SMD 黃光 LED 120度視角 - 電氣/光學特性 - 汽車配件應用 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

本文件提供一款高效能表面黏著裝置（SMD）發光二極體（LED）的完整技術規格。此元件專為嚴苛環境下的可靠性和效能而設計，主要針對汽車領域的配件應用。其微型化外型和標準化封裝，使其適用於自動化印刷電路板（PCB）組裝製程以及空間受限的設計。

1.1 核心特色與優勢

此LED整合了多項關鍵特色，有助於其穩固性與易於整合：

• 環境法規符合性：本產品符合RoHS（有害物質限制）指令。
• 自動化處理：以12mm載帶包裝於7英吋直徑捲盤上供應，相容於標準自動化取放設備。
• 高可靠性標準：元件經過加速至JEDEC Level 2的預處理，並依據AEC-Q101 Rev D標準進行認證，此為汽車應用中分離式半導體元件的基準。
• 製程相容性：設計上相容於紅外線（IR）迴焊製程，此為現代電子製造的標準製程。
• 電氣介面：此元件與積體電路（I.C.）相容，簡化了驅動電路設計。

1.2 目標市場與應用

主要預期應用為汽車配件系統。這包括不屬於核心安全關鍵照明系統（例如頭燈、煞車燈）的內部和外部照明功能。範例可能包括儀表板指示燈、情境照明、照地燈或各種車輛子系統的狀態指示燈。高亮度、寬視角與汽車級認證的結合，使其適合這些用途。

2. 技術參數：深入客觀解讀

本節詳細解析元件的電氣、光學和熱特性。除非另有說明，所有參數均在環境溫度（Ta）25°C下指定。

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。不保證在這些極限下或超出極限的操作。

• 功率消耗（Pd）：530 mW。這是元件能以熱形式消耗的最大功率。
• 峰值順向電流（I_F(PEAK)熱管理對於LED效能和壽命至關重要。這些參數定義了熱量如何從半導體接面傳導。400 mA。這是最大允許脈衝電流，通常在特定條件下定義（1/10工作週期，0.1ms脈衝寬度）以管理接面溫度。
• 直流順向電流（I_F）：5 mA 至 200 mA。這是連續操作的建議範圍。最小電流確保穩定的光輸出，而最大電流防止過熱。
• 操作與儲存溫度範圍：-40°C 至 +110°C。此寬廣範圍是汽車級元件的特徵。
• 紅外線焊接條件：可承受260°C持續10秒，這與常見的無鉛（Pb-free）迴焊溫度曲線一致。

2.2 熱特性

Thermal management is critical for LED performance and longevity. These parameters define how heat travels from the semiconductor junction.

• 熱阻，接面至環境（R_θJA）：典型值 50 °C/W。在具有16mm²銅墊的FR4 PCB（1.6mm厚）上量測。此值表示相對於環境空氣，每消耗一瓦功率時接面溫度的上升量。
• 熱阻，接面至焊點（R_θJS）：典型值 30 °C/W。這通常是更有用的指標，因為它描述了到PCB的熱傳導路徑，而PCB是主要的散熱器。數值越低越好。
• 最大接面溫度（T_J）：125 °C。半導體接面溫度的絕對上限。

2.3 電氣與光學特性

這些是標準測試條件下（I_F= 140mA，Ta=25°C）的典型效能參數。

• 發光強度（I_V）：4.5 cd（最小）至 11.2 cd（最大）。使用匹配明視覺（人眼）反應曲線（CIE）的濾波感測器量測。實際數值經過分級（見第3節）。
• 視角（2θ_1/2）：典型值 120 度。這是發光強度降至其峰值（軸向）值一半時的全角。如此寬的視角提供了寬廣且均勻的照明模式。
• 峰值發射波長（λ_P）：典型值 592 nm。這是光譜功率輸出最高的波長。
• 主波長（λ_d）：583 nm 至 595 nm。這是能最佳代表光線感知顏色的單一波長，源自CIE色度圖。為確保一致性，此參數經過分級。
• 譜線半寬度（Δλ）：典型值 18 nm。這表示光譜純度；寬度越窄，顏色越飽和、越純淨。
• 順向電壓（V_F）：在140mA下為1.90 V（最小）至 2.65 V（最大）。這是LED操作時的跨元件電壓降。為協助電路設計，此參數經過分級。
• 逆向電流（I_R）：在 V_R= 12V 時最大為 10 μA。此元件並非設計用於逆向偏壓操作；此參數僅供測試用途。

3. 分級系統說明

為確保生產中顏色和效能的一致性，LED會根據關鍵參數進行分級。批次代碼格式為：Vf / Iv / Wd（例如：D/DA/3）。

3.1 順向電壓（Vf）分級

分級確保LED具有相似的電壓降，這對於並聯電路中的電流共享或可預測的驅動器設計非常重要。

• 分級代碼：C（1.90-2.05V）、D（2.05-2.20V）、E（2.20-2.35V）、F（2.35-2.50V）、G（2.50-2.65V）。
• 公差：每個分級內 ±0.1V。

3.2 發光強度（Iv）分級

此分級根據光輸出亮度將LED分組。

• 分級代碼：DA（4.5-5.6 cd）、DB（5.6-7.1 cd）、EA（7.1-9.0 cd）、EB（9.0-11.2 cd）。
• 公差：每個分級內 ±11%。

3.3 主波長（Wd）分級

此分級確保不同生產批次間感知的黃色保持一致。

• 分級代碼：3（583-586 nm）、4（586-589 nm）、5（589-592 nm）、6（592-595 nm）。
• 公差：每個分級內 ±1 nm。

4. 效能曲線分析

圖形數據提供了LED在不同條件下行為的深入見解。

4.1 空間分佈（光束模式）

提供的極座標圖（圖2）直觀地呈現了120度視角。它顯示了相對發光強度作為與中心軸夾角的函數。對於此類寬視角LED，模式通常是朗伯分佈或接近朗伯分佈，意味著強度隨角度的餘弦值下降。

4.2 順向電流 vs. 順向電壓 / 發光強度

雖然提供的摘錄中沒有明確的圖表，但AlInGaP LED的典型曲線顯示非線性關係。順向電壓（V_F）隨電流對數增加。發光強度（I_V）在一定範圍內通常與順向電流成正比，之後由於熱量增加和其他半導體效應會發生效率下降。在建議的140mA下操作很可能位於高效率區域。

4.3 溫度相依性

LED效能對溫度敏感。隨著接面溫度升高：

• 順向電壓（V_F）：略微下降（負溫度係數）。
• 發光強度（I_V）：下降。在高溫下光輸出可能顯著下降，這就是為什麼熱管理（低 R_θJS）至關重要。
• 主波長（λ_d）：可能略微偏移，可能影響感知顏色，特別是在嚴格分級的應用中。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸與極性識別

LED採用標準EIA封裝外型。關鍵尺寸包括長度、寬度和高度，典型公差為±0.2mm。一個關鍵設計注意事項是，陽極引線框架同時作為LED的主要散熱器。這意味著PCB上的陽極焊墊應設計為最大化散熱，因為它是熱量離開LED接面並進入PCB的主要路徑。

5.2 建議的PCB焊接墊設計

提供了用於紅外線迴焊的焊墊圖案。遵循此建議對於實現正確的焊點形成、確保良好的電氣連接，以及至關重要的是，最大化從陽極/散熱器焊墊到PCB銅層的熱傳導至關重要。此焊墊的大小和形狀直接影響有效熱阻（R_θJS）。

6. 焊接與組裝指南

6.1 紅外線迴焊溫度曲線

指定了詳細的迴焊溫度曲線圖，符合J-STD-020無鉛製程標準。關鍵參數包括：

• 預熱：升溫至150-200°C。
• 均熱/預熱時間：最長120秒，以允許溫度穩定和助焊劑活化。
• 峰值溫度：最高260°C。
• 液相線以上時間（TAL）：在焊料熔點以上停留的時間至關重要；溫度曲線確保其在限制內（通常為60-90秒），以形成可靠的焊點，同時不對元件造成熱損傷。
• 通過次數：最多兩次迴焊循環。

6.2 手工焊接（如必要）

如需手動返修：

• 烙鐵溫度：最高300°C。
• 焊接時間：每個焊點最長3秒。
• 返修次數：手工焊接僅限一次，以最小化熱應力。

6.3 清潔

如需進行焊後清潔，僅應使用指定的溶劑，以避免損壞LED封裝。推薦使用乙醇或異丙醇。LED應在常溫下浸泡少於一分鐘。

7. 儲存與操作注意事項

7.1 濕度敏感性

本產品根據JEDEC J-STD-020分類為濕度敏感等級（MSL）2。

• 密封包裝：儲存於≤30°C且≤70%相對濕度（RH）環境。在原廠防潮袋內含乾燥劑儲存時，保存期限自日期代碼起一年。
• 已開封包裝：對於從密封袋中取出的元件，儲存環境不得超過30°C和60% RH。建議在開封後365天內完成紅外線迴焊。
• 長期儲存（已開封）：儲存在帶有乾燥劑的密封容器或氮氣乾燥櫃中。
• 烘烤：如果元件暴露於環境條件下超過365天，必須在焊接前以約60°C烘烤至少48小時，以去除吸收的濕氣，並防止迴焊過程中發生\"爆米花\"損壞。

7.2 應用注意事項

此LED設計用於普通電子和汽車配件設備。對於故障可能直接危及生命或健康的應用（例如航空主系統、醫療生命維持系統、關鍵安全裝置），在設計採用前需要進行特定的可靠性評估並與製造商諮詢。

8. 包裝與訂購資訊

8.1 載帶與捲盤規格

元件以業界標準的凸版載帶供應。

• 載帶寬度：12 mm。
• 捲盤直徑：7英吋（178 mm）。
• 每捲數量：標準1000顆，每捲最小訂購量為500顆。
• 蓋帶：空穴用頂部蓋帶密封。
• 缺件：根據規格，最多允許連續兩個LED缺件（空穴）。
• 標準：包裝符合ANSI/EIA-481規範。

8.2 標籤資訊

捲盤標籤包含批次描述代碼，格式為 Vf_Bin/Iv_Bin/Wd_Bin（例如：D/DA/3），允許追溯批次的電氣和光學特性。

9. 應用建議與設計考量

9.1 典型應用場景

• 汽車內裝：儀表板指示燈、排檔位置指示燈、音響系統狀態燈、腳部空間或中控台情境照明。
• 汽車外裝：照地燈、門把照明、非關鍵標誌燈或裝飾照明。
• 一般指示用途：其他交通或工業設備中的狀態LED，其中寬視角和高亮度是有益的。

9.2 關鍵設計考量

1. 熱管理：這是最關鍵的方面。PCB佈局必須最大化陽極焊墊的尺寸和熱連接性（使用導孔連接到內層或背板銅層），因為它是主要的熱傳導路徑。未能做到這一點將導致更高的接面溫度、降低的光輸出、加速的光衰以及更短的壽命。
2. 電流驅動：使用恆流驅動電路，而非連接到可變電壓源的簡單限流電阻，以獲得穩定且一致的光輸出。確保驅動器能提供所需電流（5-200mA DC），並能處理所用LED的順向電壓分級。
3. 光學設計：120度視角提供寬廣、擴散的光線。對於聚焦光束，需要二次光學元件（透鏡）。\"水清\"透鏡意味著LED發射的是未經擴散的原始黃光。
4. 靜電放電（ESD）保護：雖然未明確標示為敏感元件，但在驅動LED的控制線上實施基本的ESD保護是增強穩固性的良好做法。

10. 技術比較與差異化

雖然本規格書未提供與其他料號的直接並排比較，但可從其規格推斷此LED的關鍵差異點：

• 相較於標準商用LED：主要差異在於AEC-Q101認證以及擴展的溫度範圍（-40°C至+110°C），使其適合溫度極端和振動常見的汽車環境。
• 相較於窄角LED：其120度視角比許多指示燈LED（可能為30-60度）顯著更寬，使其更適合區域照明或可能從軸外角度觀看的應用。
• 相較於未分級LED：全面的三參數分級（Vf、Iv、Wd）確保了生產批次內亮度、顏色和電氣行為的高度一致性，這對於需要均勻外觀或可預測電路效能的應用至關重要。

11. 常見問題解答（基於技術參數）

Q1：峰值波長和主波長有何不同？
A：峰值波長（λ_P）是LED發射最多光功率的物理波長。主波長（λ_d）是一個計算值，基於整個發射光譜和CIE配色函數，代表人眼感知的顏色。λ_d對於顏色規格更為相關。

Q2：為什麼有最小順向電流（5mA）？
A：在極低電流下，LED的光輸出可能變得不穩定且非線性。指定最小值可確保元件在其效能曲線的可預測且穩定區域內操作。

Q3：我可以用12V電源和一個電阻驅動此LED嗎？
A：技術上可以，但不建議用於最佳效能或可靠性。計算 R = (12V - V_F) / I_F很簡單，但電源電壓或LED順向電壓（由於分級或溫度）的任何變化都會導致電流和亮度的巨大變化。強烈建議使用恆流驅動器。

Q4：陽極是散熱器。這是否意味著陰極焊墊在熱管理上不重要？
A：正確。主要的熱傳導路徑是特意設計通過陽極的。雖然陰極連接也會傳導一些熱量，但PCB佈局應將熱管理措施（大面積銅、熱導孔）專注於陽極焊墊，以達到最大效果。

12. 實務設計與使用案例

情境：設計汽車中控台情境燈條。

1. 需求分析：需要在30公分長的燈條上提供均勻、柔和的黃光照明，從不同座位位置皆可見。操作電壓為車輛的12V標稱系統。溫度環境範圍從冷啟動到炎熱的車廂。
2. 元件選擇：此LED因其汽車級別、寬視角（用於均勻擴散）和黃色光而適用。高亮度允許其在低於最大電流下驅動，以實現更高效率和更長壽命。
3. 電路設計：選擇一個開關式恆流LED驅動器IC，配置為每顆LED提供100mA。這低於140mA測試點，為熱降額提供了餘裕。驅動器的電流設定獨立於車輛9-16V電氣系統的波動。
4. PCB佈局：設計採用線性陣列排列LED。最關鍵的步驟是為每顆LED的陽極焊墊設計一個大面積的實心銅箔，並通過多個熱導孔連接到專用的內層接地層作為散熱片。陰極焊墊則用細走線連接。
5. 光學整合：將LED置於乳白色或有紋理的光導管/擴散器後方，將120度光束散射成完全均勻的光線，隱藏個別LED的\"亮點\"。
6. 驗證：在整個溫度範圍內測試組裝件，確保在高溫時光輸出符合要求，並且在濕度循環測試中未發生與凝結相關的故障（驗證MSL-2處理程序是否被遵循）。

13. 技術簡介

此LED採用AlInGaP（磷化鋁銦鎵）半導體材料系統。這種材料在產生光譜中黃色、橙色、紅色和琥珀色區域的光線方面特別高效。AlInGaP的主要優勢包括高內部量子效率以及與某些其他材料系統相比良好的溫度穩定性。\"水清\"透鏡通常由高溫環氧樹脂或矽膠製成，對發射波長透明，允許半導體晶片的純淨顏色未經改變或擴散即可呈現。

14. 產業趨勢與發展

SMD LED的總體趨勢，特別是對於汽車和工業應用，正朝向：

1. 提升效率（lm/W）：磊晶生長和晶片設計的持續改進，使得相同電氣輸入下產生更多光輸出，降低功耗和熱負載。
2. 更高功率密度與改善的熱管理：新的封裝設計整合了更好的熱傳導路徑（如此處專用的陽極散熱器）和材料，以在更小的佔位面積內處理更高的驅動電流。
3. 增強的可靠性與嚴格的認證：像AEC-Q101這樣的標準不斷修訂，元件需要通過更嚴格的測試以實現更長壽命，特別是在汽車應用中，10-15年的壽命很常見。
4. 隨著情境照明等應用變得更加注重美學，對生產批次間顏色座標（超越簡單的主波長）和強度極度一致的LED需求正在增加。As applications like ambient lighting become more aesthetic, demand for LEDs with extremely consistent color coordinates (beyond simple dominant wavelength) and intensity across production batches is increasing.
5. 整合化：趨勢是將多個LED晶片、控制電路，有時甚至光學元件整合到單一、更智能的\"LED模組\"中，以簡化終端使用者的設計。