FR3055945B1 - Procede de montage de composants matriciels a elements semi-conducteurs electroluminescents pour realiser une source lumineuse pour un vehicule automobile - Google Patents

Procede de montage de composants matriciels a elements semi-conducteurs electroluminescents pour realiser une source lumineuse pour un vehicule automobile Download PDF

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Abstract

L'invention propose un procédé d'assemblage d'une source lumineuse pour un véhicule automobile, la face lumineuse de la source comprenant au moins deux zones prédéterminées distinctes (A, B) et la source étant composée d'une pluralité de composants lumineux. Chacun des composants lumineux comprend un substrat, sur lequel sont épitaxiés sous la forme d'une matrice des éléments semi-conducteurs électroluminescents à dimensions submillimétriques. Le procédé permet de placer les composants matriciels lumineux monolithiques selon des contraintes imposées par les zones (A, B). Le procédé permet en particulier d'utiliser des composants matriciels lumineux monolithiques malgré des défauts éventuels au niveau d'un sous-ensemble leurs éléments semi-conducteurs électroluminescents.

Description

PROCÉDÉ DE MONTAGE DE COMPOSANTS MATRICIELS À ÉLÉMENTS SEMI-CONDUCTEURS ÉLECTROLUMINESCENTS POUR RÉALISER UNE SOURCE LUMINEUSE POUR UN VÉHICULE AUTOMOBILE L’invention a trait au domaine des composants lumineux pour l’utilisation dans des modules lumineux pour véhicules automobiles. En particulier, l’invention se rapporte au montage de de composants comprenant un arrangement de plusieurs sources élémentaires à semi-conducteurs électroluminescents, arrangés en forme de matrice, pour réaliser une source lumineuse composite. L’utilisation de diodes électroluminescentes, LED, à consommation d’énergie généralement faible, est de plus en plus préconisée dans le domaine des véhicules automobiles, afin de réaliser des fonctions lumineuses telles que les feux diurnes, feux de signalisation, ou par exemple les feux indicateurs de direction. Une LED émet de la lumière lorsqu’une tension de charge ayant au moins une valeur prédéterminée est appliquée à ces bornes. L’intensité de la lumière émise par une LED est en général une fonction de l’intensité du courant de charge qui la traverse.
Dans le domaine des dispositifs lumineux pour véhicules automobiles, il est connu d’avoir recours à des modules impliquant une pluralité de LEDs montées en forme d’une matrice généralement rectangulaire. Chaque LED est une source lumineuse élémentaire qui est avantageusement pilotée en courant électrique de manière individuelle et indépendamment des autres LEDs de la matrice. De fait, chaque LED peut être considérée comme représentant un pixel d’une plage rectangulaire, dont l’intensité lumineuse peut être déterminée selon les besoins de l’application visée. Lorsque toutes les LEDs d’un tel module émettent de la lumière de manière uniforme, le module peut être assimilé à une source réalisant une empreinte optique généralement rectangulaire. Cependant, en alimentant de manière sélective des sous-ensembles de pixels, il devient possible de créer des empreintes optiques présentant des géométries diverses. A titre exemplaire, une telle configuration permet de réaliser un feu avant qui n’éblouit pas le trafic croisant, en baissant de manière sélective la luminosité uniquement des pixels qui illuminent le côté central ou gauche de la route, tout en illuminant de manière substantielle le côté droit de la route. Evidemment des configurations plus complexes sont également réalisables à l’aide de tels dispositifs.
De manière connue, la production de composant LED connaît un rendement qui est nettement moindre que 100%. Ceci est dû aux procédés de production de jonctions électroluminescentes, qui sont limités par des paramètres intrinsèques. Traditionnellement, chaque LED produite est testée et attribuée à un « bac » ou « bin » prédéterminé, en accord avec ses caractéristiques électriques et lumineuses, qui ne peuvent être déterminées qu’après sa production. Pour la provision de matrices de LEDs, des LED du même bin sont de manière connue utilisées afin de garantir une qualité uniforme et un fonctionnement adéquat de l’ensemble de la matrice.
Une matrice de sources lumineuses à éléments semi-conducteur électroluminescents peut également être réalisée par un composant lumineux dit « monolithique ». Un tel composant implique une pluralité d’éléments semi-conducteurs électroluminescents épitaxiés directement sur un substrat commun, le substrat étant généralement formé de silicium. A l’opposé de matrices de LEDs conventionnelles, dans lesquelles chaque source lumineuse élémentaire est un composant électronique produit de manière individuelle et monté sur un substrat tel qu’un circuit imprimé, PCB, un composant monolithique est à considérer comme un composant électronique unique, lors de la production duquel plusieurs plages de jonctions semi-conductrices électroluminescentes sont générées sur un substrat commun, sous forme d’une matrice. Cette technique de production permet de réaliser des plages électroluminescentes, faisant chacune office de source lumineuse élémentaire, très rapprochées les unes des autres. Les interstices entre les sources élémentaires peuvent présenter des dimensions submillimétriques. Un avantage de cette technique de production est le niveau élevé de la densité de pixels qui peut en résulter sur un substrat unique. Cependant, comme pour des composants LEDs classiques, il se peut que la totalité des sources lumineuses élémentaires épitaxiées sur un même composant ne présente pas des caractéristiques électriques et/ou lumineuses uniformes après production. Contrairement aux matrices de LEDs classiques, une source élémentaire défectueuse ou qui ne respecte pas des valeurs de tolérance prédéterminées, ne peut pas être remplacée, puisqu’elle fait partie intégrante d’un même composant électronique. De manière connue, un composant monolithique à sources élémentaires défectueuses est considéré comme inutilisable. Ceci engendre des coûts de productions élevés puisque le rendement de production s’en voit largement réduit. L’invention a pour objectif de pallier au moins un des problèmes posés par l’art antérieur. En particulier, l’invention a pour objectif un procédé de placement de composants lumineux matriciels monolithiques à sources électroluminescentes élémentaires dans une source lumineuse composite, qui permet l’utilisation d’un nombre important de tels composants même si des sources élémentaires des composants peuvent être défectueux, tout en respectant des consignes réglementaires que la source lumineuse composite doit respecter. L’invention a pour objet un procédé d’assemblage d’une source lumineuse pour un véhicule automobile, la face lumineuse de la source comprenant au moins deux zones prédéterminées distinctes et la source étant composée d’une pluralité de composants lumineux. Chacun des composants lumineux comprend un substrat, sur lequel sont épitaxiés sous la forme d’une matrice des éléments semi-conducteurs électroluminescents à dimensions submillimétriques. Le procédé est remarquable en ce qu’il comprend les étapes suivantes : identifier, pour chacun des composants lumineux, à l’aide de moyens de caractérisation électriques et/ou optiques, la présence et la position d’éléments semi-conducteurs défectueux sur le substrat du composant lumineux ; assembler, à l’aide de moyens d’assemblage, la source lumineuse en positionnant les composants lumineux de sorte à ce que le nombre d’éléments semi-conducteurs défectueux qui se retrouvent dans une première zone prédéterminée soit minimisé. L’épitaxie est une technique de croissance orientée de cristaux communément utilisée pour créer des jonctions semi-conductrices.
De préférence, un élément semi-conducteur peut être identifié comme défectueux si ses propriétés électriques et/ou lumineuses ne correspondent pas à des plages de valeurs prédéterminées.
De préférence, un élément semi-conducteur peut être identifié comme non-défectueux si ses propriétés électriques et/ou lumineuses correspondent à des plages de valeurs prédéterminées.
Les propriétés électriques et/ou lumineuses considérées peuvent de préférence comprendre le courant de fuite d’un élément semi-conducteur, la couleur de la lumière émise, la luminance et le contraste par rapport à d’autres éléments semi-conducteurs du composant lumineux.
Le placement d’un composant lumineux peut préférentiellement être réalisé en considérant des rotations éventuelles du composant lumineux, afin de limiter le nombre d’éléments semi-conducteurs défectueux qui se retrouvent dans la première zone prédéterminée.
De préférence, une telle rotation du composant lumineux peut être identifiée et réalisée avant de placer le composant lumineux de manière à limiter le nombre d’éléments semi-conducteurs défectueux qui se retrouvent dans la première zone prédéterminée.
Au moins une des dimensions de la matrice d’un composant lumineux peut de préférence correspondre à une fraction entière d’une étendue d’une des zones prédéterminées de la source lumineuse.
La première zone prédéterminée peut préférentiellement requérir la présence d’éléments semi-conducteurs sans défauts.
De manière préférentielle, la première zone prédéterminée peut se situer dans une zone centrale de la face d’émission lumineuse de la source lumineuse.
De préférence, les moyens d’assemblage peuvent comprendre un robot configuré pour sélectionner et placer des composants électroniques dans un emplacement prédéterminé. L’emplacement prédéterminé peut de préférence être le substrat d’un circuit imprimé. L’invention a également pour objet une source lumineuse pour un véhicule automobile. La face lumineuse de la source comprend au moins deux zones prédéterminées distinctes et la source est composée d’une pluralité de composants lumineux, chacun des composants lumineux comprenant un substrat, sur lequel sont épitaxiés sous la forme d’une matrice des éléments semi-conducteurs électroluminescents à dimensions submillimétriques. La source lumineuse est remarquable en ce qu’elle est assemblée moyennant un procédé d’assemblage conforme à l’invention. L’invention permet d’utiliser une multitude de composants matriciels monolithiques à sources élémentaires électroluminescentes, qui, sans l’application du procédé selon l’invention, seraient déclassés et non-utilisés. L’invention permet ainsi d’augmenter le rendement de production de tels composants et de réduire les coûts de productions par composant utilisable. La plage lumineuse réalisée par une source lumineuse composée d’une pluralité de composants matriciels peut être partagée en une pluralité de zones, chaque zone ayant des contraintes particulières différentes les unes des autres. L’invention permet d’utiliser des composants matriciels monolithiques qui présentent un nombre prédéterminé de défauts prédéfinis dans des zones qui présentent des contraintes associées moins strictes, tandis que les zones à contraintes plus strictes sont pourvues de composants matriciels monolithiques sans défauts ou avec un nombre de défauts moindre. Ainsi, le procédé selon l’invention permet d’assembler des sources lumineuses composites dont les différentes zones de la plage lumineuse respectent toutes les contraintes réglementaires, tout en utilisant un maximum de composants matriciels monolithiques issus d’un cycle de production. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l’aide de la description exemplaire et des dessins parmi lesquels : la figure 1 montre une vue de face de la face émettrice d’un composant matriciel monolithique à 8x4 sources lumineuses électroluminescentes ; la figure 2 montre un vue de face de la face émettrice d’une source lumineuse composite, composée de 4x3 composants tels que celui illustré par la figure 1, la source lumineuse composite étant issue d’un procédé d’assemblage selon un mode de réalisation préférentiel de l’invention.
Sauf indication spécifique du contraire, des caractéristiques techniques décrites en détails pour un mode de réalisation donné peuvent être combinées aux caractéristiques techniques décrites dans le contexte d’autres modes de réalisation décrits à titre exemplaire et non limitatif.
La figure 1 montre une vue frontale de la surface émettrice d’un composant matriciel lumineux monolithique 120 comprenant douze sources lumineuses élémentaires arrangées selon trois rangées de quatre sources. Evidemment, le composant lumineux matriciel monolithique peut être carré ou avoir des dimensions différentes sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. Les sources lumineuses élémentaires présentent des dimensions submillimétriques et comprennent des jonctions électroluminescentes épitaxiées sur un substrat commun, typiquement en silicium. Il s’agit donc de diodes électroluminescentes qui ont été produites directement sur le substrat, et non pas de composants LEDs dédiés placés sur un substrat après production. Il s’ensuit qu’aucune des sources lumineuses élémentaires ne peut être remplacée après la production du composant 120. De manière généralement connue, chaque source élémentaire ou pixel peut être alimenté en courant électrique de manière indépendante et sélective, moyennant un dispositif de pilotage de l’alimentation électrique du composant et un câblage approprié. Ces dispositions étant en soi bien connues dans l’art, elles ne seront pas expliquées en détails dans la présente description, puisqu’elles ne font pas partie de l’objet de l’invention.
Dans l’exemple montré, le composant matriciel lumineux monolithique 120 comprend une pluralité de sources élémentaires ou pixels sans défauts 122, et un pixel 121 présentant un défaut. Un défaut est déterminé par la conformité par rapport à des rangées de paramètres prédéterminées. Ainsi, une source élémentaire est déclarée défectueuse si son courant de fuite est supérieur à une valeur prédéterminée, ou si la couleur de la lumière émise ne respecte pas une rangée de valeurs déterminées, ou bien si sa luminosité ne correspond pas à une plage de valeurs prédéterminée. D’autres paramètres sont envisageables et la définition d’un « défaut » dépend en général de l’application optique visée, certaines applications ayant des tolérances moins strictes que d’autres.
Les paramètres considérés pour la définition d’un défaut sont évalués à l’aide de moyens et de dispositifs en soi connus dans l’art, aptes à mesurer le courant de fuite d’une jonction semi-conductrice ou par exemple à mesurer la luminosité d’une source lumineuse.
La figure 2 montre une vue frontale de la surface émettrice d’une source lumineuse 100 d’un véhicule automobile, la source lumineuse étant composée d’une pluralité de composants matriciels lumineux monolithiques tels que celui illustré par la figure 1. La composition de la source lumineuse 100 est le résultat du procédé conforme à l’invention. Ainsi, la source lumineuse comprend des composants matriciels lumineux monolithiques 101, 103, 104, 109, 111 qui présentent des défauts, et des composants matriciels lumineux monolithiques 102, 105, 106, 107, 108, 110 sans défaut.
Dans l’exemple de la figure 2, la source lumineuse 100 présente une première zone centrale A, et une deuxième zone périphérique B. Les deux zones présentent des contraintes différentes. Ces contraintes peuvent par exemple être déterminées par la réglementation en rigueur pour une fonction lumineuse donnée. Il s’agit par exemple de contraintes par rapport à la luminosité fournie par l’ensemble d’une zone. Chaque contrainte est avantageusement traduite en un nombre de sources élémentaires qui peuvent y être placées.
Dans l’exemple montré, la zone centrale A ne tolère aucun défaut et comprend soit des composants matriciels lumineux monolithiques 106, 107 sans défauts, soit des parties de composants matriciels lumineux monolithiques 103, 104, 111 qui présentent de défauts, mais le placement de ces composants étant tel que les défauts ne sont pas localisés dans la zone A. La zone B permet le placement de sources élémentaires à défauts. Le placement des composants matriciels lumineux monolithiques selon l’invention est tel que les contraintes soient respectées pour chaque zone et qu’en particulier le nombre de sources élémentaires défectueuses présentes dans une des zones soit minimisé.
Bien que deux zones soient montrées, il va de soi qu’une pluralité plus importante de zones, chacune ayant des contraintes différentes, peut être envisagée sans pour autant sortir du cadre de la présente invention.
Selon un mode de réalisation préférentiel de l’invention, des moyens de caractérisation électriques et/ou optiques sont utilisés pour déterminer la présence et la position d’éléments semi-conducteurs défectueux sur chaque composant matriciel lumineux monolithique 101-112. Une solution au problème d’optimisation visant à satisfaire les contraintes liées aux zones A et B étant donné la position des éléments semi-conducteurs défectueux est ensuite calculée moyennant un ordinateur programmé à cet effet, ayant par exemple recours à des techniques de recherche opérationnelle connues dans l’art.
Le résultat fournit une disposition de chacun des composants matriciels lumineux monolithiques 101-112, incluant le cas échéant des rotations à 90, 180 ou 270 degrés des composants, par rapport aux zones A et B respectivement. Ce résultat est fourni à des moyens d’assemblage, comprenant par exemple un robot de type « pick & place », adapté à placer chacun des composants 101-112 à l’emplacement ainsi déterminé sur un circuit imprimé.
Avantageusement, au moins une dimension d’un composant matriciel lumineux monolithique correspond à une fraction entière d’une étendue d’une des zones prédéterminées de la source lumineuse composite, ce qui facilite par exemple le placement de composants matriciels lumineux monolithiques entiers dans une zone spécifique. Evidemment, des composants matriciels lumineux monolithiques à dimensions différentes peuvent être utilisés pour réaliser une source composite selon le même procédé.

Claims (8)

  1. Revendications
    1. Procédé d’assemblage d’une source lumineuse (100) pour un véhicule automobile, la face lumineuse de la source comprenant au moins deux zones prédéterminées distinctes (A, B) et la source étant composée d’une pluralité de composants lumineux (120; 101-112), chacun des composants lumineux comprenant un substrat, sur lequel sont épitaxiés sous la forme d’une matrice des éléments semi-conducteurs électroluminescents à dimensions submillimétriques (121, 122), le procédé comprenant les étapes suivantes : identifier, pour chacun des composants lumineux (120 ; 101-112), à l’aide de moyens de caractérisation électriques et/ou optiques, la présence et la position d’éléments semi-conducteurs défectueux (121) sur le substrat du composant lumineux ; assembler, à l’aide de moyens d’assemblage, la source lumineuse (100) en positionnant les composants lumineux (101-112) de sorte que le nombre d’éléments semi-conducteurs défectueux qui se retrouvent dans une première zone prédéterminée (A) soit minimisé.
  2. 2. Procédé d’assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’un élément semi-conducteur est identifié comme défectueux si ses propriétés électriques et/ou lumineuses ne correspondent pas à des plages de valeurs prédéterminées.
  3. 3. Procédé d’assemblage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les propriétés électriques et/ou lumineuses considérées comprennent le courant de fuite d’un élément semi-conducteur, la couleur de la lumière émise, la luminance et le contraste par rapport à d’autres éléments semi-conducteurs du composant lumineux.
  4. 4. Procédé d’assemblage selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le placement d’un composant lumineux est réalisé en considérant des rotations éventuelles du composant lumineux, afin de limiter le nombre d’éléments semi-conducteurs défectueux qui se retrouvent dans la première zone prédéterminée.
  5. 5. Procédé d’assemblage selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’au moins une des dimensions de la matrice d’un composant lumineux correspond à une fraction entière d’une étendue d’une des zones prédéterminées de ia source lumineuse.
  6. 6. Procédé d’assemblage selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la première zone prédéterminée requiert la présence d’éléments semi-conducteurs sans défaut.
  7. 7. Procédé d’assemblage selon une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première zone prédéterminée se situe dans une zone centrale de la face d’émission lumineuse de la source lumineuse.
  8. 8. Procédé d’assemblage selon une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens d’assemblage comprennent un robot configuré pour sélectionner et placer des composants électroniques dans un emplacement prédéterminé.
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