UVC LED LTPL-G35UV275PR 資料手冊 - 3.5x3.5x1.2mm - 典型值6.2V - 37mW輻射通量 - 275nm峰值波長

1. 產品概述

LTPL-G35UV產品系列代表固態紫外線光源領域的重大進展。此產品專為殺菌與醫療應用設計，為傳統紫外線技術（如汞燈）提供了高性能替代方案。透過採用發光二極體（LED）技術，它結合了卓越的能源效率以及半導體裝置固有的可靠性與長使用壽命。這為設計師提供了更大的自由度，以創造用於消毒、水淨化和表面殺菌系統的創新解決方案。

其核心優勢在於能夠以較低的運營與維護成本，提供有效的UVC輻射（波長範圍270-280nm）。該裝置設計為與積體電路（IC）驅動系統相容，並符合RoHS規範與無鉛要求等環保標準。其主要目標市場包括醫療設備製造商、水與空氣淨化系統整合商，以及消費性或工業殺菌裝置的開發商。

1.1 核心優勢與目標市場

從傳統紫外光源轉向UVC LED帶來多項明顯優勢。首先，即時啟動能力與無需預熱時間提升了系統響應速度。其次，緊湊的外形尺寸使其能整合到更小、更便攜的裝置中。LED發射的定向特性允許更高效的光學設計，將能量集中於最需要的區域。此外，不含汞的設計解決了與廢棄處理及破損相關的環境和安全問題。

目標應用主要為殺菌照射，其中波長約275nm的UVC光能有效破壞微生物（包括細菌、病毒和黴菌）的DNA和RNA，使其失去活性。這使得該LED適用於醫療環境的表面消毒、使用點系統的水處理，以及HVAC單元的空氣淨化等應用。

2. 技術參數深度分析

2.1 絕對最大額定值

本元件規格適用於嚴苛條件下的操作。絕對最大額定值定義了可能導致永久性損壞的極限。關鍵參數包括最大功耗（P_O）為2.1W，以及最大連續順向電流（I_F）為300mA。其工作溫度範圍（T_opr) 的指定範圍為 -40°C 至 +80°C，表示其適用於嚴苛的工業環境與受控的醫療環境。儲存溫度範圍 (T_stg) 則延伸至 -40°C 至 +100°C。一個關鍵參數是最高接面溫度 (T_j) 為115°C。超過此溫度將加速劣化並顯著縮短裝置壽命。資料表明確警告，避免讓LED長時間在反向偏壓條件下工作，因為這可能導致立即故障。

2.2 電光特性

這些特性是在25°C環境溫度（T_a）的標準測試條件下量測，並提供正常操作下的預期性能。

• 順向電壓 (V_F): 在驅動電流為250mA時，典型順向電壓為6.2V，最大值為7.0V，最小值為5.0V。量測容差為±0.1V。此參數對於設計LED驅動電路至關重要，因為它決定了所需的電源電壓和功率耗散。
• 輻射通量 (Φ_e): 此為UVC光譜中的總光功率輸出。在250mA下，典型輻射通量為37.0mW（最小值29.0mW）。當以最大額定電流300mA驅動時，典型輸出增加至43.0mW。量測容差為±10%。輻射通量是決定LED在特定應用中殺菌功效的關鍵指標。
• 峰值波長 (λ_P): 該LED發射峰值波長介於270nm至280nm之間的UVC光，中心波長約為275nm。此波長位於殺菌效果的最佳範圍內。量測公差為±3nm。
• 熱阻 (R_{th j-s}): 從半導體接面到焊點的典型熱阻為12.3 K/W。此數值是在特定的鋁基MCPCB上量測所得，對於熱管理設計至關重要。較低的熱阻能讓熱量更有效地從接面傳導出去，有助於維持較低的T_j 並確保長期可靠性。
• 視角 (2θ_1/2): 典型視角為120度。這種寬廣的發光模式對於需要大面積覆蓋的應用非常有益，但在需要聚焦的應用中，可能需要使用反射器或透鏡。
• 靜電放電 (ESD): 根據JESD22-A114-B標準（人體放電模型），該元件可承受至少2000V的靜電放電耐受電壓。在組裝與安裝過程中，必須遵循正確的靜電放電處理程序。

3. Bin Code System Explanation

為確保性能一致，LED會根據生產過程中量測的關鍵參數進行分檔。分檔代碼標示於包裝上。

3.1 Forward Voltage (V_F) Binning

當LED在250mA驅動下，被分為四個電壓區間（V1至V4）：

• V1：5.0V – 5.5V
• V2：5.5V – 6.0V
• V3: 6.0V – 6.5V
• V4: 6.5V – 7.0V

每個分檔內的容差為±0.1V。此分檔方式讓設計師能為串聯驅動的應用選擇電壓匹配更緊密的LED，確保電流分佈更為均勻。

3.2 輻射通量 (Φ_e) Binning

輸出功率在250mA下分為四個通量等級 (X1至X4)：

• X1：29.0mW – 34.0mW
• X2：34.0mW – 39.0mW
• X3: 39.0mW – 44.0mW
• X4: 44.0mW 及以上

容差為±10%。選擇較高的光通量分檔可提供更高的光學輸出，這意味著能縮短消毒時間，或在陣列中使用更少的LED。

3.3 峰值波長（λ_P) Binning

本產品所有元件均歸屬於單一波長分檔W1，範圍涵蓋270nm至280nm，容差為±3nm。由於微生物滅活率高度依賴於波長，此設計確保所有產品具備一致的殺菌效能。

4. 性能曲線分析

所提供的圖表有助於深入了解LED在不同條件下的行為表現。

4.1 相對光譜分佈

此曲線顯示了紫外光譜範圍內的光強度分佈。它證實了以275nm為中心的窄發射波段，這對於最大化殺菌效果，同時減少在效果較差或可能有害波長上的發射而言是理想的。

4.2 Relative Radiant Flux vs. Forward Current

此圖表說明了驅動電流與光輸出之間的非線性關係。雖然增加電流能提升輸出，但在較高電流下，由於熱效應增加和效率下降，每單位電功率的輻射通量（效率）通常會降低。這凸顯了優化驅動電流以在輸出、效率和壽命之間取得理想平衡的重要性。

4.3 順向電壓 vs. Forward Current & Junction Temperature

順向電壓具有負溫度係數，意即其值會隨著接面溫度升高而下降。此特性在定電流驅動器設計中必須納入考量，因為在高溫下較低的 V_F 可能會略微降低電功率損耗。

4.4 相對輻射通量 vs. 接面溫度

這是最關鍵的曲線之一。UVC LED的輸出對接面溫度極為敏感。圖表顯示，隨著T_j 升高，輻射通量會顯著下降。有效的熱管理以盡可能保持接面低溫，對於維持高輸出和達到額定壽命至關重要。

4.5 順向電流降額曲線

此曲線定義了最大允許順向電流與環境溫度的函數關係。當環境溫度升高時，必須降低最大允許電流，以防止接面溫度超過其115°C的限制。此圖表對於設計在指定溫度範圍內可靠運作的系統至關重要。

5. 機械與封裝資訊

5.1 外型尺寸

此LED封裝具有緊湊的佔位面積，約為3.5mm x 3.5mm，高度約為1.2mm。除非另有說明，所有尺寸公差均為±0.2mm。機械圖面詳細標示了LED晶片、焊墊及任何光學透鏡結構的確切位置。

5.2 建議PCB焊接墊

針對表面黏著焊接墊提供了詳細的焊墊圖形設計。遵循此建議的焊墊佈局對於實現可靠的焊點、適當的熱傳導至PCB以及正確的對位至關重要。焊墊尺寸的規格公差為±0.1mm。設計通常在散熱墊下方包含散熱孔，以將熱量傳導至PCB的接地層或專用的散熱層。

6. 焊接與組裝指南

6.1 迴流焊溫度曲線

為防止在表面貼裝技術（SMT）組裝過程中造成損壞，已詳細規定了無鉛迴流焊溫度曲線。關鍵參數包括：

• 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：建議 245°C，最高 260°C。
• 峰值溫度 ±5°C 內時間：10-30 秒。
• 最大升溫速率：3°C/秒。
• 最大降溫速率：6°C/秒。

所述溫度係指封裝頂部溫度。不建議進行快速冷卻過程。LED最多可承受三次回流焊循環。

6.2 手工焊接與清潔

若需進行手工焊接，烙鐵頭溫度不得超過300°C，且每個焊盤的接觸時間應限制在最多2秒，僅能操作一次。清潔時，僅應使用如異丙醇等酒精類溶劑。未指定的化學清潔劑可能會損壞矽膠透鏡或封裝材料。

7. 封裝與訂購資訊

7.1 載帶與捲盤規格

LED 以壓紋載帶和捲盤形式供貨，適用於自動化取放組裝。載帶尺寸（凹槽尺寸、間距）與捲盤尺寸（軸心直徑、凸緣直徑）符合 EIA-481-1-B 標準。7 吋捲盤最多可容納 500 件。剩餘批次的最小包裝數量為 100 件。載帶以封蓋膠帶密封以保護元件。

8. 應用建議與設計考量

8.1 熱管理

這是最關鍵的設計因素。輸出對接面溫度的高度敏感性，需要一個有效的散熱策略。請使用金屬核心印刷電路板（MCPCB），或採用具有大面積銅箔鋪設並透過熱導孔連接外部散熱器的標準FR4印刷電路板。目標是將LED接面到環境的熱阻（R_{th j-a}）降至最低。在設計高環境溫度應用時，務必參考順向電流降額曲線。

8.2 Electrical Drive

為確保穩定運行，必須使用恆流驅動器。選擇驅動器時，應使其能提供所需電流（例如250mA或300mA），同時適應所選分檔的正向電壓範圍。可考慮採用脈衝寬度調變（PWM）進行調光或佔空比操作，這有助於管理熱負載。確保驅動器具備反極性和電壓瞬變保護功能。

8.3 光學與材料考量

波長275nm的UVC輻射具有高能量，可能導致多種常見材料降解，包括特定塑料、環氧樹脂與黏合劑。請確認光路中及LED周邊的所有材料（透鏡、反射器、墊圈、電線絕緣層）均標示可承受長時間UVC照射。保護視窗通常採用石英玻璃。請避免皮膚與眼睛直接暴露於UVC輸出。

9. 可靠性與使用壽命

該數據手冊概述了完整的可靠性測試計劃，包括室溫操作壽命（RTOL）、高/低溫儲存壽命（HTSL/LTSL）、濕熱測試與熱衝擊測試。這些測試模擬了多年在不同應力條件下的運作情況。失效標準定義為順向電壓偏移超過10%或輻射通量下降至初始值的50%以下。適當的熱設計與在規定限值內的電氣操作，對於在實際應用中達到預期使用壽命至關重要。

10. 技術比較與差異化

相較於傳統的低壓汞燈（發射波長為254nm），此UVC LED具有多項優勢：即時開/關、尺寸緊湊、定向發射、堅固耐用（無易碎玻璃、無汞），以及波長可調的潛力。與其他UVC LED相比，此特定元件的關鍵差異在於其結合了275nm波長、在250mA電流下典型輸出為37mW，以及3.5x3.5mm的封裝形式。其120度的寬廣視角可能是一個優勢或劣勢，取決於應用的光學設計要求。

11. 常見問題（基於技術參數）

Q: 輻射通量 (mW) 與殺菌效果之間有何區別？
A: 輻射通量是指總UVC光功率。殺菌效果取決於此功率、發射光譜（峰值波長）、與目標物的距離、照射時間以及特定微生物的敏感性。275nm波長對多種病原體非常有效。

Q: 我可以用恆壓電源驅動這個LED嗎？
A: 不行。LED是電流驅動元件。恆壓電源無法調節電流，會導致熱失控並迅速損壞。請務必使用恆定電流驅動器。

Q: 如何計算所需的散熱片？
A: 您需要確定整體熱阻路徑。從晶片到焊點的熱阻（R_{th j-s} = 12.3 K/W）開始計算。加上您的熱介面材料、PCB 和外部散熱器的熱阻。使用公式 T_j = T_a + (P_diss * R_{th j-a}), ensure T_j remains below 115°C at your maximum ambient temperature and drive power (P_diss ≈ I_F * V_F).

Q: 為什麼輸出對溫度如此敏感？
A> This is a fundamental characteristic of semiconductor light sources, particularly in the ultraviolet range. Increased temperature increases non-radiative recombination within the semiconductor material, reducing the internal quantum efficiency and thus the light output.

12. 實務設計與使用案例

案例：設計一款便攜式表面消毒棒。
一位設計師希望打造一款手持式魔杖，用於消毒檯面、鍵盤和手機等表面。他們選擇了LTPL-G35UV275PR LED，因其尺寸緊湊且輸出波長為275nm。計劃使用4顆LED組成陣列以增加覆蓋面積。每顆LED將以250mA驅動（典型V_F=6.2V，P_diss=1.55W）。系統總功耗約為6.2W。魔杖本體整合了一個帶散熱片的輕質鋁製散熱器，以消散約6W的熱量。設計了一個由可充電鋰離子電池供電的恆流驅動器。安全互鎖裝置確保僅當魔杖與表面保持正確距離時，LED才會啟動。光學設計利用其固有的120度光束角來形成寬廣的殺菌光斑。設計師選用X2光通量分檔（34-39mW）的LED以確保性能一致，並使用PWM來控制照射時間（例如，10秒週期）。

13. 原理介紹

UVC LED 基於半導體材料，通常為氮化鋁鎵 (AlGaN)。當施加正向電壓時，電子和電洞在半導體的主動區域復合，以光子形式釋放能量。這些光子的波長取決於半導體材料的能隙能量。透過精確控制 AlGaN 層中的鋁含量，可調整能隙以發射 UVC 波段（200-280nm）的光。275nm 波長的發光是通過精確的外延生長製程實現的。產生的 UVC 光子能量極高，能夠破壞分子鍵結，尤其是微生物的 DNA/RNA，從而阻止其複製。

14. 發展趨勢

UVC LED 領域正在快速發展。主要趨勢包括：

• 提升壁插效率 (WPE)： 持續的研究旨在提升電能至光能的轉換效率，這將直接減少熱量產生並降低系統功耗需求。
• 更高輸出功率： 開發具有更高單一發射器輻射通量或更小封裝尺寸的LED，使消毒系統更為緊湊且效能更強大。
• 更長使用壽命 (L70/B50)： 材料、封裝及熱管理技術的改進，正延長LED的操作壽命，使其在高負載週期應用中更具競爭力，足以與傳統燈具匹敵。
• 成本降低： 隨著生產規模擴大與製程成熟，每毫瓦UVC輸出功率的成本正穩步下降，從而擴大了其可行應用範圍。
• 波長優化： 針對特定病原體與應用的最佳波長研究持續進行，未來可能為醫療、水處理及空氣淨化領域開發出專用LED。

向固態UVC光源的轉變是一個明確的長期趨勢，這是由其在外形尺寸、安全性與可控性方面的固有優勢所驅動的。