Brevet FR3041144A1 — 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 3041144 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 sur lequel au moins une diode électroluminescente est disposée. La source lumineuse est remarquable en ce qu'elle comprend un deuxième substrat attaché au premier substrat, comprenant un circuit électronique destiné à réaliser une fonction nécessaire au pilotage de la ou des diodes. 10 De préférence, le deuxième substrat peut être en Silicium. La source lumineuse peut de préférence comprendre une pluralité de deuxièmes substrats comprenant chacun un circuit électronique. 15 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. Le premier substrat peut de manière préférée être en Saphir, en Germanium, en Silicium ou en nitrure de Galium. 20 Les deux substrats peuvent de préférence être attachés à l'aide d'un procédé d'assemblage. Il peut par exemple s'agir d'un procédé « wafer to wafer stacking » dans lequel deux plaques ou « wafer » sont assemblées puis découpées pour former les premier et deuxième substrats. En variante, il peut s'agir d'un procédé 25 « chip to wafer stacking » dans lequel un premier wafer est découpé pour former le premier substrat, ce premier substrat étant ensuite assemblé à un deuxième wafer qui est à son tour découpé pour former le deuxième substrat. En variante encore, il peut s'agir d'un procédé de « chip to chip stacking » dans lequel un premier wafer est découpé pour former le premier substrat, puis un deuxième wafer est découpé 30 pour former le deuxième substrat et enfin le premier substrat est assemblé au deuxième substrat. Les deux substrats peuvent de préférence comprendre des vias destinés à l'interconnexion électrique des deux substrats. En variante, l'interconnexion 3041144 3 électrique des deux substrats peut être réalisée par des billes de soudure réalisées par exemple en étain-or, les billes présentant préférentiellement un diamètre compris entre 25 et 50 pm. 5 De manière préférée, la source lumineuse peut comprendre une pluralité de diodes électroluminescentes. Toutes les diodes électroluminescentes peuvent avantageusement être disposées sur le premier substrat. De préférence, la source lumineuse peut comprendre une pluralité de bâtonnets 10 électroluminescents de dimensions submillimétriques faisant saillie d'un 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 deux bâtonnets successifs d'un alignement donné, ou de façon à ce que les bâtonnets soient disposés en quinconce. 15 La hauteur d'un bâtonnet peut de préférence être comprise entre 1 et 10 micromètres. La plus grande dimension de la face terminale peut préférentiellement être 20 inférieure à 2 micromètres. De préférence, la distance minimale qui sépare deux bâtonnets immédiatement adjacents peut être égale à 10 micromètres. 25 L'aire de la surface éclairante de la source lumineuse peut de préférence être d'au plus 8 mm2. La luminance obtenue par la pluralité de bâtonnets électroluminescents peut par exemple être d'au moins 60Cd/mm2. 30 Les diodes ou bâtonnets peuvent de préférence être répartis en plusieurs groupes, les diodes ou bâtonnets de chaque groupe étant aptes à émettre une lumière spécifique. 3041144 4 De préférence, chacun des groupes peut être apte à émettre une lumière d'intensité et/ou de couleur spécifique. Le premier substrat et/ou le deuxième substrat peut de préférence comprendre des 5 plots de connexion destinés à le connecter électriquement à un connecteur par pontage. Les plots de connexions peuvent de préférence être agencés sur une face supérieure du premier substrat supportant la ou les sources lumineuses. En 10 variante, les plots de connexion peuvent être agencés sur une face latérale du deuxième substrat perpendiculaire à la face inférieure du deuxième substrat supportant le circuit électronique. En variante encore, les plots de connexion peuvent être agencés sur une face inférieure du deuxième substrat supportant le circuit électronique. 15 La source lumineuse peut de préférence comprendre un connecteur comportant des plots de connexion et en ce que ce connecteur et celui des premier ou deuxième substrats comportant des plots de connexion sont connectés électriquement par un pontage via un fil ou un ruban métallique soudé aux plots de 20 connexion du connecteur et de la source lumineuse. Le ruban métallique peut de préférence être réalisé en aluminium, en argent ou en cuivre. Le cas échéant, le module lumineux est dépourvu de carte à circuit imprimé, rigide ou flexible, portant des pistes de connexion reliant la source lumineuse au 25 connecteur. Avantageusement, le connecteur est destiné à recevoir une alimentation électrique transportant des informations de commande de la source lumineuse, par exemple via un courant porteur en ligne (CPL). De préférence, les premier et deuxième substrats, la ou les diodes 30 électroluminescentes, le circuit imprimé et le connecteur peuvent être encapsulés dans un même boîtier dont au moins une partie, voire la totalité est apte à laisser passer de la lumière émise par les diodes électroluminescentes. 3041144 5 De préférence, le boîtier peut être réalisé dans une matière transparente, par exemple en silicone. Le boîtier peut remplir l'intégralité du volume libre de la source lumineuse. 5 De préférence, le circuit électronique peut être 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 ; 10 - 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 et/ou limitation du courant traversant les diodes électroluminescentes. 15 L'invention a également pour objet un module lumineux comprenant au moins une source lumineuse apte à émettre des rayons lumineux et un dispositif optique apte à recevoir les rayons lumineux et à produire un faisceau lumineux. Le module est remarquable en ce que la ou les sources lumineuses sont conformes à l'invention. 20 Le module peut de préférence le module lumineux comporter un échangeur thermique, caractérisé en ce que la source lumineuse est fixée directement sur l'échangeur thermique. L'échangeur thermique peut être un dissipateur thermique ou un caloduc. Selon un exemple de réalisation, la source lumineuse est collée ou 25 soudée à l'échangeur thermique. En variante, le module peut comporter une pièce optique comme une lentille, un guide de lumière, un collimateur ou un réflecteur et la source lumineuse est fixée directement à la pièce optique. L'invention a également pour objet un procédé d'assemblage d'une source 30 lumineuse à électroluminescence conforme à l'invention. Le procédé est remarquable en ce qu'il comprend les étapes suivantes : mise à disposition d'un premier substrat sur lequel au moins une diode électroluminescente est disposée ; ^ 3041144 6 mise à disposition d'un deuxième substrat en silicium, comprenant un circuit électronique destiné à réaliser une fonction nécessaire au pilotage de la ou des diodes ; - assemblage des deux substrats. Avantageusement, le procédé peut comprendre une étape de découpe du premier substrat dans une première plaque et une étape de découpe du deuxième substrat dans une deuxième plaque, ces étapes de découpe pouvant chacune intervenir avant l'étape d'assemblage ou après l'étape d'assemblage. Avantageusement, le procédé peut comprendre une étape d'assemblage des deux substrats assemblés à un troisième substrat par collage. De manière non limitative, ce troisième substrat peut être un radiateur, un réflecteur, une pièce de structure mécanique ou bien une pièce optique telle qu'un guide de lumière ou une lentille. 15 Les mesures de l'invention sont intéressantes en ce qu'elles permettent d'obtenir un 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 20 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 lumineuse. De même l'invention implique une réduction de poids de l'ensemble source/moyens de pilotage. 25 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l'aide de la description et des dessins parmi lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'une coupe latérale d'une source lumineuse selon un mode de réalisation préféré de l'invention, - la figure 2 est une représentation schématique d'une coupe latérale d'une 30 source lumineuse selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.. Sauf indication spécifique du contraire, des caractéristiques techniques décrites en détail pour un mode de réalisation donné peuvent être combinées aux ^ 5 10 3041144 7 caractéristiques techniques décrites dans le contexte d'autres modes de réalisation décrits à titre exemplaire et non limitatif. L'invention se rapporte également à des composants semi-conducteurs comprenant 5 un substrat sur lequel sont disposées une série de diodes à électroluminescence sous forme de fils, également nommées bâtonnets électroluminescents, faisant saillie du substrat. Le coeur de chaque diode ou bâtonnet est en matériau semiconducteur du type n c'est-à-dire dopé en électrons, alors que l'enveloppe est en matériau semi-conducteur du type p c'est-à-dire dopé en trous. Une zone de 10 recombinaison est prévue entre les matériaux semi-conducteurs du type n et du type p. Il est toutefois envisageable d'inverser les matériaux semi-conducteurs en fonction notamment de la technologie choisie. Le substrat est avantageusement en silicium et les bâtonnets ont un diamètre de 15 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 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 20 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 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 25 est d'au plus 8 mm2. Une telle source lumineuse est capable de réaliser une luminance d'au moins 60 Cd/mm2 Selon l'invention, une source lumineuse peut comprendre plusieurs groupes de diodes électroluminescentes d'un de ces types, chaque groupe pouvant être 30 alimenté de manière indépendante des autres groupes. Au sein de chaque source à bâtonnets submillimétriques, les bâtonnets peuvent également être regroupés en une pluralité de groupes, chaque groupe de bâtonnets pouvant être alimenté de manière indépendante des autres groupes de bâtonnets. Les diodes ou bâtonnets de chaque groupe sont avantageusement toutes du même type, c'est-à-dire 3041144 8 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 ou bâtonnets est intégré à une telle source lumineuse. 5 Le mode de réalisation de la figure 1 comprend une source lumineuse 101 à électroluminescence comprenant un premier substrat 110 et au moins une diode électroluminescente 120 disposée sur le substrat. A titre exemplaire et non limitatif, le substrat peut être en Saphir, en Germanium, en Silicium ou en nitrure de Galium. 10 La source lumineuse comprend en outre un deuxième substrat en silicium 140 qui abrite un circuit électronique 130 destiné à réaliser une fonction nécessaire au pilotage de la ou des diodes 120. Les composants électroniques utilisés pour réaliser le circuit électronique peuvent comprendre à titre exemplaire des transistors ou des éléments microcontrôleurs. De préférence, ces composants sont gravés 15 dans le deuxième substrat ou wafer 140. Le deuxième substrat 140 est attaché au premier substrat 110. Les deux substrats ou wafers sont attachés l'un à l'autre , par exemple un procédé d'assemblage connu sous la dénomination « wafer-to-wafer bonding ». 20 Dans un tel procédé les deux substrats à assembler sont typiquement reliés par collage, avant qu'une pression mécanique leur soit appliquée à température ambiante. 25 Comme l'assemblage des deux substrats est réalisé sans soudure, le composant résultat n'implique pas de connections intermétalliques. L'assemblage est donc plus fiable par rapport à des assemblages par soudure. Le deuxième substrat 140 est attaché au premier substrat 110 sur la face de ce dernier qui est opposée à la face sur laquelle les diodes 120 sont disposées. Le composant résultant de cet 30 assemblage est de type « multi chip package », le deuxième substrat intégrant une fonction additionnelle, c'est-à-dire une fonction liée au pilotage de la source lumineuse, par rapport à la fonction primaire de la source, qui est l'émission de rayons lumineux. 3041144 9 Avantageusement, les premier et deuxième substrats 110 et 140 une fois assemblés, peuvent être assemblés à un troisième substrat, par exemple via une colle à base de silicone ou une colle epoxy. Si on le souhaite, la colle peut être chargée en particules métalliques ou en particules céramiques afin d'améliorer la 5 conductivité thermique. En variante, l'assemblage au troisième substrat peut être réalisé par un frittage sur une feuille métallique à haute conductivité thermique. Par exemple, le circuit électronique 130 peut réaliser une des fonctions suivantes, l'implémentation desquelles étant à la portée de l'homme du métier : 10 - 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; - circuit permettant de basculer entre au moins deux fonctions lumineuses 120, par exemple entre une fonction « high beam » et une fonction « low 15 beam »; - circuit permettant de choisir un branchement électrique spécifique de plusieurs groupes de diodes électroluminescentes. Le circuit peut notamment basculer entre un branchement en série et un branchement en parallèle de plusieurs groupes de diodes de la source lumineuse 20 - protection et/ou limitation du courant traversant les diodes électroluminescentes. 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 25 exhaustive. La source lumineuse selon l'invention, y compris ses divers composants qui viennent d'être décrits, est de préférence encapsulée dans un boîtier, de manière à former un seul composant électronique. 30 L'alimentation en courant électrique de la diode 120 et du circuit 130 est de préférence réalisée par une connexion commune au niveau de la surface du substrat 110. Dans l'exemple montré, des plots de connexion 150 (« 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 (« wire bonding »). La 3041144 10 connexion électrique entre les substrats 110 et 130 est réalisée par exemple par des vias 142. La technologie TVS (« Through Silicone Vias ») en soi connue dans l'art permet par exemple de réaliser des trous par perçage laser des substrats. Les trous résultants sont métallisés, typiquement par un dépôt électrochimique de 5 cuivre. Cette configuration est utile lorsque le composant selon l'invention est collé, possiblement par l'intermédiaire d'une feuille métallique à haute conductivité thermique, sur un élément de dissipation thermique en métal, par exemple un refroidisseur. Afin de protéger l'ensemble ainsi installé sur un refroidisseur, le composant peut avantageusement être recouvert d'une matière à base de silicone, 10 d'époxy ou d'une matière acrylique. Dans d'autres applications, le composant selon l'invention est collé avec sa face émettrice, c'est-à-dire au niveau du premier substrat 110, à un élément optique, par exemple à une lentille. Dans un tel cas, les plots de connexion 150 sont disposés 15 sur le deuxième substrat, par exemple sur les côtés du substrat, et l'alimentation du premier substrat se fait à travers les vias 142. On a représenté en figure 2 une source lumineuse 201 selon un autre mode de réalisation de l'invention. Les références des éléments communs aux modes de 20 réalisation des figures 1 et 2 sont conservées. Tel que représenté en figure 2, une source lumineuse 201 est montée directement sur une lentille 202. Des bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques 220 sont réalisés sur un premier substrat 210, assemblé à un deuxième substrat 240. La source lumineuse 201 est montée sur une face d'entrée de la lentille 202 par collage du premier 25 substrat 210 sur la lentille 202 via de la colle 268. La colle 268 est une colle transparente à base de silicone, et comportant avantageusement une couche de particules photoluminescentes. Il est clair que ce mode de réalisation n'est pas limité à une lentille peut s'étendre à toute pièce optique comme un guide de lumière ou un collimateur. 30 Des plots de connexion par pontage 250 sont réalisés sur une face inferieure du deuxième substrat 240. 3 04 1 14 4 11 L'ensemble source lumineuse 201 - lentille 202 est étanche par rajout d'une protection en résine de silicone, ou en variante en résine acrylique ou résine époxy 290. REVENDICATIONS1. Source lumineuse à semi-conducteur (101) comprenant un premier substrat (110) sur lequel au moins une diode électroluminescente (120) est disposée, et caractérisée en ce que la source comprend un deuxième substrat (140) attaché au premier substrat, et comprenant un circuit électronique (130) destiné à réaliser une fonction nécessaire au pilotage de la ou des diodes. 10 Source lumineuse selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième substrat est en Silicium. 3. Source lumineuse selon une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce 15 que le deuxième substrat (140) est attaché au premier substrat (110) sur la face opposée à la face sur laquelle la ou les diodes (120) sont disposées. 4. Source lumineuse selon une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le premier substrat (110) est en Saphir, en Germanium, en Silicium ou 20 en nitrure de Galium. 5. Source lumineuse selon une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les deux substrats (120, 140) comprennent des vias (142) destinés à l'interconnexion électrique des deux substrats. 25 Source lumineuse selon une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la source comprend une pluralité de diodes électroluminescentes (120). 7. Source lumineuse selon une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce 30 que la source comprend une pluralité de bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques faisant saillie d'un substrat. 3041144 13 8. Source lumineuse selon une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les diodes (120) ou bâtonnets sont répartis en plusieurs groupes, les diodes de chaque groupe étant aptes à émettre une lumière spécifique. 9. Source lumineuse selon la revendication 8, caractérisée en ce que chacun des groupes est apte à émettre une lumière d'intensité et/ou de couleur spécifique. 10. Source lumineuse selon une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le premier substrat (110) et/ou le deuxième substrat comprend des plots de connexion (150) destinés à le connecter électriquement à un connecteur par pontage. 11. Source lumineuse selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comporte un connecteur comportant des plots de connexion et en ce que ce connecteur et celui des premier ou deuxième substrats comportant des plots de connexion sont connectés électriquement par un pontage via un fil ou un ruban métallique soudé aux plots de connexion du connecteur et de la source lumineuse. 12. Source lumineuse selon une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que les premier et deuxième substrats, la ou les diodes électroluminescentes, le circuit électronique et le connecteur sont encapsulés dans un même boîtier dont au moins une partie, voire la totalité est apte à laisser passer de la lumière émise par les diodes électroluminescentes. 13. Source lumineuse selon une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que le circuit électronique (130) 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 ; - circuit permettant de basculer entre au moins deux fonctions lumineuses ; 3041144 14 - circuit permettant de choisir un branchement électrique spécifique de plusieurs groupes de diodes électroluminescentes ; - protection et/ou limitation du courant traversant les diodes électroluminescentes. 5 14. Module lumineux comprenant - au moins une source lumineuse (101) apte à émettre des rayons lumineux ; - un dispositif optique apte à recevoir les rayons-lumineux et à produire 10 un faisceau lumineux ; caractérisé en ce que la ou les sources lumineuses sont conformes à une des revendications 1 à 9. 15. Module lumineux selon la revendication 14, le module lumineux comportant 15 un échangeur thermique, caractérisé en ce que la source lumineuse est fixée directement sur l'échangeur thermique. 16. Procédé d'assemblage d'une source lumineuse à électroluminescence (101) selon une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend les 20 étapes suivantes : mise à disposition d'un premier substrat (110) sur lequel au moins une diode électroluminescente (120) est disposée ; - mise à disposition d'un deuxième substrat en silicium (140), comprenant un circuit électronique (130) destiné à réaliser une 25 fonction nécessaire au pilotage de la ou des diodes (130), et - assemblage des deux substrats (110, 140).