<EMI ID=1.1>
Les lampes à incandescence, qui rendent de grands services pour l'éclairage de-puissance, possèdent néanmoins un faible rendement : si l'on désire leur conserver une durée
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par Watt électrique consommé.
On sait que les diodes électroluminescentes ont un rendement supérieur, qui peut atteindre 10 Candelaspar Watt, avec une durée de vie bien plus longue, chiffrable en centaines de milliers d'heures. Mais elles n'ont pas été utilisées beaucoup jusqu'à présent pour obtenir des éclairages de faible et moyenne intensité, tant à cause de leur faible éclairement individuel (2 à 10 millicandelas) que pour des raisons de prix.
La présente invention vient permettre une telle utilisation.
Selon l'invention, on prévoit un élément lumineux modulaire à diodes électroluminescentes, qui comporte un substrat de circuit hybride, généralement plan, un grand nombre de puces de diodes électroluminescentes fixées sur le substrat de manière à recouvrir une grande partie de sa surface, des interconnexions, déposées sur le substrat, entre les puces de diodes électroluminescentes, comprenant deux connexions d'alimentation reliées à des électrodes, et un système optique réalisé sur le substrat, coopérant avec les puces de diodes électroluminescentes.
Comme c'est habituel en microélectronique, le mot "puce" (en anglais "chip"), définit ici le cristal d'un dispositif semi-conducteur, non monté, c'est-à-dire sans fils d'électrode ni encapsulation.
Avantageusement, les interconnexions réalisent un. branchement en série des puces de diodes entre elles, deux bornes d'alimentation seulement étant prévues sur le substrat.
Ces bornes d'alimentation sont destinées à être connectées à un circuit régulateur de courant, par exemple à un circuit intégré porté par un substrat séparé comportant un certain nombre de tels circuits en vue d'alimenter plusieurs éléments lumineux modulaires selon l'invention.
Il est impossible aussi de prévoir que le substrat <EMI ID=3.1>
plusieurs puces de circuits intégrés régulateurs de courant, munies d'entrées de commande, et autant d'électrodes de commande, avec une liaison déposée sur le substrat entre
chaque électrode de commande et l'une, respective, des entrées _ de commande.
De son côté, le système optique peut simplement comprendre une loupe ou un grand nombre de loupes, recouvrant chacune à une puce de diodes électroluminescentes ou à un petit nombre d'entre elles. A quoi l'on peut ajouter un filtre .de lumière. _ : __ , . _ On peut prévoir aussi que le système optique comprend un réflecteur associé à chaque puce de diode et constitué par une cuvette métallisée formée dans le substrat et dans laquelle vient se poser chaque puce.
Pour une application d'affichage programmable, les diodes électroluminescentes connectées au même circuit régulateur de courant sont disposées suivant une configuration préétablie, ce qui fournit un module d'affichage commandé.
En associant plusieurs éléments modulaires de l'invention, on constitue un ensemble lumineux de puissance.
Deux procédés de fabrication de l'élément selon l'invention peuvent être utilisés, selon le type de système optique prévu.
Si le système optique est constitué. par des loupes recouvrant les puces, on dépose de la colle sur le substrat,
à l'endroit de chaque puce, après avoir déposé les interconnexions métalliques par sérigraphie sur la surface du substrat. Les puces sont ensuite collées et des fils de. connexion sont soudés par thermocompression entre les puces et les interconnexions métalliques de la surface du substrat.
Si le système optique comprend des réflecteurs en arrière des puces, le substrat est fabriqué avec des cuvettes
à l'endroit de chaque diode, puis, les interconnexions métalliques sont déposées en même temps que l'intérieur des cuvettes est métallisé (par sérigraphie encore). Les puces de diodes sont alors mises en place et des fils de connexion sont soudés entre les puces et les interconnexions, ces fils assurant le <EMI ID=4.1>
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, faite en référence aux dessins annexés,. sur lesquels :
. La Figure est le schéma général d'un module lumineux de l'invention, vue en coupe transversale ; . La Figure 2 est le schéma correspondant vu�du dessus, système optique enlevé ; . La Figure 3 est le schéma électrique du module des Figures 1 et 2 ; . La Figure 4 illustre un exemple d'application en
<EMI ID=5.1> . La Figure 5 représente une variante de réalisation d'un élément lumineux modulaire ; et . La Figure 6 représente une coupe d'une partie de substrat d'un élément lumineux, avec des réflecteurs en cuvette pour chaque puce de diode.
Sur la Figure 1, l'élément lumineux modulaire comporte un substrat de circuit hybride 1, en céramique ou en verre époxy. La face supérieure du substrat 1 est recouverte d'une couche de résine 2. Sur celle-ci sont collées des puces de diodes électroluminescentes telles, que 10 à 19, alignées par exemple, ainsi que des.puces de circuits intégrés régulateurs de courant, tel 3. Par dépôt d'une "encre" spéciale à base de métaux précieux (platine, or, etc...), on établit des connexions non résistives 20 à 30 entre les diodes 10 à 19 et'le circuit régulateur de courant 3, ainsi que des électrodes de sortie ; cette encre est cuite après dépôt sur le substrat
et avant collage des diodes.
Dans un mode de réalisation particulier, dont le schéma d'implantation est donné par là Figure 2 et le schéma électrique par la Figure 3, les diodes 10 à 19 sont reliées en série entre elles et avec le circuit régulateur de courant 3 par les interconnexions 20 à 30. Ainsi, la connexion 20 relie la sortie du régulateur de courant à l'anode de la diode 10 ;
la connexion 21 relie la cathode de la diode 10 à l'anode de
<EMI ID=6.1>
relie la cathode de la diode 19 à un commun aboutissant à <EMI ID=7.1> circuits régulateurs de courant, tel 3, sont reliées à une
<EMI ID=8.1>
41 peut être commune pour tous les circuits régulateurs, ou bien, comme représenté sur les Figures 2 et 3, on peut prévoir une électrode de pôle positif pour chacun d'entre eux.
On peut encore utiliser des régulateurs de courant qui comportent séparément une ou plusieurs entrées de commande en tout ou rien. Celles-ci seront alors reliées à dss électrodes de commande individuelles par des liaisons déposées (non représentées).,
<EMI ID=9.1>
comme 5 permettent de maintenir au-dessus du substrat un système optique 6, qui permet de focaliser de la manière désirée l'émission de lumière des diodes suivant un cône 9.
On peut y ajouter un filtre coloré, ou colorer en masse tout ou partie du système optique, pour définir la couleur du cône 9 de lumière émise.
Le système optique 6 peut comprendre pour l'ensemble des diodes une loupe unique en verre ou en plastique transpa- rent par exemple ou un grand nombre de loupes_ou de lentilles de Fresnel, associées chacune à une puce de diode électroluminescente, comme représenté, ou bien à un petit nombre d'entre elles.
Le demandeur a pu, avec les moyens de l'invention,
<EMI ID=10.1>
ayant une faible consommation (courant de polarisation inférieur à 40 mA), on peut se contenter d'un* régulateur de courant à bas prix pour les polariser correctement!*. Un �el
<EMI ID=11.1>
on peut aussi le disposer à part, avec les circuits produisant les tensions continues d'alimentation.
Dans une réalisation particulière, les régulateurs de courant sont réalisés à l'aide de régulateurs de tension associés à une résistance de valeur suffisante. Les puces de diodes correspondent aux modèles MV 5752, MV 5152, MV 5252, vendus par MONSANTO ; les puces de circuits intégrés sont par exemple le modèle MC7824 vendu par MOTOROLA et chacun alimente <EMI ID=12.1>
couche de résine déposée sur le substrat est une colle époxy.
Les interconnexions sont réalisées en encre platine-argent référence 9770 de Dupont de Nemours. Enfin, pour éviter qu'elles ne se croisent, on réalise le circuit hybride sous forme multicouches, au moins là où c'est nécessaire.
<EMI ID=13.1>
avec son circuit régulateur de courant, une surface très faible, de l'ordre de 40 mm . Une telle surface peut, à distance, suffisante, être considérée comme un point. Selon un autre aspect de l'invention, on branche des groupes de diodes en matrice, de manière à pouvoir commander ou "adresser" individuellement chacun des groupes, et réaliser ainsi un afficheu* programmable. La cellule adressable peut alors être constituée d'un module tel que décrit en référence aux Figures 1 à 3, ou simplement d'un groupe de 10 diodes, par exemple.
Une réalisation de ce genre est illustrée à titre d'exemple par la Figure 4. Sur celle-ci, chaque carré tel que
50 correspond à une cellule adressable. L'adressage en ligne peut se faire à l'aide des électrodes d'alimentation (41, Figures 2 et 3), et l'adressage en colonne par les entrées de commande des différents circuits régulateurs de courant, qui sont branchées ensemble sur une même colonne. En variante, en branchant des circuits ET ou équivalents sur ces entrées de commande, maintenant non reliées entre elles, on peut réaliser l'adressage uniquement sur ces entrées.
Pour réaliser l'élément lumineux modulaire représenté sur les Figures 1 et 2, on procède de la manière suivante :
a) des interconnexions mjtalliques destinées à relier les diodes sont déposées sur le substrat par sérigraphie à l'aide d'une encre conductrice, des espaces non conducteurs . étant laissés à l'endroit où viendront se placer les puces de diodes étales puces de circuits intégrés régulateurs s'il y a <EMI ID=14.1> b) on procède à une cuisson de l'encre déposée ; c) on dépose une couche de colle à l'endroit des puces ;
<EMI ID=15.1> <EMI ID=16.1> <EMI ID=17.1> collées des fils d'or de quelques' microns de diamètre que l'on relie également par soudage aux interconnexions métalliques arrivant à ces puces ; f) on fixe les entretoises 5 et le système optique 6.
Dans une variante de réalisation représentée à la Figure 5, le substrat 1 de l'élément lumineux modulaire selon l'invention ne porte pas de circuit intégré de régulation de courant ; il porte simplement un grand nombre de puces de . diodes
(10, 11, 12, ... 19) reliées toutes en série les unes avec les <EMI ID=18.1>
<EMI ID=19.1>
Les circuits 3 de régulation de courant qui sont toujours nécessaires peuvent être prévus sur un substrat séparé
56, et dans ce cas, un seul substrat de support de circuits régulateurs de courant est prévu pour commander plusieurs éléments lumineux modulaires (autant qu'il. y a de régulateurs sur ce substrat).
Cette disposition permet de réduire notablement le coût de fabrication (diminution de prix des éléments de connexion et diminution de la main d'oeuvre pour réaliser ces connexions). Les circuits intégrés 3 de régulation de courant sont simplement collés sur un circuit imprimé de manière à réaliser une unité hybride d'alimentation des éléments lumineux modulaires.
Pour réaliser un élément lumineux modulaire présentant des caractéristiques optimales de rendement lumineux, on peut prévoir que le système optique associé à l'élément lumineux comprend, en plus ou à la place de la ou les loupes placées au-dessus des puces de diodes, des réflecteurs individuels associés à chaque puce de diode. Ces réflecteuis sont constitués par des cuvettes métallisées formées directement à la surface du substrat. Dans chaque cuvette est placée une diode électroluminescente. Le rendement est nettement amélioré car les diodes émettent de la lumière non seulement vers l'avant mais aussi vers l'arrière (c'est-à-dire vers le substrat sur lequel elles sont posées), et il est bon que la partie de lumière **mise vers 1 'arrière soit renvoyée vers l'avant par une surface réfléchissante.
La Figure 6 représente en coupes une partie de subs- trat 1 présentant des cuvettes 60 dont la surface intérieure est métallisée par dépôt d'une encre conductrice contenant de préférence de l'argent. Les cuvettes ont sensiblement une force de calotte sphérique pour mieux diriger la lumière
réfléchie perpendiculairement à la surface du substrat.
Dans cette réalisation, les interconnexions métalli- ques entre les puces de diodes sont déposées par sérigraphie
d'une encre conductrice sur les parties planes de la surface
du substrata entre les cuvettes ; les cuvettes peuvent égale-
ment être métallisées par sérigraphie.
Il est préférable., toujours pour améliorer le rende-
<EMI ID=20.1>
<EMI ID=21.1>
dans les cuvettes et leur maintien en place au-dessus de celles-ci se fait grâce aux fils d'or que l'on soude par thermocompression entre les puces et les interconnexions
<EMI ID=22.1> .. colle une partie de la lumière émise.
L'invention s'applique notamment à la signalisation,
<EMI ID=23.1>
numérotation des immeubles, etc. On peut par exemple réaliser un affichage à sept segments.
Une application particulièrement intéressante est celle des feux de signalisation routière. Chaque feu comprend un ou plusieurs modules avec les filtres colorés adéquats,
par exemple de la manière décrite dans la demande de brevet français n[deg.] 76 02 276. Dans cette application, et dans d'autres, il est très avantageux de réaliser une alimentation impulsionnelle des diodes, par exemple.de.la manière décrite dans la
<EMI ID=24.1>
régime impulsionnel, les diodes admettent un courant bien plus élevé qu'en régime permanent, d'où une impression lumineuse plus forte, 9 compte tenu de la persistance rétinienne. La commande impulsionnelle se fait avantageusement par les entrées de commande des circuits régulateurs de courant.
<EMI ID=25.1>
<EMI ID=26.1>
nescentes pour feu de signalisation ou enseigne lumineuse caractérisé par le fait qu'il comporte :
. un substrat de circuit hybride, généralement plan, <EMI ID=27.1> centes fixées sur le substrat de manière à recouvrir une grande partie de sa surface, . des interconnexions, déposées sur le substrat, entre les puces de diodes électroluminescentes, comprenant deux connexions d'alimentation reliées à des électrodes, et . un système optique monté sur le substrat, et coopérant avec les puces de diodes électroluminescentes.
<EMI ID = 1.1>
Incandescent lamps, which render great services for high-power lighting, nevertheless have a low efficiency: if one wishes to keep them
<EMI ID = 2.1>
per Watt of electricity consumed.
It is known that light emitting diodes have a higher efficiency, which can reach 10 Candelas per Watt, with a much longer lifespan, quantifiable in hundreds of thousands of hours. But they have not been used much so far to obtain low and medium intensity lighting, both because of their low individual lighting (2 to 10 millicandelas) and for reasons of price.
The present invention allows such a use.
According to the invention, a modular light-emitting diode light element is provided, which comprises a generally planar hybrid circuit substrate, a large number of light-emitting diode chips fixed on the substrate so as to cover a large part of its surface, interconnections, deposited on the substrate, between the light-emitting diode chips, comprising two power supply connections connected to electrodes, and an optical system produced on the substrate, cooperating with the light-emitting diode chips.
As is usual in microelectronics, the word "chip" (in English "chip"), here defines the crystal of a semiconductor device, not mounted, that is to say without electrode wires or encapsulation .
Advantageously, the interconnections produce a. series connection of the diode chips with one another, only two power supply terminals being provided on the substrate.
These supply terminals are intended to be connected to a current regulator circuit, for example to an integrated circuit carried by a separate substrate comprising a certain number of such circuits with a view to supplying several modular light elements according to the invention.
It is also impossible to predict that the substrate <EMI ID = 3.1>
several current regulator integrated circuit chips, provided with control inputs, and as many control electrodes, with a bond deposited on the substrate between
each control electrode and a respective one of the control inputs.
For its part, the optical system may simply comprise a magnifying glass or a large number of magnifying glasses, each covering a chip with light-emitting diodes or a small number of them. To which we can add a light filter. _: __,. _ Provision can also be made for the optical system to include a reflector associated with each diode chip and constituted by a metallized cup formed in the substrate and in which each chip is placed.
For a programmable display application, the light emitting diodes connected to the same current regulator circuit are arranged in a pre-established configuration, which provides a controlled display module.
By associating several modular elements of the invention, one constitutes a luminous power assembly.
Two methods of manufacturing the element according to the invention can be used, depending on the type of optical system provided.
If the optical system is made. using magnifying glasses covering the chips, glue is deposited on the substrate,
at the location of each chip, after having deposited the metal interconnections by screen printing on the surface of the substrate. The chips are then glued and threaded. connection are thermocompression welded between the chips and the metal interconnects of the substrate surface.
If the optical system includes reflectors behind the chips, the substrate is fabricated with cuvettes
at the location of each diode, then, the metal interconnections are deposited at the same time as the interior of the cuvettes is metallized (again by screen printing). The diode chips are then put in place and connection wires are soldered between the chips and the interconnections, these wires ensuring the <EMI ID = 4.1>
Other characteristics and advantages of the invention will become apparent on reading the detailed description below, given with reference to the appended drawings. on which ones :
. Figure is the general diagram of a light module of the invention, seen in cross section; . Figure 2 is the corresponding diagram seen from above, optical system removed; . Figure 3 is the electrical diagram of the module of Figures 1 and 2; . Figure 4 illustrates an example application in
<EMI ID = 5.1>. FIG. 5 represents an alternative embodiment of a modular light element; and. Figure 6 shows a cross section of a substrate portion of a light element, with cup reflectors for each diode chip.
In Figure 1, the modular light element comprises a hybrid circuit substrate 1, ceramic or epoxy glass. The upper face of the substrate 1 is covered with a layer of resin 2. On the latter are bonded light-emitting diode chips such as 10 to 19, aligned for example, as well as current regulator integrated circuit chips, such 3. By depositing a special "ink" based on precious metals (platinum, gold, etc.), non-resistive connections 20 to 30 are established between diodes 10 to 19 and the current regulator circuit 3, as well as output electrodes; this ink is baked after deposition on the substrate
and before bonding of the diodes.
In a particular embodiment, the layout of which is given by FIG. 2 and the electrical diagram by FIG. 3, the diodes 10 to 19 are connected in series with each other and with the current regulator circuit 3 by the interconnections 20 to 30. Thus, connection 20 connects the output of the current regulator to the anode of diode 10;
connection 21 connects the cathode of diode 10 to the anode of
<EMI ID = 6.1>
connects the cathode of diode 19 to a common resulting in <EMI ID = 7.1> current regulator circuits, such as 3, are connected to a
<EMI ID = 8.1>
41 may be common for all the regulator circuits, or else, as shown in Figures 2 and 3, a positive pole electrode may be provided for each of them.
It is also possible to use current regulators which separately comprise one or more all-or-nothing control inputs. These will then be connected to individual control electrodes by deposited bonds (not shown).,
<EMI ID = 9.1>
as 5 make it possible to maintain above the substrate an optical system 6, which makes it possible to focus in the desired manner the emission of light from the diodes along a cone 9.
A colored filter can be added thereto, or all or part of the optical system can be mass-colored to define the color of the cone 9 of emitted light.
The optical system 6 can comprise for all the diodes a single magnifying glass or transparent plastic, for example, or a large number of magnifiers or Fresnel lenses, each associated with a light-emitting diode chip, as shown, or else to a small number of them.
The applicant was able, with the means of the invention,
<EMI ID = 10.1>
having a low consumption (polarization current less than 40 mA), one can be satisfied with a * low-cost current regulator to polarize them correctly! *. A el
<EMI ID = 11.1>
it can also be arranged separately, with the circuits producing the DC supply voltages.
In a particular embodiment, the current regulators are produced using voltage regulators associated with a resistor of sufficient value. The diode chips correspond to models MV 5752, MV 5152, MV 5252, sold by MONSANTO; the integrated circuit chips are for example the model MC7824 sold by MOTOROLA and each one supplies <EMI ID = 12.1>
resin layer deposited on the substrate is an epoxy adhesive.
The interconnections are made in platinum-silver ink reference 9770 from Dupont de Nemours. Finally, to prevent them from crossing each other, the hybrid circuit is produced in multilayer form, at least where necessary.
<EMI ID = 13.1>
with its current regulator circuit, a very small surface area, of the order of 40 mm. Such a surface can, at a sufficient distance, be considered as a point. According to another aspect of the invention, groups of diodes are connected in a matrix, so as to be able to control or “address” each of the groups individually, and thus to produce a programmable display. The addressable cell can then consist of a module as described with reference to Figures 1 to 3, or simply of a group of 10 diodes, for example.
An embodiment of this type is illustrated by way of example in FIG. 4. Therein, each square such as
50 corresponds to an addressable cell. Line addressing can be done using the power supply electrodes (41, Figures 2 and 3), and column addressing can be done by the control inputs of the various current regulator circuits, which are connected together on a same column. As a variant, by connecting AND circuits or the like on these control inputs, which are now not linked together, addressing can be carried out only on these inputs.
To achieve the modular light element shown in Figures 1 and 2, the procedure is as follows:
a) metallic interconnections intended to connect the diodes are deposited on the substrate by screen printing using a conductive ink, non-conductive spaces. being left at the place where the stall diode chips will be placed, integrated circuit chips regulators if there is <EMI ID = 14.1> b) the deposited ink is baked; c) a layer of glue is deposited at the location of the chips;
<EMI ID = 15.1> <EMI ID = 16.1> <EMI ID = 17.1> glued gold wires of a few 'microns in diameter which are also connected by welding to the metallic interconnections arriving at these chips; f) the spacers 5 and the optical system 6 are fixed.
In an alternative embodiment shown in Figure 5, the substrate 1 of the modular light element according to the invention does not carry an integrated current regulation circuit; it just carries a lot of chips. diodes
(10, 11, 12, ... 19) all connected in series with the <EMI ID = 18.1>
<EMI ID = 19.1>
Current regulation circuits 3 which are still needed can be provided on a separate substrate
56, and in this case, a single current regulator circuit support substrate is provided to control several modular light elements (as many as there are regulators on this substrate).
This arrangement makes it possible to significantly reduce the manufacturing cost (reduction in the price of the connection elements and reduction in the labor force for making these connections). The current regulating integrated circuits 3 are simply bonded to a printed circuit so as to produce a hybrid unit for supplying the modular light elements.
In order to produce a modular luminous element exhibiting optimum characteristics of light output, provision can be made for the optical system associated with the luminous element to include, in addition to or instead of the magnifying glass (s) placed above the diode chips, individual reflectors associated with each diode chip. These reflecteuis consist of metallized cuvettes formed directly on the surface of the substrate. In each cuvette is placed a light emitting diode. The efficiency is significantly improved because the diodes emit light not only towards the front but also towards the rear (that is to say towards the substrate on which they are laid), and it is good that the part of light ** directed towards the rear is returned towards the front by a reflecting surface.
Figure 6 shows in cross-sections a portion of substrate 1 having cuvettes 60, the interior surface of which is metallized by depositing a conductive ink preferably containing silver. The cuvettes have substantially a spherical cap force to better direct the light
reflected perpendicular to the surface of the substrate.
In this embodiment, the metal interconnections between the diode chips are deposited by screen printing.
conductive ink on the flat parts of the surface
substrate between cuvettes; cuvettes can also
be metallized by screen printing.
It is preferable., Always to improve the performance
<EMI ID = 20.1>
<EMI ID = 21.1>
in the cuvettes and their maintenance in place above them is done thanks to the gold wires which are welded by thermocompression between the chips and the interconnections
<EMI ID = 22.1> .. sticks part of the emitted light.
The invention applies in particular to signaling,
<EMI ID = 23.1>
numbering of buildings, etc. It is for example possible to produce a display with seven segments.
A particularly interesting application is that of traffic lights. Each light includes one or more modules with the appropriate colored filters,
for example in the manner described in French patent application n [deg.] 76 02 276. In this application, and in others, it is very advantageous to produce a pulsed supply of the diodes, for example. described in the
<EMI ID = 24.1>
pulsed regime, the diodes admit a much higher current than in steady state, hence a stronger luminous impression, 9 taking into account retinal persistence. Pulse control is advantageously carried out by the control inputs of the current regulator circuits.
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nescentes for traffic lights or illuminated signs characterized by the fact that they include:
. a hybrid circuit substrate, generally flat, <EMI ID = 27.1> centers fixed on the substrate so as to cover a large part of its surface,. interconnections, deposited on the substrate, between the light-emitting diode chips, comprising two power supply connections connected to electrodes, and. an optical system mounted on the substrate, and cooperating with the light-emitting diode chips.