FR3003081A1 - Support de monte en vitroceramique pour led - Google Patents

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FR3003081A1
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FR1352043A
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Cecile Jousseaume
Arnaud Verger
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Saint Gobain Recherche SA
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Saint Gobain Recherche SA
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Abstract

L'invention se rapporte à Support de monte pour diodes électroluminescentes (LED) caractérisé en ce qu'il comprend et de préférence est constitué essentiellement par des particules minérales et une phase liante vitrocéramique comprenant au moins les oxydes de silicium et d'aluminium et d'au moins un élément choisi parmi le magnésium, le calcium, le strontium ou le baryum, dans lequel le rapport massique entre la phase vitrocéramique et l'ensemble des particules minérales est compris entre 10/90 et 50/50, dans lequel lesdites particules minérales sont constituées dans un matériau dont la conductivité thermique est supérieure à 30 W/m.K et dans lequel le coefficient de dilatation thermique de la vitrocéramique est sensiblement égal à celui desdites particules minérales.

Description

SUPPORT DE MONTE EN VITROCERAMIQUE POUR LED L'invention se rapporte au domaine des supports de monte des diodes électroluminescentes (LED). L'invention peut trouver plus largement son application pour tout support (souvent appelé packaging dans le domaine) nécessitant une bonne extraction de la chaleur dans le domaine de la microélectronique. L'invention se rapporte également au boitier comprenant ledit support et la diode, souvent appelé package dans le domaine. L'éclairage par la technologie LED a connu dans les dernières années de très nombreuses et nouvelles applications. On peut par exemple citer les écrans de télévision, les téléphones portables, les ordinateurs, l'éclairage, etc. Dans toutes ces applications, une très grande luminance de la diode est recherchée, que ce soit lorsque la diode est utilisée pour un éclairage ou lorsque la diode est utilisée pour le rétroéclairage d'écran. L'augmentation de la luminance est cependant accompagnée par une augmentation sensible de la chaleur dégagée par la partie active de la diode, qui incorpore le plus souvent des semi-conducteurs à base de gallium et d'azote (type GaN), de gallium et de phosphore (type GaP) ou encore de gallium et d'arsenic (type GaAs), éventuellement mélangés à d'autres éléments. Cette chaleur, si elle n'est pas évacuée, conduit à une augmentation sensible de la température du système entier et au final à une réduction sensible des performances du système ou même une durée de vie limitée de la diode. Pour obtenir les plus fortes luminances, il est donc nécessaire d'adapter en conséquence les supports de monte des dispositifs LED, en privilégiant en particulier les supports présentant les propriétés de conduction thermique (et donc de dissipation de la chaleur) les plus élevées, qui permettront une évacuation rapide de la chaleur générée. Pour ces raisons, les supports en résines utilisés conventionnellement pour l'électronique sont considérés comme inadaptés, au profit de supports céramiques, par ailleurs bien connus pour leurs propriétés d'isolants électriques et leur grande résistance à la température. Selon une première réalisation connue, il a déjà été décrit l'utilisation de supports de monte en alumine. Ce matériau a le principal avantage d'être très peu cher à mettre en oeuvre mais il présente aussi l'inconvénient majeur d'une faible conductivité thermique, de l'ordre de 15 à 20 W/m.K. Selon une autre réalisation de support, on connait également l'utilisation d'AIN comme matériau constitutif. Ce matériau présente l'avantage d'une bonne conduction thermique (de l'ordre de 70 à 200 W/m.K), propre à résoudre les problèmes d'échauffement de la LED évoquée précédemment. Cependant, son coût élevé limite fortement son utilisation dans les supports de monte. Un autre inconvénient majeur lié à l'utilisation de telles céramiques a trait aux très hautes températures nécessaires pour la formation du substrat. De telles températures nécessitent des équipements spéciaux et une forte dépense énergétique qui augmentent sensiblement les coûts de production. La demande de brevet EP 2 267 799 Al propose d'utiliser de nouveaux substrats obtenus par les techniques dites de « Low temperature Co-fired Ceramic », à partir d'un mélange composite d'une poudre de verre et de grains en céramique choisis parmi l'alumine A1203 ou la zircone Zr02. Selon cette publication, une diminution de la quantité de chaleur transmise au substrat peut être obtenue grâce à la réflexion de la lumière générée par la LED à l'interface entre la composante vitreuse et les particules de zircone ou d'alumine, dont les coefficients de réflexion sont très différents. Comme il est indiqué dans cette demande, le matériau composite alors constitué n'est cependant pas suffisamment conducteur thermique. Il est donc nécessaire de pratiquer dans le substrat des conduits traversants remplis d'une pâte d'argent conductrice pour évacuer la chaleur résiduelle (« puits de chaleur »). Outre le surcoût généré par une telle réalisation, il est indiqué dans ce document des problèmes de protubérance de la pâte d'argent conductrice thermique en dehors des conduits traversants après la cuisson, qui compliquent les connexions électriques entre le support et la diode elle-même. Sans qu'il soit besoin ici de reproduire plus en détail les structures bien connues des dispositifs LED, des exemples de telles structures incorporant des supports de monte en céramique sont notamment décrits dans la demande de brevet U52008/0043444, à laquelle on se réfèrera, notamment figures 8a et 8b et le texte correspondant pour les détails de leur réalisation, ou encore dans la demande de brevet européenne EP 2267799 Al, figure 1, précédemment citée. Bien évidemment la présente invention n'est pas limitée aux dispositifs décrits dans ces publications mais trouve son application dans tout dispositif impliquant l'utilisation d'un support de monte. L'objet de la présente invention est de proposer un support de monte pour diode électroluminescente, permettant de répondre à l'ensemble des problèmes précédemment exposés et présentant notamment : - une conductivité thermique suffisante pour évacuer efficacement la chaleur générée par la LED supportée, - un coût de fabrication faible, dû notamment à l'utilisation de matériaux peu onéreux et dont la température de mise en oeuvre pour la fabrication dudit support est sensiblement plus faible que pour les matériaux céramiques habituels, - Une résistance mécanique acceptable pour l'application, notamment de résistance à la flexion, permettant notamment la manipulation et le travail du substrat sans risque majeur de casse, - Un coefficient de dilatation thermique adapté à celui des autres constituants du dispositif LED (LED package), en particulier adaptable à celui du substrat de croissance. Plus précisément, l'invention se rapporte à un support de monte pour diodes électroluminescentes (LED), caractérisé en ce qu'il comprend et de préférence est constitué essentiellement par des particules minérales et une phase liante vitrocéramique comprenant au moins les oxydes de silicium et d'aluminium et au moins un élément choisi parmi le magnésium, le calcium, le strontium ou le baryum, dans lequel le rapport massique entre la phase vitrocéramique et l'ensemble des particules minérales est compris entre 10/90 et 50/50, dans lequel lesdites particules minérales sont constituées dans un matériau dont la conductivité thermique est supérieure à 30 W/m.K, de préférence supérieure à 50 W/m.K (W -m-1 .K-1) , de préférence encore supérieure à 70 W/m.K et dans lequel le coefficient de dilatation thermique de la vitrocéramique est sensiblement égal à celui desdites particules minérales. Au sens de la présente invention, la conductivité thermique, exprimée de façon classique en W -m-1 .K-1, est celle décrite dans la littérature pour les matériaux solides ou alternativement telle que déterminée selon les principes donnés dans la norme ASTM E1225-09, à la pression et à la température normales (P = 1 atmosphère, T = 300 K). Le coefficient de dilatation thermique linéaire (en K-1), s'entend de la variation moyenne de l'élongation relative du matériau A1/1 par rapport à la variation de température qu'il subit, plus particulièrement dans le domaine d'utilisation du support (c'est-à-dire entre 300K et 500K). Le coefficient de dilatation thermique linéaire entre 2 températures To et Ti s'entend ainsi par le rapport, ramené à l'unité de longueur, de l'allongement de l'échantillon (A1/1) à la variation de température correspondante. Par sensiblement égal, on entend que le coefficient de dilatation thermique de la vitrocéramique ne diffère pas de plus de 20%, de préférence ne diffère pas de plus de 10%, de celui des particules minérales, les deux coefficients étant bien évidemment mesurés dans les mêmes conditions. Des modes de réalisations préférés de l'invention sont donnés ci-après, qui peuvent bien évidemment le cas échéant être combinés entre eux : - Ladite phase liante vitrocéramique comprend au moins les constituants suivants, en pourcentage molaire de la totalité des oxydes présents dans ladite phase : Si02 : de 30% à 80%, A1203 : de 10% à 45%, MO : de 10% à 40%, MO représentant un oxyde d'un cation divalent ou la somme des oxydes des cations divalents présents dans ladite phase vitrocéramique, M étant de préférence choisi parmi Ca, Ba, Mg ou Sr. - La phase vitrocéramique comprend entre 40 et 60 % molaire de Si02, de préférence entre 45 et 55% molaire de Si02. - La phase vitrocéramique comprend entre 15 et 30% molaire d'Al203. - La phase vitrocéramique comprend entre 5 et 20% molaire de CaO. - La phase vitrocéramique comprend entre 5 et 20% molaire de BaO. - La phase vitrocéramique comprend entre 1 et 5% molaire d'un oxyde de zirconium, de titane ou d'un oxyde de zirconium et de titane. - La phase vitrocéramique comprend en outre entre 1 et 5 % molaire d'oxyde de bore. - Le rapport massique entre la phase vitrocéramique et les particules minérales est compris entre 15/85 et 30/70. - Ladite phase liante vitrocéramique comprend au moins les constituants suivants, en pourcentage molaire de la totalité des oxydes présents dans ladite phase : Si02 : de 40% à 55%, A1203 : de 15% à 30%, CaO : de 5 à 15%, MO : de 5 à 20%, avec M = Ba et/ou Sr, de préférence M = Ba, - B203 : de 1 à 5%, - Zr02 : de 1 à 5%. - La phase vitrocéramique cristallise dans la structure Anorthite Celsian. - Les particules minérales sont constituées d'un matériau choisi dans le groupe constitué par le carbure de silicium, le nitrure d'aluminium, le nitrure de bore, en particulier hexagonal. - Le support de monte comprend en outre des contacteurs métalliques pour la connexion avec la diode. - Le support de monte est recouvert d'une couche supérieure en vitrocéramique. - Le support de monte est recouvert d'une couche métallique réfléchissant le rayonnement de la LED. - Le boitier pour diodes électroluminescentes comprenant une diode électroluminescente montée sur un support tel que décrit précédent. Pour illustrer l'invention et ses avantages on décrit par la suite un mode de réalisation préféré de préparation et de mise en oeuvre d'un support selon l'invention. Il est bien entendu que ce mode ne doit pas être considéré, sous aucun des aspects décrits, comme limitatif de la présente invention. Selon une première étape de préparation d'un substrat selon l'invention, on synthétise une poudre de verre précurseur de la vitrocéramique par la méthode classique de fusion d'un mélange de matières premières suivie d'une trempe à l'eau. Le verre granulé à l'eau est ensuite finement broyé de telle façon que sa granulométrie soit inférieure à 40 pm, jusqu'à l'obtention d'un diamètre médian d50 de la poudre de l'ordre de 10-12 pm, telle que mesurée par granulométrie laser. Un exemple de formulation de vitrocéramique selon l'invention, adapté à l'utilisation de particules de SiC, est choisi dans le système Ba0-Ca0-A1203-5i02. Les matières premières sont fondues dans des proportions calculées de telle façon que la composition du verre réponde à la formulation suivante : - en pourcentage massique des oxydes : 34% Si02/ 29% A1203/ 22% BaO/ 8% CaO/ 4% Zr02/ 3% B203 - en pourcentage molaire : 47% Si02/ 23% A1203/ 12% BaO/ 12% CaO/ 3% Zr02/ 4% B203 La vitrocéramique obtenue à partir de cette formulation cristallise selon les types structuraux anorthite (CaAl2Si208) et celsian (BaAl2Si208). Le verre broyé est ensuite mélangé à des grains de carbure de silicium SiC alpha de granulométrie 23 micromètres dans les proportions massiques 20/80 (80 parties de SiC pour 20 parties de verre) pour former une poudre initiale. La préparation des feuillets est mise en oeuvre par un procédé dit « tape casting », notamment en utilisant les techniques décrites plus en détail dans le brevet US5683529, à partir du mélange de la poudre avec des liants et du liquide. Le liant est constitué par un mélange de : - une résine à base de polyvinylbutyral, - un plastifiant du type Butyl Benzyl Phthalate, - une huile organique constituée de glycérides d'acides gras. Le liquide est un mélange d'éthanol et d'acétone dans des proportions volumiques respectives 70-30. Les proportions massiques respectives des différents constituants utilisées sont décrites ci-dessous : ratio résine/ (poudre + résine) = 12,6%, ratio liant / (poudre + liant) = 78,8%, ratio liquide / (poudre + liant) = 51,1%. Des feuillets crus de 150pm d'épaisseur sont ainsi préparés. Les feuillets comprenant le mélange SiC/ verre sont empilés les uns sur les autres selon les techniques LTCC décrites dans la publication « Multilayered Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) Technology, Yoshihiko Imanaka, Fujitsu Laboratories Ltd, Japan, Springer. L'empilement des feuillets crus se fait jusqu'à atteindre l'épaisseur finale désirée pour le support de monte des LED. Des connecteurs métalliques sont insérés et arrangés entre les différents feuillets afin d'établir la future connexion électrique avec la LED. Un premier cycle de traitement thermique comprenant une montée en température jusqu'à une température finale comprise entre 400 à 600°C et selon un gradient compris entre 1 et 10 K/min, suivant d'un palier de 20 minutes à 1 heure, est ensuite appliqué à l'empilement cru afin d'éliminer les composés organiques utilisés pour la préparation des feuillets selon les techniques précédemment exposées. Selon l'invention, et si nécessaire, en particulier en fonction de la configuration de la LED et des couches déposées en surface du support, un feuillet constitué uniquement d'une poudre de verre peut être finalement déposé sur l'empilement de feuillets composites SiC/vitrocéramique afin que celui-ci présente une surface plus réflective. L'empilement est déposé sur un support en alumine pendant l'opération de cuisson. Les paramètres du traitement thermique sont déterminés par des analyses thermiques effectuées préalablement sur le verre précurseur de la vitrocéramique, pour vérifier que la matrice vitreuse puisse enrober, coller les grains de SiC et cristalliser fortement. Le taux de cristallinité de la vitrocéramique est en particulier selon l'invention de préférence supérieur à 60%. Le traitement thermique ainsi déterminé pour la composition décrite précédemment est le suivant : - montée en température à 5K/min jusqu'à 450°C, - palier de 30 minutes à 450°C, - montée en température à 5K/min jusque 1300°C, - palier de 1 heure à 1300°C, - refroidissement à 5K/min jusqu'à l'ambiante. La mesure de conductivité thermique sur le substrat ainsi obtenu par l'empilement des feuillets SiC/vitrocéramique ainsi réalisé est de l'ordre de 70 W/mK. En fonction de la pureté, de la taille et de la quantité de grains de SiC dans le matériau composite, des conductivités thermiques de l'ordre de 100 W/mK peuvent être atteintes, proches de celles obtenues pour le nitrure d'aluminium. Le coefficient de dilatation thermique de la vitrocéramique est proche de celui du SiC et de l'ordre de 4,5.10-6/K. Un tel coefficient du matériau composite apparaît particulièrement bien adapté pour son utilisation comme support d'une LED à base de nitrure de gallium GaN ou de phosphate de gallium GaP voire éventuellement de GaAs. Le matériau ainsi réalisé, grâce en particulier aux propriétés intrinsèques de la vitrocéramique, se caractérise en outre par une très bonne cohésion des grains de SiC les uns aux autres. La structure composite ainsi réalisée permet au final d'atteindre des valeurs de résistance à la flexion inférieure à celles des autres matériaux frittés déjà utilisés dans l'application en cause (A1203, AIN) mais néanmoins suffisantes pour une utilisation en tant que support de monte des LED, et ce pour des températures de fabrication beaucoup plus faibles (en général au moins inférieures de 300°). Comme indiqué précédemment, en fonction de la nature de la LED, en particulier si l'application d'un revêtement métallique, par exemple de type tungstène, est envisagé à la surface du support pour en augmenter la réflectivité, un revêtement fortement réfléchissant en surface peut être préféré. Dans ce cas, un feuillet de vitrocéramique « seule » de même composition que précédemment décrit, peut être déposé en surface de l'empilement composite vitrocéramique/SiC déjà réalisé. Les conditions du traitement thermique appliquées finalement sur le substrat multi-feuillets précédent sont les suivantes : 5K/min jusqu'à 450°C, palier de 30 minutes à 450°C, 5K/min jusqu'à 945°C, palier de 2 heures à 945°C, 5K/min jusqu'à 1100°C, palier de 2 heures à 1100°C, refroidissement à 5K/min jusqu'à l'ambiante.

Claims (16)

  1. REVENDICATIONS1. Support de monte pour diodes électroluminescentes (LED) caractérisé en ce qu'il comprend des particules minérales et une phase liante vitrocéramique comprenant au moins les oxydes de silicium et d'aluminium et au moins un élément choisi parmi le magnésium, le calcium, le strontium ou le baryum, dans lequel le rapport massique entre la phase vitrocéramique et l'ensemble des particules minérales est compris entre 10/90 et 50/50, dans lequel lesdites particules minérales sont constituées dans un matériau dont la conductivité thermique est supérieure à 30 W/m.K, et dans lequel le coefficient de dilatation thermique de la vitrocéramique est sensiblement égal à celui desdites particules minérales.
  2. 2. Support selon la revendication 1, dans lequel ladite phase liante vitrocéramique comprend au moins les constituants suivants, en pourcentage molaire de la totalité des oxydes présents dans ladite phase: -5i02 : de 30% à 80%, -A1203 : de 10% à 45%, -MO : de 10% à 40%, MO représentant un oxyde d'un cation divalent ou la somme des oxydes des cations divalents présents dans ladite phase vitrocéramique, M étant de préférence choisi parmi Ca, Ba, Mg ou Sr.
  3. 3. Support selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la phase vitrocéramique comprend entre 40 et 60 % molaire de 5i02, de préférence entre 45 et 55% molaire de Si02.
  4. 4. Support selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la phase vitrocéramique comprend entre 15 et 30% molaire d'A1203.
  5. 5. Support selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la phase vitrocéramique comprend entre 5 et 20% molaire de CaO.
  6. 6. Support selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la phase vitrocéramique comprend entre 5 et 20% molaire de BaO.
  7. 7. Support selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la phase vitrocéramique comprend entre 1 et 5% molaire d'un oxyde de zirconium, de titane ou d'un oxyde de zirconium et de titane.
  8. 8. Support selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la phase vitrocéramique comprend en outre entre 1 et 5 % molaire d'oxyde de bore.
  9. 9. Support selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le rapport massique entre la phase vitrocéramique et les particules minérales est compris entre 15/85 et 30/70.
  10. 10. Support selon la revendication 1, dans lequel ladite phase liante vitrocéramique comprend au moins les constituants suivants, en pourcentage molaire de la totalité des oxydes présents dans ladite phase: - 5i02 : de 40% à 55% - A1203 : de 15% à 30% - CaO : de 5 à 15% - MO : de 5 à 20%, avec M = Ba et/ou Sr, de préférence M = Ba- B203 : de 1 à 5% - Zr02 : de 1 à 5%.
  11. 11. Support selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la phase vitrocéramique cristallise dans les structures Anorthite et Celsian.
  12. 12. Support selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les particules minérales sont constituées d'un matériau choisi dans le groupe constitué par le carbure de silicium, le nitrure d'aluminium, le nitrure de bore, en particulier hexagonal.
  13. 13. Support de monte selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre des contacteurs métalliques pour la connexion avec la diode.
  14. 14. Support de monte selon l'une des revendications précédentes, recouvert d'une couche supérieure en vitrocéramique.
  15. 15. Support de monte selon l'une des revendications précédentes, recouvert d'une couche métallique réfléchissant le rayonnement de la LED.
  16. 16. Boitier pour diodes électroluminescentes comprenant une diode électroluminescente montée sur un support tel que décrit dans l'une des revendications précédentes.
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