Brevet FR2948440A1 — publié le 20110128

Boîte à lumière à diodes électroluminescentes sécurisée Le domaine de l'invention est celui des boîtes à lumière à diodes électroluminescentes utilisées pour éclairer les afficheurs à cristaux liquides. Pour certaines applications, en particulier dans le domaine aéronautique, il est nécessaire que les afficheurs et notamment ceux qui sont disposés dans le cockpit puissent avoir des niveaux de luminance très importants. Diverses sources d'éclairage sont utilisées comme atteindre ce niveau de luminance. Les éclairages de nouvelle génération mettent en oeuvre un grand nombre de diodes électroluminescentes d'éclairage ou � LEDs �. Pour certaines applications, le nombre de LEDs est ainsi de plusieurs milliers. Par ailleurs, la fiabilité et la durée de vie de la boîte à lumière doit être très importante, un certain nombre d'informations, dont les informations de danger présentées classiquement en rouge ne devant jamais être perdues. Malgré la grande fiabilité des diodes électroluminescentes, le grand nombre de LEDs fait que la boîte doit être capable de fonctionner correctement avec un certain nombre de diodes en panne. Par conséquent, il est essentiel que la perte d'une diode n'entraîne pas la perte d'autres diodes soit par effet direct (la mort d'une diode entraîne aussitôt la panne d'autres diodes) soit par effet de cascade (la mort d'une diode entraîne un échauffement d'autres diodes qui tombent en panne à leur tour). Il est également avantageux que cette perte soit en partie compensée par une légère augmentation de la luminosité des diodes encore fonctionnelles de façon à conserver le niveau de luminance moyen de la boîte à lumière. Il existe différentes architectures électroniques possibles pour commander un ensemble de diodes. Ainsi, la boîte à lumière peut comprendre un certain nombre de sous-ensembles de diodes 10 montées en série comme illustré en figure 1 et alimentées par un générateur de courant 1. Lorsqu'une diode tombe en panne, soit elle est en circuit ouvert, soit elle est en court-circuit. Dans le premier cas, l'ouverture de la LED en panne coupe l'alimentation de toute la rangée de diodes. Dans le second cas, la mise en court-circuit de la LED en panne change les conditions de fonctionnement du générateur de courant qui pilote cette ligne de LEDs, provoquant son échauffement. Pour prévenir ce type de défaut, un circuit électronique réalise une analyse en continu des courants et des tensions circulant dans les diodes afin de générer une alarme en cas de surcourant ou de surtension. Le dispositif d'éclairage selon l'invention ne présente pas les inconvénients précédents. Dans ce dispositif, les diodes sont toutes montées en parallèles et comportent un fusible monté en série calibré de façon à mettre la diode en circuit ouvert quelque soit la nature de la panne isolant ainsi la diode en panne du reste du dispositif d'éclairage. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif d'éclairage comportant au moins un module de N diodes électroluminescentes, lesdites diodes étant montées dans un circuit électronique comprenant N branches disposées en parallèle, chaque branche comprenant une et une seule diode, caractérisé en ce que chaque branche comporte en série avec la diode un fil de liaison appelé � bonding � calibré de façon à servir de fusible dans le cas où la diode de la branche est en court-circuit. Avantageusement, les diodes étant toutes fonctionnelles, le courant électrique traversant chaque branche ne dépasse pas 50% du 20 courant maximal supporté par les diodes. Avantageusement, toutes les diodes d'un module sont identiques et ont toutes été réalisées sur la même � galette � de matériau semi-conducteur, galette appelée � wafer �. Préférentiellement, le fil de liaison est en aluminium, son diamètre 25 est compris entre 25 microns et 50 microns et sa longueur entre 1 et 5 millimètres de façon que son point de fusion soit atteint pour un courant compris entre 500 milliampères et 2 ampères. Il peut également être en or, son diamètre est alors compris entre 17 microns et 50 microns et sa longueur entre 1 et 5 millimètres de façon que son point de fusion soit atteint pour un 30 courant compris entre un et plusieurs ampères. De plus, le dispositif peut comporter une pluralité de module de N diodes électroluminescentes, lesdits modules étant disposés en série. Enfin, l'invention concerne également une boîte à lumière pour dispositif d'affichage matriciel à écran plat, ladite boîte comportant au moins 35 un dispositif d'éclairage selon l'une des revendications précédentes. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 représente un module à diodes électroluminescentes selon l'art antérieur ; La figure 2 représente deux schémas d'un module à diodes électroluminescentes selon l'invention, sur le schéma de gauche, toutes les diodes sont fonctionnelles, sur le schéma de droite, une diode est en panne ; La figure 3 représente un dispositif d'éclairage selon l'invention comprenant plusieurs modules, La figure 4 représente le courant de fusion nécessaire d'un fusible en fonction de sa longueur et de sa section. Le dispositif d'éclairage selon l'invention comporte au moins un module de N diodes électroluminescentes 10 représenté sur les schémas de la figure 2. Les diodes sont montées dans un circuit électronique comprenant N branches disposées en parallèle, chaque branche comprenant une et une seule diode. Chaque branche comporte en série avec la diode un fil de liaison 12 appelé � bonding � calibré en fonction des courants mis en oeuvre de façon à servir de fusible dans le cas où la diode de la branche est en court-circuit. La calibration du � bonding � dépend essentiellement du matériau conducteur utilisé, de la longueur et de la section du fil. Les LEDs utilisées sont des � puces � électroniques et doivent impérativement être de même diffusion, c'est-à-dire avoir été réalisées sur la même galette de matériau semi-conducteur, connue sous la terminologie anglaise de � wafer � de façon à éviter toute hétérogénéité de fonctionnement. Une LED peut comporter une ou plusieurs puces. Les puces sont reportées sur le circuit électronique d'alimentation par une technologie hybride. On évite ainsi de mettre une résistance d'équilibrage en série avec chaque LED, qui provoquerait une augmentation du volume et une perte de rendement électrique. Dans cette configuration, l'ouverture d'une LED 11 représentée en noir sur le schéma de droite de la figure 2 ne coupe plus l'alimentation de toute la rangée de diodes. La mise en court-circuit d'une LED provoque la fonte et l'ouverture 13 du bonding associée à la LED 11 et ne change plus les conditions de fonctionnement du générateur de courant qui pilote cette rangée. Le courant fournit par le générateur de courant reste inchangé, les autres LEDs se partagent le courant ne passant plus par la LED en panne, ce qui provoque une légère augmentation du courant dans les LEDs saines. Pour que cette augmentation n'ait pas de conséquence sur la durée de vie des LEDs encore fonctionnelles, il suffit le courant électrique traversant chaque branche ne dépasse pas une fraction du courant maximal supporté par les diodes. On peut fixer cette fraction à 50 %. Cette légère augmentation de courant entraîne une légère augmentation de l'intensité lumineuse des LEDs toujours fonctionnelles qui compense en totalité ou en partie la perte d'intensité de la LED en panne. Cette solution permet à la boite à lumière de continuer à fonctionner avec seulement la perte de la LED en panne et non de toute la rangée de LEDs. Cela correspond à une auto-cicatrisation de la boite à lumière. A titre d'exemple non limitatif, pour réaliser une boite à lumière comportant un dispositif d'éclairage comme représenté sur la figure 3 et comprenant 1728 LEDs, on utilise 8 modules 100 disposés en série, chaque module comprenant 216 branches montées en parallèle, chaque branche comportant une diode 10 et un fil de bonding 12 montés en série. Toutes les diodes sont issues du même � wafer �. Le fonctionnement en mode nominal est le suivant. On limite le courant unitaire lu dans chaque LED à 5mA, bien en deçà de ce qu'une diode peut supporter, soit un courant total lT de 216 x 5mA = 1,08A fourni par le générateur de courant. Les 8 modules 100 de LEDs étant montés en série, ce courant est le même dans chaque module. Le fonctionnement en mode panne est le suivant. En cas de panne "LED ouverte" dans un module, les LEDs fonctionnelles se partagent le courant ne passant plus par la LED en panne. En cas de panne "LED en court-circuit" dans un module, la totalité du courant IT passe par la LED en court-circuit, le fil de bonding est dimensionné de façon à fondre à un tel niveau de courant, la branche comportant la LED en panne se coupe. On se retrouve dans le cas précédent. Il est intéressant de déterminer, pour cette architecture, les conditions maximales de fonctionnement dégradé, c'est-à-dire le nombre maximal de diodes en panne. Le fonctionnement est limité par, d'une part, le courant maximum supporté par une LED et d'autre part, le nombre de LEDs en panne dans un module. Soit Iumax égal à 20mA, le courant maximum supporté par LED. Soit Np, le nombre de LEDs en panne à ne pas dépasser dans un module de 216 LEDs. On a : Np = 216û IT =162 IUmax Ce nombre est considérable. En effet, avec près de 75 % de 10 diodes en panne, la boîte à lumière continue de fonctionner correctement donnant un niveau de luminance pratiquement équivalent au niveau nominal. De la même façon, on peut déterminer le courant par LED dans un module en fonction du nombre de LEDs en panne dans ce même module: 15 Soit Np, le nombre de LEDs en panne dans le module de 216 LEDs. On a : IU = IT lu étant limité à lumax, soit 20mA. 216-Ne Le fil de bonding doit posséder des caractéristiques qui correspondent bien au besoin de l'application. Les courbes de la figure 4 représentent, pour trois diamètres de bonding, respectivement de 25, de 32 20 et de 50 microns le courant nécessaire pour obtenir la fusion en fonction de la longueur du bonding pour un fil en aluminium. Pour un courant IT de 1,08A, on dimensionne le bonding de façon que son point de fusion soit atteint pour un courant légèrement inférieur, d'environ 800mA. Ainsi, pour un bonding en aluminium de 251am de diamètre, 25 une longueur de 2 mm est juste nécessaire. Il est également possible des fils en d'autres matériaux dont l'or pour réaliser le � bonding �. Le dispositif selon l'invention permet d'obtenir des fiabilités exceptionnelles. On sait qu'il existe deux modes de défaillance identifiés à 30 l'échelle d'une puce : le court-circuit et le circuit ouvert. On suppose que ces deux modes de défaillance sont équiprobables, associé chacun à un taux de défaillance 2. Ce taux de défaillance est généralement faible. A l'échelle d'une boîte à lumière, deux modes de pannes peuvent être observés : - La perte isolée d'une ou de plusieurs LED(s) ; - La perte intégrale d'une ou de plusieurs ligne(s) ; En cas de perte d'une LED isolée, voire de deux LEDs isolées, la luminance reste nettement suffisante. En d'autres termes, la perte d'une ou deux LEDs ne met pas la boîte à lumière en défaut. Par ailleurs, la probabilité d'observer trois LEDs défaillantes ou plus est très faible, égale au cube de la probabilité d'avoir une seule led défaillante, selon la relation e-32T = [e-2T}, T étant la durée de fonctionnement. Par conséquent, seule la perte d'une ligne met immédiatement la boîte à lumière en défaut. Une boîte à lumière traditionnelle est constituée de N rangées de n LEDs en série. En cas de circuit ouvert d'une LED, le mode de défaillance observé au niveau de la boîte à lumière est la perte intégrale de la rangée. Le taux de défaillance est donc directement proportionnel à a,. Ainsi, dans une boîte à lumière traditionnelle, il est possible d'avoir un défaut majeur associé à un taux de défaillance X . Une boîte à lumière sécurisée selon l'invention est constituée de M lignes de m LEDs hybrides à k puces. Un court-circuit ou un circuit ouvert d'une puce ont, comme il a été dit, un effet identique : la perte de la LED et de la LED seulement. Tout se passe comme si la boîte à lumière comportait une unique rangée de m LEDs hybrides à Mk puces. Le courant dans chacune des m LEDs reste nominal tant qu'au moins 25% des Mk puces restent fonctionnelles, c'est-à-dire ni en court-circuit, ni en circuit ouvert. Le mode de défaillance � perte d'une ligne � n'existe donc plus à proprement parler. La luminance de la boîte à lumière est dégradée dès que l'une des m LEDs a perdu plus de 75% de ses puces. Le taux de défaillance correspondant est alors proportionnel à Xq , où q est la partie entière de 0.75Mk . Ce taux de défaillance est extraordinairement faible. REVENDICATIONS1. Dispositif d'éclairage comportant au moins un module (100) de N diodes électroluminescentes (10), lesdites diodes étant montées dans un circuit électronique comprenant N branches disposées en parallèle, chaque branche comprenant une et une seule diode, caractérisé en ce que chaque branche comporte en série avec la diode un fil de liaison appelé � bonding � (12) calibré de façon à servir de fusible dans le cas où la diode de la branche est en court-circuit. 2. Dispositif d'éclairage selon la revendication 1, caractérisé en ce que, les diodes (10) étant toutes fonctionnelles, le courant électrique traversant chaque branche ne dépasse pas 50 % du courant maximal supporté par les diodes. 3. Dispositif d'éclairage selon la revendication 1, caractérisé en ce que toutes les diodes (10) d'un module sont identiques et ont toutes été réalisées sur la même � galette � de matériau semi-conducteur, galette appelée � wafer �. 4. Dispositif d'éclairage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fil de liaison (12) est en aluminium, son diamètre est compris entre 25 microns et 50 microns et sa longueur entre 1 et 5 millimètres de façon que son point de fusion soit atteint pour un courant compris entre 500 milliampères et 2 ampères. 5. Dispositif d'éclairage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fil de liaison (12) est en or, son diamètre est compris entre 17 microns et 50 microns et sa longueur entre 1 et 5 millimètres de façon que son point de fusion soit atteint pour un courant compris entre un et plusieurs ampères. 6. Dispositif d'éclairage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif comporte une pluralité demodules (100) de N diodes électroluminescentes, lesdits modules étant disposés en série. 7. Boîte à lumière pour dispositif d'affichage matriciel à écran plat, 5 caractérisé en ce que ladite boîte comporte au moins un dispositif d'éclairage selon l'une des revendications précédentes.