：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 (IF)：25 mA。這是可靠運作的最大直流電流。
• 峰值順向電流 (IFP)：60 mA。此電流僅允許在 1 kHz、工作週期 1/10 的脈衝條件下使用，不應用於連續運作。
• 功率消耗 (Pd)：60 mW。在環境溫度 (Ta) 25°C 下，封裝所能散發的最大功率。此值會隨溫度升高而遞減。
• 靜電放電人體模型 (ESD HBM)：2000 V。這表示元件對靜電的敏感度。必須遵循正確的 ESD 處理程序。
• 工作溫度 (Topr)：-40°C 至 +85°C。這是元件指定可運作的環境溫度範圍。
• 儲存溫度 (Tstg)：-40°C 至 +90°C。
• 焊接溫度：本元件可承受峰值溫度 260°C 最長 10 秒的迴焊，或每個端子以 350°C 手焊最長 3 秒。

2.2 電光特性

除非另有說明，這些參數均在標準測試條件 Ta=25°C 與 IF=20 mA 下量測。它們定義了 LED 的光學與電氣性能。

• 發光強度 (Iv)：範圍從 90.0 mcd（最小值）到 180.0 mcd（最大值），典型容差為 ±11%。這是光源的感知亮度。
• 視角 (2θ1/2)：典型值為 130 度。這是發光強度降至 0 度（軸向）強度一半時的全角。
• 峰值波長 (λp)：典型值為 611 nm。這是光譜功率分佈達到最大值時的波長。
• 主波長 (λd)：範圍從 600.5 nm 到 612.5 nm。這是與 LED 感知顏色最匹配的單一波長，容差為 ±1 nm。
• 頻譜頻寬 (Δλ)：典型值為 17 nm。這是最大強度一半處的光譜寬度（半高全寬，FWHM）。
• 順向電壓 (VF)：在 20 mA 下，範圍從 1.75 V（最小值）到 2.35 V（最大值），容差為 ±0.1V。
• 逆向電流 (IR)：施加 5V 逆向電壓 (VR) 時，最大值為 10 μA。本元件並非設計用於逆向偏壓操作。

3. 分級系統說明

為確保生產中的顏色與亮度一致性，LED 會根據關鍵參數進行分級。料號 15-21/S2C-AQ2R2B/2T 包含了分級代碼（A, Q2, R2, B）。

3.1 發光強度分級

LED 根據其在 IF=20mA 下量測的發光強度進行分類。

• 分級 Q2：90.0 mcd 至 112.0 mcd
• 分級 R1：112.0 mcd 至 140.0 mcd
• 分級 R2：140.0 mcd 至 180.0 mcd

料號中的 "R2" 表示此元件屬於此系列的最高亮度分級。

3.2 主波長分級

LED 根據其主波長進行分類以控制色調。

• 分級 D8：600.5 nm 至 603.5 nm
• 分級 D9：603.5 nm 至 606.5 nm
• 分級 D10：606.5 nm 至 609.5 nm
• 分級 D11：609.5 nm 至 612.5 nm

料號中的 "A" 很可能對應於其中一個波長分級（例如，對於典型的橙色，可能是 D10 或 D11）。

3.3 順向電壓分級

根據順向電壓分級有助於設計一致的電流驅動電路。

• 分級 0：1.75 V 至 1.95 V
• 分級 1：1.95 V 至 2.15 V
• 分級 2：2.15 V 至 2.35 V

料號中的 "B" 表示順向電壓分級。

4. 性能曲線分析

規格書提供了數個特性曲線，對於理解 LED 在不同操作條件下的行為至關重要。

4.1 相對發光強度 vs. 順向電流

此曲線顯示光輸出與電流並非線性比例關係。在較高電流下，由於效率下降與熱效應，光輸出呈次線性增長。顯著高於建議的 20mA 運作可能導致亮度收益遞減並縮短使用壽命。

4.2 相對發光強度 vs. 環境溫度

發光強度隨環境溫度升高而降低。這是半導體 LED 的特性。此曲線讓設計師能夠估算在高溫環境下的亮度損失，這對於汽車儀表板等應用至關重要。

4.3 順向電流遞減曲線

此圖表定義了最大允許連續順向電流與環境溫度的函數關係。隨著溫度升高，必須降低最大電流以保持在元件的功率消耗限制內，並防止熱失控。

4.4 順向電壓 vs. 順向電流

此 IV（電流-電壓）曲線顯示了典型的二極體指數關係。電壓隨電流對數增加。此曲線對於設計限流電阻或恆流驅動器至關重要。

4.5 輻射圖與頻譜分佈

輻射圖（極座標圖）直觀地呈現了 130 度的視角。頻譜分佈圖確認了 AlGaInP LED 的單色性質，顯示出約 611 nm 的單一峰值，典型半高全寬為 17 nm。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸

15-21 SMD LED 具有緊湊的矩形封裝。關鍵尺寸（單位 mm，除非註明，容差為 ±0.1mm）包括總長、寬與高。規格書提供了詳細圖面，顯示晶片位置、透鏡形狀與引線框架。封裝上清楚標示了陰極標記，以便在組裝時正確辨識極性方向。

5.2 極性辨識

正確的極性至關重要。施加超過 5V 的逆向電壓可能立即損壞 LED。封裝具有明顯的陰極識別標記（通常是綠點、凹口或切角），如尺寸圖所示。設計師必須確保 PCB 焊墊圖案與此方向匹配。

6. 焊接與組裝指南

6.1 迴焊溫度曲線

指定了無鉛迴焊曲線：

• 預熱：150–200°C，持續 60–120 秒。
• 液相線以上時間 (TAL)：217°C 以上，持續 60–150 秒。
• 峰值溫度：最高 260°C，保持最長 10 秒。
• 升溫速率：最高 6°C/秒。
• 255°C 以上時間：最長 30 秒。
• 冷卻速率：最高 3°C/秒。

同一元件不應進行超過兩次的迴焊。

6.2 手動焊接

若需手動焊接，需極度小心：

• 使用烙鐵頭溫度低於 350°C 的烙鐵。
• 每個端子的接觸時間限制在最長 3 秒。
• 使用額定功率 25W 或更低的烙鐵。
• 焊接每個端子之間至少間隔 2 秒。

手動焊接具有很高的熱損壞風險。

6.3 儲存與濕度敏感性

LED 包裝在帶有乾燥劑的防潮袋中。

• 請勿在準備使用前打開袋子。
• 開封後，未使用的 LED 應儲存在 ≤30°C 且相對濕度 ≤60% 的環境中。
• 開袋後的 "車間壽命" 為 168 小時（7 天）。
• 若超過暴露時間或乾燥劑指示劑已變色，在進行迴焊前需以 60 ±5°C 烘烤 24 小時，以驅除吸收的水氣，防止在高溫焊接過程中發生內部層狀剝離（"爆米花" 效應）。

6.4 關鍵注意事項

• 電流限制：必須使用外部限流電阻。LED 的指數型 V-I 特性意味著微小的電壓變化會導致巨大的電流變化，若無電阻將立即燒毀。
• 機械應力：在焊接或最終應用中，避免對 LED 本體施加應力。組裝後請勿彎曲 PCB。
• 維修：強烈不建議在焊接後進行維修。若絕對必要，請使用雙頭烙鐵同時加熱兩個端子並均勻抬起元件，以避免焊墊損壞。任何維修嘗試後，請驗證 LED 功能。

7. 包裝與訂購資訊

7.1 捲盤與載帶規格

本元件以壓紋載帶包裝，供應於直徑 7 英吋（178mm）的捲盤上。

• 載帶寬度：8 mm。
• 口袋間距：依據詳細尺寸圖。
• 每捲數量：2000 個。

提供了捲盤、載帶與蓋帶尺寸的詳細圖面，除非另有說明，容差為 ±0.1mm。

7.2 標籤說明

捲盤標籤包含用於追溯性與正確應用的關鍵資訊：

• CPN：客戶產品編號。
• P/N：製造商產品編號（例如，15-21/S2C-AQ2R2B/2T）。
• QTY：包裝數量。
• CAT：發光強度等級（例如，R2）。
• HUE：色度/主波長等級（例如，A）。
• REF：順向電壓等級（例如，B）。
• LOT No：製造批號，用於追溯。

8. 應用建議

8.1 典型應用場景

• 汽車內裝：儀表板儀器、開關與控制面板的背光。
• 通訊設備：電話與傳真機中的狀態指示燈與鍵盤背光。
• 消費性電子產品：小型 LCD 顯示器的平面背光、開關照明與符號指示燈。
• 一般指示燈用途：任何需要緊湊、明亮、橙色狀態指示燈的應用。

8.2 設計考量

• 驅動電路：務必使用串聯電阻或恆流驅動器。使用公式 R = (Vsupply - VF) / IF 計算電阻值，其中 VF 應選自分級 2 的最大值（2.35V）以進行穩健設計。
• 熱管理：雖然封裝小巧，但若在接近最大電流或高環境溫度下運作，請確保 PCB 有足夠的銅箔面積或散熱孔，因為熱量會降低光輸出與使用壽命。
• 光學設計：130 度的視角提供了寬廣的光束。如需更聚焦的光線，可能需要外部透鏡或導光管。
• ESD 保護：即使元件具有 2kV HBM 等級，若 LED 位於使用者可觸及的位置，請在輸入線路上實施 ESD 保護。

9. 技術比較與差異化

與舊式穿孔 LED 或較大的 SMD 封裝相比，15-21 具有明顯優勢：

• 尺寸與重量：其微型佔位面積允許更高的元件密度與更輕的終端產品，這對於可攜式與微型化設備至關重要。
• 自動化相容性：捲帶包裝針對高速自動化組裝進行了優化，降低了製造成本。
• 性能：使用 AlGaInP 材料，相較於舊技術，在橙/紅光譜範圍內提供了更高的發光效率。
• 合規性：內建完全符合現代環保法規（RoHS、無鹵素、REACH），簡化了終端產品的合規流程。

一個潛在的考量是熱性能；與具有更大熱質量的較大封裝相比，非常小的尺寸可能限制散熱能力。

10. 常見問題（基於技術參數）

10.1 使用 5V 電源時，我應該使用多大的電阻值？

使用分級 2 的最大順向電壓（2.35V）與建議電流（20mA）：R = (5V - 2.35V) / 0.020A = 132.5 歐姆。最接近的標準值 130 歐姆或 150 歐姆是合適的。務必在電路中驗證實際電流。

10.2 我可以將此 LED 驅動在 30mA 以獲得更高亮度嗎？

不可以。連續順向電流 (IF) 的絕對最大額定值為 25 mA。在 30 mA 下運作超過此額定值，將顯著降低可靠性與使用壽命，並可能導致立即故障。僅在必要時，將峰值電流（60mA 脈衝）用於非常短的工作週期。

10.3 為什麼電路板變熱時亮度會下降？

這是 LED 半導體的基本特性，如 "相對發光強度 vs. 環境溫度" 曲線所示。溫度升高會增加半導體內的非輻射復合，從而降低效率。適當的熱設計可以減輕此影響。

10.4 袋子一個月前打開了。我還可以使用這些 LED 嗎？

並非無需預防措施。濕度敏感性等級要求在開袋後 168 小時（7 天）內使用。若超過此時間，在進行迴焊前，必須將 LED 以 60°C 烘烤 24 小時，以驅除吸收的水氣，防止在高溫焊接過程中發生內部層狀剝離。

11. 實務設計與使用案例

案例：設計狀態指示燈面板
一位設計師正在創建一個帶有 20 個橙色狀態指示燈的控制面板。他們選擇了 15-21/S2C-AQ2R2B/2T，因為其亮度（R2 分級）與緊湊尺寸。

1. 電路設計：使用共通的 5V 電源軌。採用保守的 VF 值 2.35V，為每個 LED 選擇了 150 歐姆的限流電阻，產生約 17.7mA 的電流，安全低於 25mA 的最大值。
2. PCB 佈局：緊湊的佔位面積允許所有 20 個 LED 排成一列。焊墊圖案上的陰極標記與封裝圖面明確對齊，以防止組裝錯誤。
3. 製造：捲帶包裝允許 PCB 組裝廠使用自動化取放機器，確保快速、準確且可靠地放置所有 20 個元件。
4. 結果：該面板具有均勻、明亮的橙色指示燈，顏色（得益於波長分級）與亮度（得益於強度分級）一致，製造高效且可靠。

12. 原理介紹

15-21 LED 基於 AlGaInP（磷化鋁鎵銦）半導體材料。當順向電壓施加於 p-n 接面時，電子與電洞被注入主動區。它們的復合以光子（光）的形式釋放能量。AlGaInP 合金的特定成分決定了能隙能量，這直接定義了發射光的波長（顏色）——在本例中為亮橙色（約 611 nm）。環氧樹脂透鏡封裝了半導體晶粒，提供機械保護，並塑造光輸出模式以達到指定的 130 度視角。

13. 發展趨勢

像 15-21 這樣的 SMD LED 的演進遵循幾個關鍵產業趨勢：

• 微型化：封裝尺寸持續縮小（例如，從 0603 到 0402 再到 0201 公制尺寸），以實現更小的電子設備。
• 效率提升：磊晶生長與晶片設計的持續改進帶來更高的發光效率（每電瓦產生更多光輸出），降低了功耗與熱負載。
• 可靠性增強：封裝材料與晶粒貼裝技術的改進，帶來更長的操作壽命與在惡劣條件（高溫、高濕）下更好的性能。
• 先進分級：針對顏色（波長）與光通量的更嚴格分級容差正成為標準，這是由需要高顏色一致性的應用所驅動，例如全彩顯示器與汽車照明模組。
• 整合化：將多個 LED 晶片（RGB，或白光 + 彩色）整合到單一封裝中的趨勢，或整合控制 IC 以實現 "智慧 LED" 模組。

雖然 15-21 代表了一項成熟可靠的技術，但更新的封裝可能提供更小的佔位面積或更高的效率，然而基本的運作原理與關鍵應用指南在很大程度上保持一致。