LU81269A1 - LIGHT MODULE IN HYBRID CIRCUIT WITH LIGHT EMITTING DIODES - Google Patents
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Description
1 L’invention concerne les sources lumineuses.1 The invention relates to light sources.
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 5 de vie raisonnable, le rendement reste inférieur à 0,1 Candela par Watt électrique consommé.Incandescent lamps, which provide great services for power lighting, nevertheless have a low efficiency: if one wishes to keep them a reasonable lifetime, the efficiency remains below 0.1 Candela per Watt electric consumed .
On sait que le.s diodes électroluminescentes ont un rendement supérieur, qui peut atteindre 10 Candelaspar Watt, avec une durée de vie bien plus longue, chiffrable en centaines •10,' de milliers d’heures. Mais elles n’ont pas été utilisées beau-• coup 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.We know that the light emitting diodes have a higher efficiency, which can reach 10 Candelas per Watt, with a much longer lifespan, quantifiable in hundreds • 10, 'of thousands of hours. However, they have not been used a lot so far to obtain low and medium intensity lighting, both because of their poor individual lighting (2 to 10 millicandelas) and for reasons of price.
La présente invention vient permettre une telle uti- 15 lisation.The present invention allows such use.
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 20 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 25 électroluminescentes.According to the invention, a modular light element with light-emitting diodes is provided, which comprises a hybrid circuit substrate, generally planar, 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 supply connections connected to electrodes, and an optical system produced on the substrate, cooperating with the light-emitting diode chips.
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.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 .
30 Avantageusement, les interconnexions réalisent un branchement en série des puces de diodes entre elles, deux ’ bornes d’alimentation seulement étant prévues sur le substrat.Advantageously, the interconnections make a series connection of the diode chips to one another, only two supply terminals being provided on the substrate.
‘ Ces bornes d'alimentation sont destinées à être con nectées à un circuit régulateur de courant, par exemple à un 35 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.These power 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 number of such circuits in order to power several modular light elements according to the invention.
Il est impossible aussi de prévoir que le substrat 2 * porte non seulement les puces de diodes mais aussi une ou 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 5 chaque électrode de commande et l'une, respective, des entrées de commande*It is also impossible to provide for the substrate 2 * carrying not only the diode chips but also one or more chips of integrated current regulator circuits, provided with control inputs, and as many control electrodes, with a deposited link. on the substrate between 5 each control electrode and one, respectively, of the control inputs *
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 '10 > petit nombre d'entre elles. A quoi l'on peut ajouter un filtre • de lumière.For its part, the optical system can simply comprise a magnifying glass or a large number of magnifying glasses, each covering a chip of light-emitting diodes or a small number of them. To which we can add a light filter.
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 15 vient se poser chaque puce.Provision may also be made for the optical system to comprise a reflector associated with each diode chip and consisting of a metallized cup formed in the substrate and in which each chip lands.
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.For a programmable display application, the light-emitting diodes connected to the same current regulator circuit are arranged in a preset configuration, which provides a controlled display module.
20 En associant plusieurs éléments modulaires de l'in vention, on constitue un ensemble lumineux de puissance.20 By combining several modular elements of the invention, a luminous power assembly is formed.
Deux procédés de fabrication de l'élément selon l'invention peuvent être utilisés, selon le type de système optique prévu.Two methods of manufacturing the element according to the invention can be used, depending on the type of optical system provided.
25 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 50 soudés par thermocompression entre les puces et les interconnexions métalliques de la surface du substrat.If the optical system consists of magnifying glasses covering the chips, glue is deposited on the substrate, at the location of each chip, after having deposited the metal interconnects by screen printing on the surface of the substrate. The chips are then glued and connection wires are thermocompressed between the chips and the metal interconnects of the surface of the substrate.
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 métal-35 liques 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 . 3 » >* maintien en place des puces.If the optical system includes reflectors behind the chips, the substrate is made with cuvettes at the location of each diode, then the metal interconnects are deposited at the same time as the interior of the cuvettes is metallized (by screen printing again). The diode chips are then put in place and connection wires are soldered between the chips and the interconnections, these wires ensuring the. 3 »> * holding the chips in place.
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 : 5 * La Figure 1 est le schéma général d’un module lumi neux 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 * 10 . Figures 1 et 2 ; • La Figure 4 illustre un exemple d'appliation en afficheur programmable ; . La Figure 5 représente une variante de réalisation d'un élément lumineux modulaire ; et 15 .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.Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the detailed description below, made with reference to the appended drawings, in which: 5 * Figure 1 is the general diagram of a light module of the invention, cross-sectional view; . Figure 2 is the corresponding diagram seen from above, optical system removed; • Figure 3 is the electrical diagram of the * 10 module. Figures 1 and 2; • Figure 4 illustrates an example of application in a programmable display; . Figure 5 shows an alternative embodiment of a modular light element; and 15. Figure 6 shows a section of a portion of the substrate of a light element, with dish reflectors for each diode chip.
Sur la Figure 1, l'élément lumineux modulaire comporte un substrat de circuit hybride 1, en céramique ou en verre 20 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 25 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.In FIG. 1, the modular light element comprises a hybrid circuit substrate 1, made of ceramic or epoxy glass 20, the upper face of the substrate 1 is covered with a layer of resin 2. On this are bonded chips light-emitting diodes such as 10 to 19, aligned for example, as well as current regulating integrated circuit chips, such as 3 · By depositing a special "ink" based on 25 precious metals (platinum, gold, etc.) ..), non-resistive connections 20 to 30 are established between the diodes 10 to 19 and the current regulator circuit 3, as well as output electrodes; this ink is fired after deposition on the substrate and before bonding of the diodes.
30 Dans un mode de réalisation particulier, dont le schéma d'implantation est donné par la 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 35 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 la diode 11, est ainsi de suite, jusqu'à la connexion 30 qui relie la cathode de la diode 19 à un commun aboutissant à 4 * une électrode de masse 40. De leur côté, les entrées des circuits régulateurs de courant, tel 3, sont reliées à une électrode de pôle positif -ou négatif- telle 41. L’électrode 41 peut être commune pour tous les circuits régulateurs, ou 5 bien, comme représenté sur les Figures 2 et 3, on peut prévoir une électrode de pôle positif pour chacun d’entre eux.In a particular embodiment, the layout diagram of which is given in 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, the connection 20 connects the output of the current regulator to the anode of the diode 10; the connection 21 connects the cathode of the diode 10 to the anode of the diode 11, is so on, until the connection 30 which connects the cathode of the diode 19 to a common leading to 4 * a ground electrode 40 For their part, the inputs of the current regulator circuits, such as 3, are connected to a positive-or negative-pole electrode such as 41. The electrode 41 can be common for all the regulator circuits, or 5, as shown in Figures 2 and 3, one can provide a positive pole electrode for each of them.
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 des électrodes •10/ de commande individuelles par des liaisons déposées (non représentées)..Current regulators can also be used which have one or more all-or-nothing control inputs separately. These will then be connected to individual control • • 10 electrodes by deposited links (not shown).
Revenant maintenant à la Figure 1, des entretoises comme 5 permettent de maintenir au-dessus du substrat un système optique 6, qui permet de focaliser de la manière 15 désirée l’émission de lumière des diodes suivant un cône 9.Returning now to FIG. 1, spacers like 5 make it possible to maintain above the substrate an optical system 6, which makes it possible to focus in the desired manner the light emission of the diodes along a cone 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.You can add a color filter to it, or mass color all or part of the optical system, to define the color of the cone 9 of light emitted.
Le système optique 6 peut comprendre pour l'ensemble 20 des diodes une loupe unique en verre ou en plastique transparent 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.The optical system 6 can comprise, for all of the diodes, a single magnifying glass made of transparent glass or plastic, for example, or a large number of magnifying glasses or Fresnel lenses, each associated with a light-emitting diode chip, as shown, or else to a small number of them.
25 Le demandeur a pu, avec les moyens de l’invention, intégrer jusqu'à 30 à 50 puces de diodes au cm . Les diodes 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 tel 30 régulateur est facilement intégrable au circuit hybride, mais on peut aussi le disposer à part, avec les circuits produisant ” les tensions continues d'alimentation.25 The applicant was able, with the means of the invention, to integrate up to 30 to 50 diode chips per cm. Since the diodes have a low consumption (polarization current less than 40 mA), we can be satisfied with a low-cost current regulator to polarize them correctly. Such a regulator is easily integrated into the hybrid circuit, but it can also be arranged separately, with the circuits producing the DC supply voltages.
’ Dans une réalisation particulière, les régulateurs de courant sont réalisés à l'aide de régulateurs de tension 35 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 i 5 <0 <\ 30 diodes sous 25 à 75 Volts et 20 à 35 milliampères, La ,>juche de résine déposée sur le substrat est une colle epoxy. U?a interconnexions sont réalisées en encre platine-argent référence 9770 de Dupont de Nemours. Epfin, pour éviter , .ju'elles ne se croisent, on réalise le circuit hybride sous forme multicouches, au moins là où c'est nécessaire.In a particular embodiment, the current regulators are produced using voltage regulators 35 associated with a resistance of sufficient value. The diode chips correspond to the 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 supplies i 5 <0 <\ 30 diodes at 25 to 75 Volts and 20 to 35 milliamps, La,> resin resin deposited on the substrate is an epoxy adhesive . The interconnections are made in platinum-silver ink, reference 9770 from Dupont de Nemours. Finally, to avoid, they do not cross, we realize the hybrid circuit in multilayer form, at least where it is necessary.
On voit qu'un groupe de 1Q puces de diodes occupe, wec son circuit régulateur de courant, une surface très fβίο ble, 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 afficheir programmable. La cellule adressable peut alors être constituée t* d'un module tel que décrit en référence aux Figures 1 à 3, ou simplement d'un groupe de 10 diodes, par exemple.We see that a group of 1Q diode chips occupies, wec its current regulator circuit, a very fβίο ble surface, of the order of 40 mm. Such a surface can, at a distance. sufficient, be considered a point. According to another aspect of the invention, groups of diodes are connected in a matrix, so as to be able to individually control or "address" each of the groups, and thus produce a programmable display. The addressable cell can then be made up t * of a module as described with reference to Figures 1 to 3, or simply of a group of 10 diodes, for example.
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 A) peut se faire à l'aide des électrodes d'alimentation (41,An embodiment of this kind is illustrated by way of example in FIG. 4. On this one, each square such as 50 corresponds to an addressable cell. Online addressing A) can be done using the supply electrodes (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.Figures 2 and 3), and addressing in columns by the control inputs of the various current regulator circuits, which are connected together on the same column. As a variant, by connecting AND circuits or the like to these control inputs, now unconnected to one another, addressing can only be carried out on these inputs.
Pour réaliser l'élément lumineux modulaire représenté sur les Figures 1 et 2, on procède de la manière suivante : a) des interconnexions métalliques 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 et les puces de circuits intégrés régulateurs s'il y a lieu ; Y* b) on procède à une cuisson de l'encre déposée ; c) on dépose une couche de colle à l'endroit des puces ; d) avant séchage de la colle on pose les puces aux 6 endroits appropriés ; e) on soude par thermoçompression sur les puces ainsi collées des fils d'or de quelques microns de diamètre que l'on relie également par soudage aux interconnexions métalliques 5 arrivant à ces puces ; f) on fixe les entretoises 5 et le système optique 6,To make 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 in the place where the diode chips and the regulating integrated circuit chips will be placed, if applicable; Y * b) the deposited ink is baked; c) a layer of glue is deposited at the location of the chips; d) before the glue dries, the chips are placed in the 6 appropriate places; e) gold wires of a few microns in diameter are welded by thermocompression to the thus bonded chips, which are also connected by welding to the metallic interconnections 5 arriving at these chips; f) the spacers 5 and the optical system 6 are fixed,
Dans une variante de réalisation représentée à laIn an alternative embodiment shown in
Figure 5, le substrat 1 de l'élément lumineux modulaire selon l'invention ne porte pas de circuit intégré de régulation de 10. courant ; il porte simplement un grand nombre de puces de diodbs (10, 11, 12, ... 19) reliées toutes en série les unes avec les autres, deux bornes seulement (52, 54) étant prévues pour l'alimentation d'un élément lumineux modulaire.Figure 5, the substrate 1 of the modular light element according to the invention does not carry an integrated circuit for regulating 10. current; it simply carries a large number of diodb chips (10, 11, 12, ... 19) all connected in series with each other, only two terminals (52, 54) being provided for supplying an element modular light.
Les circuits 3 de régulation de courant qui sont tou-15 jours 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).The current regulation circuits 3 which are always necessary for 15 days can be provided on a separate substrate 56, and in this case, a single current regulation circuit support substrate is provided for controlling several modular light elements (as many as there are regulators on this substrate).
20 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 25 réaliser une unité hybride d'alimentation des éléments lumineux modulaires.20 This arrangement makes it possible to significantly reduce the manufacturing cost (reduction in the price of connection elements and reduction in the workforce for making these connections). The integrated current regulation circuits 3 are simply glued to a printed circuit so as to produce a hybrid unit for supplying modular light elements.
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 30 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 réflecteurs sont constitués par des cuvettes métallisées formées directement à la surface du substrat. Dans chaque cuvette est placée une diode élec-35 troluminescente. 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 7 émise vers l’arrière soit renvoyée vers l'avant par une surface réfléchissante.To produce a modular light element having optimal characteristics of light efficiency, it can be provided that the optical system associated with the light element 30 comprises, in addition to or in place of the magnifying glass or magnifiers placed above the diode chips, individual reflectors * associated with each diode chip. These reflectors are formed by metallized cuvettes formed directly on the surface of the substrate. In each cuvette is placed a troluminescent diode-35. The efficiency is markedly improved because the diodes emit light not only towards the front but also towards the rear (i.e. towards the substrate on which they are placed), and it is good that the part of light 7 emitted towards the rear is returned towards the front by a reflecting surface.
La Figure 6 représente en coupe'une partie de substrat 1 présentant des cuvettes 60 dont la surface intérieure 5 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.Figure 6 shows in section a portion of substrate 1 having cuvettes 60 whose inner surface 5 is metallized by depositing a conductive ink preferably containing silver. The bowls have a substantially spherical cap force to better direct the light reflected perpendicular to the surface of the substrate.
Dans cette réalisation, les interconnexions métalli-• 1Q ques entre les puces de diodes sont déposées par sérigraphie d'une encre conductrice sur les parties planes de la surface du substrat, entre les cuvettes ; les cuvettes peuvent également être métallisées par sérigraphie.In this embodiment, the metallic interconnections between the diode chips are deposited by screen printing of a conductive ink on the flat parts of the surface of the substrate, between the cuvettes; the bowls can also be metallized by screen printing.
Il est préférable, toujours pour améliorer le rende-15 ment lumineux, d'éviter dans ce cas de prévoir de la colle pour fixer les puces de diodes. Les puces sont positionnées 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 20 métallisées. On évite ainsi de dissiper dans les couches de colle une partie de la lumière émise.It is preferable, always in order to improve the light output, to avoid in this case providing glue to fix the diode chips. The chips are positioned in the cuvettes and they are held in place above them by means of the gold wires which are welded by thermocompression between the chips and the metallized interconnects. This avoids dissipating in the adhesive layers part of the light emitted.
L'invention s'applique notamment à la signalisation, à l'affichage publicitaire, aux enseignes lumineuses, à la numérotation des immeubles, etc. On peut par exemple réaliser 25 un affichage à sept segments·The invention is particularly applicable to signage, advertising display, illuminated signs, numbering of buildings, etc. One can for example realize a display with seven 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 30 français n° 76 02 276. Dans cette application, et dans d'autres, il est très avantageux de réaliser une alimentation impulsion-v nelle des diodes, par exemple.de la manière décrite dans la demande de certificat d'addition n° 76 38 871. En effet, en régime impulsionnel, les diodes admettent un courant bien plus 35 élevé qu'en régime permanent, d’où une impression lumineuse plus forte, compte tenu de la persistance rétinienne. La commande impulsionnelle se fait avantageusement par les entrées de commande des circuits régulateurs de courant.A particularly interesting application is that of traffic signal lights. Each light includes one or more modules with the appropriate colored filters, for example as described in French patent application No. 76 02 276. In this application, and in others, it is very advantageous to provide a supply impulse-v nelle of the diodes, for example. in the manner described in the request for certificate of addition n ° 76 38 871. Indeed, in impulse mode, the diodes admit a current much higher than in steady state, hence a stronger light impression, given the retinal persistence. The impulse control is advantageously done by the control inputs of the current regulating circuits.
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