Brevet FR3041148A1 — publié le 20170317

SOURCE LUMINEUSE LED COMPRENANT UN CIRCUIT ELECTRONIQUE L'invention a trait au domaine de l'éclairage et de la signalisation lumineuse, notamment pour véhicule automobile. Dans le domaine de l'éclairage et de la signalisation lumineuse pour véhicules automobiles, il devient de plus en plus courant d'utiliser des sources lumineuses à composants semi-conducteurs électroluminescents, par exemple des diodes électroluminescentes, LED. Un composant LED émet des rayons lumineux lorsqu'une tension d'une valeur au moins égale à une valeur seuil appelée tension directe est appliquée à ces bornes. De manière connue, une ou plusieurs LEDs d'un module lumineux pour un véhicule automobile sont alimentées par le biais de moyens de pilotage de l'alimentation, qui comprennent des circuits convertisseurs. Les moyens de pilotage de l'alimentation sont configurés pour convertir un courant électrique d'une première intensité, par exemple fourni par une source de courant du véhicule automobile, telle qu'une batterie, en un courant de charge ayant une deuxième intensité, différente de la première. Typiquement, les moyens de pilotage sont réalisés par des composants montés en surface, SMD (« surface mounted device ») sur un circuit imprimé, PCB (« printed circuit board ») dédié et déporté par rapport à l'emplacement du PCB qui comprend les LEDs. La connexion électrique des moyens de pilotage aux LEDs est réalisée par un câblage approprié. Les configurations connues impliquent par conséquent une pluralité de circuits imprimés qui engendrent un encombrement et un poids difficiles à gérer lors de la conception de modules lumineux pour véhicules automobiles. En effet, l'espace disponible pour abriter les différents composants électroniques d'un tel module est restreint, et la réduction du poids est actuellement considérée comme un objectif global dans le domaine de la conception automobile. L'invention a pour objectif de proposer une solution palliant le problème susmentionné. Plus particulièrement, l'invention a pour objectif de proposer une 3041148 2 source lumineuse LED qui intègre un circuit électronique implémentant une fonction nécessaire au pilotage de la source lumineuse. L'invention a pour objet une source lumineuse à semi-conducteur comprenant un 5 premier substrat en Silicium et au moins une diode électroluminescente disposée sur le substrat. La source lumineuse est remarquable en ce que la source comprend un circuit électronique destiné à réaliser une fonction nécessaire au pilotage de la ou des diodes. 10 De préférence, le circuit électronique peut être implanté sur le premier substrat de la source. La source peut de préférence comprendre un deuxième substrat en silicium, attaché au premier substrat, le circuit électronique étant implanté sur le deuxième 15 substrat. La source peut comprendre plusieurs deuxièmes substrats en silicium, attachés au premier substrat. De préférence, le deuxième substrat peut être attaché au premier substrat sur la face opposée à la face sur laquelle la ou les diodes sont disposées. 20 Les substrats peuvent de préférence être attachés l'un à l'autre par soudure, notamment par soudure or-étain. Les deux substrats peuvent de manière préférée comprendre des vias destinés à 25 l'interconnexion électrique des deux substrats. De préférence, la source peut comprendre une pluralité de diodes électroluminescentes. 30 Les diodes électroluminescentes peuvent de préférence être en forme de bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques faisant saillie du substrat. De préférence, les bâtonnets peuvent être agencés en matrice. La matrice peut de préférence être régulière, de façon à ce qu'il existe un espacement constant entre 3041148 3 deux bâtonnets successifs d'un alignement donné, ou de façon à ce que les bâtonnets soient disposés en quinconce. La hauteur d'un bâtonnet peut de préférence être comprise entre 1 et 10 5 micromètres. La plus grande dimension de la face terminale peut préférentiellement être inférieure à 2 micromètres. 10 De préférence, la distance minimale qui sépare deux bâtonnets immédiatement adjacents peut être égale à 10 micromètres. L'aire de la surface éclairante de la source lumineuse peut de préférence être d'au plus 8 mm2. 15 La luminance obtenue par la pluralité de bâtonnets électroluminescents peut par exemple être d'au moins 60Cd/mm2. Alternativement, les diodes électroluminescentes peuvent être en forme de couche 20 mince. De manière préférée, les diodes peuvent être réparties en plusieurs groupes, les diodes de chaque groupe étant aptes à émettre une lumière spécifique. 25 Les groupes peuvent présenter des formes, des dimensions et/ou un nombre de diodes différentes les uns des autres. Chaque groupe peut de préférence être alimenté de manière indépendante des autres groupes. 30 Chacun des groupes peut de préférence être apte à émettre une lumière d'intensité et/ou de couleur spécifique. 3041148 4 De préférence, le premier substrat peut comprendre des plots de connexion destinés à le connecter électriquement à une source du courant par pontage. Le circuit électronique peut de préférence être à réaliser au moins une des 5 fonctions suivantes : - stockage de l'information BIN relative aux diodes électroluminescentes ; - mesure de la température des diodes électroluminescentes ; - pilotage de l'alimentation électrique des diodes électroluminescentes ; - circuit permettant de basculer entre au moins deux fonctions lumineuses ; 10 - circuit permettant de choisir un branchement électrique spécifique de plusieurs groupes de diodes électroluminescentes ; - protection des groupes de bâtonnets et/ou limitation du courant traversant ces groupes. 15 Le circuit peut notamment de préférence basculer entre un branchement en série et un branchement en parallèle de plusieurs groupes de diodes de la source lumineuse. Le circuit électronique peut de préférence être intégré directement dans le substrat 20 de la source, par exemple par gravure. L'invention a également pour objet un module lumineux comprenant : - au moins une source lumineuse apte à émettre des rayons lumineux ; - un dispositif optique apte à recevoir les rayons lumineux et à produire un 25 faisceau lumineux ; Le module est remarquable en ce que la ou les sources lumineuses sont conformes à l'invention. Les mesures de l'invention sont intéressantes en ce qu'elles permettent d'obtenir un 30 composant électronique qui regroupe une première fonction principale d'une source lumineuse, c'est-à-dire l'émission de rayons lumineux, avec au moins une deuxième fonction destinée au pilotage électrique de la source lumineuse. Par rapport à des composants connus, le gain de volume est évident puisque l'invention permet de s'affranchir de circuits imprimés dédiés au pilotage d'une source 3041148 5 lumineuse. De même l'invention implique une réduction de poids de l'ensemble source/moyens de pilotage. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux 5 compris à l'aide de la description et des dessins parmi lesquels : - la figure 1 est une représentation d'une source lumineuse telle qu'elle intervient dans un mode de réalisation préférentiel de la présente invention ; - la figure 2 est une représentation schématique d'une coupe latérale d'une source lumineuse selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; 10 - la figure 3 est une représentation schématique d'une coupe latérale d'une source lumineuse selon un mode de réalisation préféré de l'invention. Dans la description qui suit, des numéros de référence similaires seront en général utilisés pour décrire des concepts similaires à travers des modes de réalisation 15 différents de l'invention. Ainsi, les numéros 001, 101, 201 décrivent une source lumineuse selon des modes de réalisation différents conformes à l'invention. Sauf indication spécifique du contraire, des caractéristiques techniques décrites en détail pour un mode de réalisation donné peuvent être combinées aux 20 caractéristiques techniques décrites dans le contexte d'autres modes de réalisation décrits à titre exemplaire et non limitatif. La figure 1 illustre une source lumineuse électroluminescente 001 selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 1 illustre le principe de base de la 25 source lumineuse. La source lumineuse 001 comprend un substrat 010 en silicium sur lequel sont disposées une série de diodes ou bâtonnets à électroluminescence sous forme de fils 020 faisant saillie du substrat. Le coeur 022 de chaque bâtonnet 020 est en matériau semi-conducteur du type n c'est-à-dire dopé en électrons, alors que l'enveloppe 024 est en matériau semi-conducteur du type p c'est-à-dire dopé 30 en trous. Une zone de recombinaison 026 est prévue entre les matériaux semiconducteurs du type n et du type p. Il est toutefois envisageable d'inverser les matériaux semi-conducteurs en fonction notamment de la technologie choisie. 3041148 6 Le substrat est avantageusement en silicium et les bâtonnets ont un diamètre de moins d'un micron. En variante, le substrat comprend une couche de matériau semi-conducteur dopé en trous et les fils ont un diamètre compris entre 100 et 500 nm. Le matériau semi-conducteur dopé en électrons et en trous formant les diodes 5 peut avantageusement être du nitrure de gallium (GaN) ou du nitrure de gallium- indium (InGaN). La hauteur d'un bâtonnet est typiquement comprise entre 1 et 10 micromètres, tandis que la plus grande dimension de la face terminale est inférieure à 2 micromètres. Selon un mode de réalisation préféré, les bâtonnets sont agencés en matrice selon une disposition régulière. La distance entre deux bâtonnets est 10 constante et égale à au moins 10 micromètres. Les bâtonnets peuvent être disposés en quinconce. L'aire de la surface éclairante d'une telle source lumineuse est d'au plus 8 mm2. La source lumineuse est capable de réaliser une luminance d'au moins 60 Cd/mm2. 15 En référence à la figure 1, le substrat 010 comprend une couche principale 030, avantageusement en silicium, une première électrode ou cathode 040 disposée sur la face de la couche principale qui est opposée aux bâtonnets 020, et une deuxième électrode ou anode 050 disposée sur la face comprenant les bâtonnets 020. L'anode 050 est en contact avec le matériau semi-conducteur du type p 20 formant les enveloppes 024 des bâtonnets 020 et s'étendant sur la face correspondante du substrat 010 de manière à former une couche conductrice entre lesdites enveloppes 024 et l'anode 050. Les coeurs ou noyaux 022 des bâtonnets sont quant à eux en contact avec la couche principale semi-conductrice 030 et ainsi en contact électrique avec la cathode 040. 25 Lors de l'application d'une tension électrique entre l'anode et la cathode, des électrons du matériau semi-conducteur du type n se recombinent avec des trous du matériau semi-conducteur du type p et émettent des photons. La plupart des recombinaisons sont radiatives. La face émettrice des bâtonnets est la zone p car 30 elle est la plus radiative. Conformément à certains modes de réalisation de l'invention, la source lumineuse 001 comprend plusieurs groupes de bâtonnets électroluminescents reliés à des anodes différentes. Chaque groupe peut ainsi être alimenté électriquement 3041148 7 indépendamment de l'autre ou des autres. Les bâtonnets de chaque groupe sont avantageusement toutes du même type, c'est-à-dire émettant dans le même spectre et émettent à une intensité commune. Les groupes sont avantageusement identiques et représentent une tension directe commune. De préférence, chaque 5 groupe comprend donc sensiblement le même nombre de bâtonnets électroluminescents. Alternativement, chaque groupe peut représenter une géométrie différente et les groupes peuvent avoir des tailles différentes. Selon le principe de l'invention, un circuit électronique destiné à réaliser une fonction nécessaire au pilotage des bâtonnets est intégré à une telle source lumineuse. 10 Une technologie alternative pour obtenir une source lumineuse à diodes électroluminescentes sur un substrat en silicium est décrite dans le document de brevet EP 2223348 A1. On dépose la couche active, par exemple en nitrure de Galium, GaN, sur un substrat en Saphir, et on transfère ensuite la couche active sur 15 un substrat ou wafer en silicium, l'assemblage étant réalisé par exemple par une soudure de type or-étain. Les diodes résultantes sont généralement dénommées diodes électroluminescentes en couche fine (« thin film »). Selon l'invention, une source lumineuse peut comprendre plusieurs groupes de diodes électroluminescentes de ce type, chaque groupe pouvant être alimenté de manière 20 indépendante des autres groupes. Les diodes de chaque groupe sont avantageusement toutes du même type, c'est-à-dire émettant dans le même spectre et émettent à une intensité commune. Selon le principe de l'invention, un circuit électronique destiné à réaliser une fonction nécessaire au pilotage des diodes est intégré à une telle source lumineuse. 25 Une intégration exemplaire est montrée dans des modes de réalisation préférentiels 2 et 3. La figure 2 montre une source lumineuse 101 à électroluminescence comprenant un substrat en silicium 110 et au moins une diode électroluminescente à couche mince 120 disposée sur le substrat. Alternativement, les diodes 30 électroluminescentes peuvent être en forme de micro- ou nano-fils tels qu'ils sont décrits en rapport avec la figure 1. La source comprend en outre un circuit électronique 130 destiné à réaliser une fonction nécessaire au pilotage de la ou des diodes 120. Le substrat 110 est en silicium, ce qui permet d'intégrer le circuit 130 directement dans le substrat 110, par exemple par gravure. L'implantation directe 3041148 8 d'un circuit électronique 130 permet de s'affranchir de moyens d'interconnexions externes entre le circuit 130 et la diode 120. L'alimentation en courant électrique de la diode 120 et du circuit 130 est réalisée par une connexion commune au niveau de la surface du substrat 110. Dans l'exemple montré, des plots de connexion 150 5 (« bonding pad ») sont reliés au circuit 130, qui est relié à la diode 120. La connexion à une source de courant du véhicule automobile est réalisée par pontage 152 via un fil métallique (« wire bonding »), ou via un ruban métallique (« ribbon bonding »). La configuration selon l'invention permet de regrouper une pluralité de fonctions sur le substrat 110. Par exemple, le circuit électronique 130 peut réaliser 10 une des fonctions suivantes, l'implémentation desquelles étant à la portée de l'homme du métier : - stockage de l'information BIN relative aux diodes électroluminescentes 120; - mesure de la température des diodes électroluminescentes 120 ; - pilotage de l'alimentation électrique des diodes électroluminescentes 120; 15 - circuit permettant de basculer entre au moins deux fonctions lumineuses 120, par exemple entre une fonction « high beam » et une fonction « low beam »; - circuit permettant de choisir un branchement électrique spécifique de plusieurs groupes de diodes électroluminescentes. Le circuit peut notamment 20 basculer entre un branchement en série et un branchement en parallèle de plusieurs groupes de diodes de la source lumineuse, - protection des groupes de bâtonnets et/ou limitation du courant traversant ces groupes. 25 D'autres fonctionnalités sont envisageables et réalisables par l'homme du métier sans pour autant sortir du cadre de la présente invention, la liste donnée n'étant pas exhaustive. Le mode de réalisation de la figure 3 comprend une source lumineuse 201 à 30 électroluminescence comprenant un premier substrat en silicium 210 et des bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques 220 faisant saillie du substrat. Alternativement, des diodes électroluminescentes en couche fine peuvent être disposées sur le substrat. La source lumineuse comprend en outre un 3041148 9 deuxième substrat en silicium 240 qui abrite un circuit électronique 230 destiné à réaliser une fonction nécessaire au pilotage de la ou des diodes 220. Le deuxième substrat 240 est attaché au premier substrat 210. Les deux substrats 5 sont attachés l'un à l'autre à l'aide, par exemple par une soudure or-étain. Le deuxième substrat 240 est attaché au premier substrat 210 sur la face de ce dernier qui est opposée à la face sur laquelle les diodes 220 sont disposées. Le composant résultant de cet assemblage est de type « multi chip package », le deuxième substrat intégrant une fonction additionnelle, c'est-à-dire une fonction liée au 10 pilotage de la source lumineuse, par rapport à la fonction primaire de la source, qui est l'émission de rayons lumineux. L'alimentation en courant électrique de la diode 220 et du circuit 230 est réalisée par une connexion commune au niveau de la surface du substrat 210. Dans 15 l'exemple montré, des plots de connexion 250 (« bonding pad ») sont reliés au circuit 230, qui est relié à la diode 120. La connexion à une source de courant du véhicule automobile est réalisée par pontage 252 (« wire bonding »). La connexion électrique entre les substrats 210 et 230 est réalisée par exemple par des vias 242. La technologie TVS (« Through Silicone Vias ») permet par exemple de réaliser des 20 trous par perçage laser des substrats. Les trous résultants sont métallisés, typiquement par un dépôt électrochimique de cuivre. REVENDICATIONS1. Source lumineuse à semi-conducteur, comprenant - un premier substrat en Silicium ; - au moins une diode électroluminescente disposée sur le substrat ; caractérisée en ce que la source comprend un circuit électronique destiné à réaliser une fonction nécessaire au pilotage de la ou des diodes. 2. Source lumineuse selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit électronique est implanté sur le premier substrat de la source. 3. Source lumineuse selon la revendication 1, caractérisée en ce que la source comprend un deuxième substrat en silicium, attaché au premier substrat, le circuit électronique étant implanté sur le deuxième substrat. 4. Source lumineuse selon la revendication 3, caractérisée en ce que le deuxième substrat est attaché au premier substrat sur la face opposée à la face sur laquelle la ou les diodes sont disposées. 5. Source lumineuse selon une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que les substrats sont attachés l'un à l'autre par soudure, notamment par soudure or-étain. 6. Source lumineuse selon une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que les deux substrats comprennent des vias destinés à l'interconnexion électrique des deux substrats. 7. Source lumineuse selon une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la source comprend une pluralité de diodes électroluminescentes. 8. Source lumineuse selon une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les diodes électroluminescentes sont en forme de bâtonnets 3041148 11 électroluminescents de dimensions submillimétriques faisant saillie du substrat. 9. Source lumineuse selon une des revendications 1 à 7 , caractérisée en ce 5 que les diodes électroluminescentes sont en forme de couche mince. 10. Source lumineuse selon une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les diodes sont réparties en plusieurs groupes, les diodes de chaque groupe étant aptes à émettre une lumière spécifique. 10 11. Source lumineuse selon la revendication 10, caractérisée en ce que chacun des groupes est apte à émettre une lumière d'intensité et/ou de couleur spécifique. 15 12. Source lumineuse selon une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que le premier substrat comprend des plots de connexion destinés à le connecter électriquement à une source du courant par pontage. 13. Source lumineuse selon une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce 20 que le circuit électronique est destiné à réaliser au moins une des fonctions suivantes : - stockage de l'information BIN relative aux diodes électroluminescentes ; - mesure de la température des diodes électroluminescentes ; - pilotage de l'alimentation électrique des diodes électroluminescentes ; 25 - circuit permettant de basculer entre au moins deux fonctions lumineuses ; - circuit permettant de choisir un branchement électrique spécifique de plusieurs groupes de diodes électroluminescentes ; - protection des groupes de bâtonnets et/ou limitation du courant traversant ces groupes. 30 14. Module lumineux comprenant : - au moins une source lumineuse (101, 201, 301, 401) apte à émettre des rayons lumineux ; 3041148 12 - un dispositif optique apte à recevoir les rayons lumineux et à produire un faisceau lumineux ; caractérisé en ce que la ou les sources lumineuses sont conformes à une des revendications 1 à 13. 5