1.8mm 圓形超小型紅外線發光二極體 IR42-21C/TR8 規格書 - 直徑 1.8mm - 電壓 1.2V - 功率 130mW - 水清透鏡 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

IR42-21C/TR8 是一款專為緊湊型光電應用設計的超小型表面黏著紅外線發射二極體。其特點是採用直徑 1.8mm 的圓形封裝，由水清塑膠模製而成，並具有球形頂部透鏡，以優化光輸出。該元件採用砷化鎵鋁（GaAlAs）晶片材料，其光譜與矽光電二極體和光電晶體相匹配，確保在感測器系統中實現高效檢測。其主要設計目標是微型化、與自動化組裝製程相容，以及在各種消費性和工業電子設備中提供可靠的性能。

1.1 核心優勢與目標市場

此 LED 為設計人員提供了多項關鍵優勢。其低順向電壓（典型值 1.2V）有助於實現節能運作。該元件完全符合無鉛（Pb-free）、RoHS、歐盟 REACH 及無鹵素法規（溴<900ppm，氯<900ppm，溴+氯<1500ppm），使其適用於具有嚴格環保標準的全球市場。它相容於紅外線迴焊和氣相迴焊製程，有利於大批量、自動化的 PCB 組裝。主要目標市場包括：緊湊型紅外線感測器、自動化微型光柵、軟碟機（用於舊式或特殊系統）、通用光電開關，以及需要不可見紅外線光源的煙霧偵測系統的製造商。

2. 深入技術參數分析

IR42-21C/TR8 的性能由一組絕對最大額定值和在標準環境溫度（Ta）25°C 下測量的電光特性所定義。理解這些參數對於可靠的電路設計和確保 LED 在其安全工作區（SOA）內運作至關重要。

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應力極限。即使瞬間也不應超過。連續順向電流（IF）額定值為 65 mA。最大允許反向電壓（VR）為 5 V。元件可在 -25°C 至 +85°C 的環境溫度範圍（Topr）內運作，並可在 -40°C 至 +85°C 之間儲存（Tstg）。在迴焊製程中，焊接溫度（Tsol）不得超過 260°C，持續時間為 5 秒或更短。在自由空氣溫度等於或低於 25°C 時，總功耗（Pd）為 130 mW。超過任何一項限制都可能導致災難性故障或加速劣化。

2.2 電光特性

這些參數通常在順向電流（IF）為 20 mA 時測量，定義了元件的功能性能。輻射強度（Ie）是衡量每單位立體角發射光功率的指標，最小值為 1.0 mW/sr，典型值為 3.0 mW/sr。峰值波長（λp）典型值為 940 nm，使其穩定位於近紅外光譜範圍，非常適合矽基檢測器。光譜頻寬（Δλ）典型值為 45 nm，定義了發射的波長範圍。在 20 mA 下，順向電壓（VF）典型值為 1.2 V，最大值為 1.5 V。當施加 5 V 反向偏壓時，反向電流（IR）最大值為 10 µA。視角（2θ1/2）定義為輻射強度降至其峰值一半時的全角，典型值為 30 度，提供中等聚焦的光束。

3. 性能曲線分析

規格書提供了多條特性曲線，說明關鍵參數如何隨運作條件變化。這些圖表對於理解在 25°C 單點規格之外的實際行為至關重要。

3.1 順向電流 vs. 環境溫度

此曲線顯示了允許的連續順向電流與環境溫度之間的關係。隨著環境溫度升高，最大允許順向電流線性下降。這種降額是必要的，以防止接面溫度超過其限制，這與功耗額定值相關。設計人員必須使用此圖表，根據其應用預期的最高環境溫度選擇合適的運作電流。

3.2 光譜分佈

光譜分佈曲線繪製了相對輻射強度與波長的關係。它直觀地確認了 940 nm 的峰值波長和大約 45 nm 的光譜頻寬。該曲線不對稱，這是 LED 發射光譜的典型特徵。此資訊對於需要與光電檢測器的響應度曲線進行特定光譜匹配的應用至關重要。

3.3 順向電流 vs. 順向電壓

此 IV（電流-電壓）特性曲線與所有二極體一樣是非線性的。它顯示，順向電壓超過膝點電壓後，即使小幅增加也會導致順向電流呈指數級大幅增加。這強調了使用串聯限流電阻或恆流驅動器以防止熱失控和過電流損壞 LED 的極端重要性。

3.4 相對輻射強度 vs. 角度位移

此極座標圖說明了 LED 的空間發射模式。強度在 0 度（軸上）歸一化為其最大值。曲線顯示了強度如何隨著觀察角度的增加而下降，定義了強度為峰值 50% 時的 30 度視角。對於這種圓頂形封裝，其模式大致為朗伯型（類似餘弦），這對於計算檢測器上的輻照度很有用。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

該元件採用緊湊的圓形 SMD 封裝，直徑為 1.8mm。規格書中的詳細機械圖提供了所有關鍵尺寸，包括本體高度、引腳間距和透鏡幾何形狀。所有尺寸均以毫米為單位，除非另有說明，標準公差為 ±0.1mm。提供了建議的焊盤佈局供 PCB 設計參考，但明確指出這僅供參考，應根據個別製程要求和熱管理需求進行修改。

4.2 極性識別與載帶包裝

封裝具有一個平面或類似標記來指示陰極（負極）引腳，這對於組裝時的正確方向至關重要。對於大批量生產，元件以載帶捲盤形式供應。規格書包含載帶尺寸，指定了凹槽尺寸、間距和捲盤直徑。標準捲盤包含 1000 個元件，這是自動貼片機的典型配置。

5. 焊接與組裝指南

正確的處理和焊接對於可靠性至關重要。此 LED 對濕氣敏感，並裝在帶有乾燥劑的防潮袋中。

5.1 儲存與濕氣敏感度

在打開密封袋之前，LED 必須儲存在 30°C 或以下、相對濕度（RH）90% 或以下的環境中。保存期限為一年。打開袋子後，元件應保持在 30°C/60%RH 或以下的環境中，並必須在 168 小時（7 天）內使用。如果超過儲存時間或乾燥劑顯示濕氣進入，則在使用前需要在 60 ± 5°C 下烘烤 24 小時，以去除吸收的濕氣，防止在迴焊焊接過程中發生爆米花現象。

5.2 迴焊焊接參數

該元件相容於無鉛（Pb-free）迴焊溫度曲線。建議使用特定的溫度曲線，通常包括預熱階段、均溫區、峰值溫度區（不超過 260°C，最長 5 秒）以及受控冷卻階段。迴焊焊接不應執行超過兩次。在加熱過程中，不應對 LED 本體或引腳施加機械應力，且 PCB 在焊接後不應變形。

5.3 手工焊接與返修

如果無法避免手工焊接，則必須格外小心。烙鐵頭溫度應低於 350°C，與每個端子的接觸時間應限制在 3 秒或更短。建議使用低功率烙鐵（25W 或以下）。焊接每個引腳之間應至少間隔 2 秒。強烈不建議在初次焊接後進行返修。如果絕對必要，應使用專用的雙頭烙鐵同時加熱兩個引腳並取下元件，以避免對封裝施加應力。返修過程中損壞的風險很高。

6. 應用建議與設計考量

6.1 典型應用電路

最基本的應用電路是 LED、限流電阻和電壓源的簡單串聯。電阻值（R）使用歐姆定律計算：R = (V_source - VF_LED) / IF。例如，使用 5V 電源，VF 為 1.2V，期望的 IF 為 20mA，則 R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190 歐姆。200 歐姆的電阻將是一個合適的標準值。為了更穩定的運作，特別是在電源電壓可變的情況下，首選恆流驅動電路。

6.2 紅外線系統設計考量

設計紅外線感測系統時，必須考慮幾個因素。紅外線 LED 與光電檢測器之間的光學對準至關重要，特別是對於 30 度的光束。通常需要抑制環境光；這可以通過調製 LED 驅動電流並使用同步檢測器電路來濾除直流環境光來實現。輻射強度和檢測器靈敏度必須與所需的感測距離相匹配。如果在接近最大額定值的情況下運作，應考慮熱管理，因為接面溫度升高會降低光輸出和使用壽命。

7. 技術比較與差異化

與較大的插件式紅外線 LED 相比，IR42-21C/TR8 的主要優勢在於其微型 SMD 佔位面積，能夠實現更小、更輕、更自動化的 PCB 設計。與其他 SMD 紅外線 LED 相比，其關鍵差異在於其特定的 1.8mm 圓形封裝尺寸、針對矽檢測器優化的 940nm 峰值波長，以及其符合最新的環保法規（無鹵素、REACH）。與有色或擴散透鏡相比，水清透鏡最大限度地提高了紅外光的透射率，在給定的電氣輸入下產生更高的輻射強度。

8. 常見問題解答（基於技術參數）

問：為什麼限流電阻絕對必要？

答：IV 曲線顯示了 LED 電壓與電流之間的指數關係。電源電壓的輕微增加或 LED 順向電壓的下降（由於溫度）可能導致電流不受控制地急劇增加，從而立即燒毀。電阻提供了線性的、穩定的阻抗。

問：我可以用 3.3V 微控制器引腳直接驅動這個 LED 嗎？

答：可能可以，但不是最佳方式。由於 VF 為 1.2V，需要一個串聯電阻。GPIO 引腳可提供的電流通常有限（例如 20-25mA）。您必須確保總電流消耗，包括根據電阻計算（R = (3.3V - 1.2V) / I_desired），不超過 GPIO 的電流供應能力。對於更高電流或多個 LED，則需要電晶體驅動器。

問：光譜與矽光電檢測器匹配是什麼意思？

答：矽光電二極體和光電晶體在近紅外區域（約 800-900nm）具有峰值靈敏度。此 LED 的 940nm 峰值發射落在這個高響應度區域內，確保了從光源到檢測器的最大訊號傳輸效率，從而獲得更好的系統訊噪比和範圍。

問：濕氣敏感度和烘烤說明有多重要？

答：對於 SMD 元件來說極其重要。吸收的濕氣在高溫迴焊焊接過程中可能迅速汽化，導致內部分層、裂紋或爆米花現象，從而損壞元件。遵循 MSL（濕氣敏感等級）處理程序對於生產良率和長期可靠性至關重要。

9. 實務設計與使用案例研究

情境：設計一個緊湊型物體檢測感測器。一位設計師需要為一個小型自動化設備創建一個非接觸式物體檢測感測器。空間有限，需要 SMD 元件。他們選擇了 IR42-21C/TR8，因為其尺寸小。他們將其與一個光電晶體配對，採用回歸反射配置：兩個元件並排放置在同一塊 PCB 上，面向同一方向。從前方經過的物體會將紅外光束反射回光電晶體。設計師使用典型的輻射強度（3.0 mW/sr）和光電晶體的靈敏度來計算所需電流，以實現 10cm 的期望檢測範圍。他們實現了一個簡單的 555 計時器電路，以 1kHz 脈衝驅動 LED，檢測器電路包括一個調諧到 1kHz 的帶通濾波器，以抑制環境 50/60Hz 光閃爍和直流陽光。選擇限流電阻以提供 15mA 驅動電流，遠低於 LED 的額定值，以確保長壽命。緊湊的 SMD 封裝使整個感測器組件能夠安裝在寬度小於 15mm 的外殼中。

10. 運作原理與技術趨勢

10.1 運作原理

紅外線發光二極體（IR LED）基於半導體 p-n 接面的電致發光原理運作。當施加順向電壓時，來自 n 型區域的電子和來自 p 型區域的電洞被注入跨越接面。當這些電荷載子在活性區域（本例中為 GaAlAs 晶片）中復合時，能量以光子（光）的形式釋放。GaAlAs 半導體材料的特定能隙決定了發射光子的波長，對於此元件而言是在紅外光譜（940nm）中。水清環氧樹脂封裝充當透鏡，將發射的光塑造成指定的視角。

10.2 產業趨勢

與所有電子產品一樣，光電產業的趨勢是進一步微型化、更高效率和更大整合度。雖然紅外線 LED 的基本原理保持穩定，但在封裝技術（更小的佔位面積，如 0402 或晶片級封裝）、改進的外延材料以提高電光轉換效率（每瓦電輸入產生更多光輸出），以及將驅動器和控制邏輯整合到智慧LED 模組方面取得了進步。同時，業界持續推動更廣泛的光譜選擇和能夠在更高調製速度下運作以用於數據通訊應用（如 IRDA）的元件。環保合規性（無鹵素、低碳足跡製造）仍然是整個產業的強大驅動力。