LU81269A1 - Module lumineux en circuit hybride a diodes electroluminescentes - Google Patents

Description

1 L’invention concerne les sources lumineuses.

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.

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.

La présente invention vient permettre une telle uti- 15 lisation.

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.

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.

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.

‘ 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.

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*

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.

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.

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.

20 En associant plusieurs éléments modulaires de l'in vention, 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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)..

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.

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 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.

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.

’ 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.

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.

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,

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 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,

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 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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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·

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.

Claims (13)

1. Elément lumineux modulaire à diodes électroluminescentes pour feu de signalisation ou enseigne lumineuse caractérisé par le fait qu’il comporte : . . un substrat de circuit hybride, généralement plan, 5 .un grand nombre de pue ^ de diodes électrolumines 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 10 connexions d’alimentation reliées à des électrodes, et , un système optique monté sur le substrat, et coopérant avec les puces de diodes électroluminescentes.

2. Elément lumineux selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les interconnexions réalisent un 15 branchement en série des puces de diodes entre elles aux bornes des électrodes.

3. Elément lumineux selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le système optique comprend une loupe placée au-dessus des puces de diodes. 20 _

4 - Elément lumineux selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le système optique comprend un grand nombre de loupes, associées chacune à une puce de diodes électroluminescentes ou à un petit nombre d'entre elles.

5. Elément lumineux selon l'une des revendications 25. et 4, caractérisé par le fait que le système optique comprend un filtre de lumière coloré.

6. Elément lumineux selon l'une des revendications . 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comporte plusieurs puces • de circuits intégrés régulateurs de courant fixées sur le 30 substrat et munies d'entrées de commande, et autant d'électrodes de commande, avec une liaison déposée sur le substrat 9 « * entre chaque électrode de commande et l'une, respective, des A entrées de commande.

7. Elément lumineux selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les diodes électroluminescentes 5 sont disposées selon une configuration préétablie, ce qui fournit un module d'affichage commandé.

8. Elément lumineux selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est associé à plusieurs autres, pour constiter un ensemble lumineux de . 10, puissance.

9. Elément lumineux selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le substrat comprend des cuvettes métallisées dans lesquelles sont placées les puces de diodes pour leur servir de réflecteur. 15

10 - Elément lumineux selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les puces de diodes sont collées sur le substrat et que des fils d'or soudés par thermocompression les relient aux interconnexions métallisées.

11. Elément lumineux selon la revendication 9, 20 caractérisé par le fait que les puces de diodes sont simplement posées dans les cuvettes et fixées en place par des fils d'or soudés par thermocompression, fils qui les relient aux interconnexions métallisées.

12. Procédé de fabrication d'un élément lumineux 25 modulaire, caractérisé par les opérations consistant à : • déposer par sérigraphie sur un substrat des interconnexions métalliques destinées à relier des diodes électroluminescentes en série ; puis cuire l'encre déposée ; „ , déposer une couche de colle à des endroits prévus 30 pour déposer des puces de diodes à relier en série par les interconnexions ; . déposer des puces de diodes électroluminescentes ’ avant séchage de la colle ; et . souder par thermocompression entré les puces et les 35 interconnexions métallisées arrivant à ces puces, des fils d'or de liaison électrique.

13. Procédé de fabrication d'un élément lumineux modulaire, caractérisé par les opérations consistant à : c 10 r . former dans un substrat une pluralité de cuvettes pour contenir des puces de diodes électroluminescentes, . métalliser l'intérieur des cuvettes, . former sur les parties planes de substrat entre les 5 cuvettes des interconnexions métalliques destinées à relier en série des puces de diodes électroluminescentes placées dans les cuvettes, • déposer au-dessus de chaque cuvette une puce de diode électroluminescente, et 10. souder par thermocompression des fils d'or reliant chaque puce à deux interconnexions métalliques. »