Brevet FR2320242A1 — publié le 19770304

L'invention concerne un emballage scellé modulaire de composants électroniques. On connut des emballages tels que ceux décrits dans les brevets U.S. 3.721.746 et 3.816.911. Le brevet U.S. 3.721.746 décrit un système d'emballage dans lequel une plaquette de circuit imprimé est garnie de composants sur un coté et munie de connecteurs électriques sur le coté opposé, est placée dans une boite dont les cotes, le fond et la partie supérieure sont formés par une feuille métallique traitée chimiquement. La boite est montée par des pattes recourbées, traitées chimiquement, et des lèvres et l'en- semble est soude ou est fixé par une colle métallique et de adhésif métallique. Ce brevet décrit également l'utilisation de mousse syntactique pour ltencapsulage. Le brevet U.S. 3.816.911 décrit des procédés de réalisation d'ensembles déjå décrits. Divers problèmes se sont posés lors de la fabrication et de l'utilisation de ces ensembles dans des missiles. Les composants électriques de masse relativement élevée ont eété arrachés de la plaquette du circuit lorsque ensemble était soumis à des accélérations allant de 850 à 1500 g (pesanteur). Les composants fournissant lgénergie ont surchauffé par suite des problèmes de faible transfert calorifique de la plaquette de circuit isolée vers le bolier électrique. On a rencontré des difficultés pour la réalisé sation des connexions électriques entre les boîtiers électriques voisins, lorsque ceux ci étaient empilés pour former un ensemble. Lorsque des composants électriques réglables sont montés dans l'ensemble, l'utilisation de mousse syntactique pour les capsules a limité les possibilités de réglage a la période précédant ltencapsulage. En outre, ces ensembles ne peuvent pas toujours s'utiliser tel que décrit dans les documents cités. Il est souvent nécessaire de les emballer à nouveau pour les sceller vis-a-vis des éléments environnants, tout en permettant les branchements électriques entre ces emballages et l'extôrieur. La présente invention remédie aux inconvénients et diffi cultés des systèmes d'emballage connus, en utilisant un système d'emballage et dgétanchéité supplémentaires des techniques d'accès de circuit, améliorées pour les interfaces de cablage extérieurs, un montage de composants à forte dissipation d'énergie à l'intérieur du boîtier électriques avec des moyens pour cabler la plaquette de circuit sans gener la liberté de mouvement de la plaquette de circuit, un montage amélioré pour des composants de masse relativement élevée et l'utilisation d'une nacelle souple pour éviter que les produits d'encapsulage ne gênent le réglage des composants électriques variables. Suivant une caractéristique de l'invention, on a un système d'emballage modulaire qui permet l'utilisation d'ensembles multiples de boîtiers électriques dans un environnement scellé, avec un tracé de conducteurs et un câblage interne permettant l'ouverture des éléments modulaires pour l'entretien, et donnant des connexions électriques vers les ensembles extérieurs du système modulaire. Suivant une autre caracteristique de l'invention, on utilise une nacelle pour éviter que le matériau dencapsulage et la soudure n'interfèrent avec le réglage des composants électriques variables. Suivant une autre caractéristique de la présente invention, on a un système de montage qui permet un transfert dVénergie calorifique, efficace des composants électriques à forte dissipation calorifique, vers le boîtier électrique tout en permettant un mouvement libre entre le composant électrique et la plaquette de circuit imprimé, tout en permettant des branchements électriques. Suivant une autre caractéristique de l'invention, on a un système de montage pour des composants de masse relativement élevée sur la plaquette de circuit imprime, offrant une résistance plus grande à la fois pour le composant et la plaquette de circuit imprimé, par la mise en place sélective et l'utilisation limitée d'un agent de collage entre ces éléments. Suivant une autre caractéristique de 11 invention, on a un système permettant l'accès électrique à la plaquette de circuit imprimé dans le boîtier électrique, en prolongeant une partie de la plaquette de circuit à travers un orifice du boîtier électrique, ce prolongement ayant des connexions pour les conducteurs et les câbles de l'extérieur du boîtier électrique, en étant relié électriquement à la partie restante de la plaquette de circuit dans le boîtier électrique, par I'lntermédiaire du modèle de câblage du circuit imprimé sur la plaquette. Les caractéristiques précédentes de l'invention ainsi que d'autres caractéristiques ressortent plus clairement de la description détaillée suivante d'un mode de réalisation de l'invention, description faite en liaison avec les dessins annexés, dans lesquels La figure l est une vue éclatée d'un ensemble modulaire scellé de l'invention comprenant une structure de tracé de conducteurs et de cables caractéristique, La figure 2 est une vueplus détaillée du prolongement de-la plaquette ie 'ircuit imprimé assurant les connexions élec triques extérieures cie I ensemble électrique dans le boltier électrique. Les fics es 3a et 3b representent un schéma de montage caracteristique pour un composant de masse importante sur la plaque de circuit dans le boitier électrique (la figure 3a est une vue de côté; la figure 3b est une vue de dessus); La figure 4 est une coupe transversale partielle d'un transistor caractéristique monte selon la présente invention pour permettre un bon transfert de la chaleur vers le boîtier électrique tout en assurant les branchements électriques entre le transistor et la plaquette de circuit imprimé, sans gêner la liberté de mouvement de la plaquette de circuit imprimé, - La figure 5 représente l utilisation d'une nacelle souple pour entourer un composant électrique variable pour éviter la pénétration du matériau dencapsulage, dispersé ou de la soudure dans le composant La figure l représente trois boitiers électriques 10, 12, 15. Ces boîtiers sont respectivement entourés par des sections modulaires formant ga@nes 14 16 18. Les sections modulaires 14, 16, 18 sont essentiellement des boites à cinq cotés. Les boîtiers électriques 10 et 12 sont séparés par une nappe de mousse de compression 20. Les boîtiers électriques 12 et 15 sont séparés par le fond de la gaine 16 et de la nappe de mousse 22.La section de gaine 14 présente un bord inférieur rainuré 24 recevant un anneau torique 26. Ainsi. lorsque les sections 14 et 16 viennent l'une contre l autre l'anneau torique 26 assure un joint entre ces deux sections. De la manière , la section 18 présente une gorge 28 å son bord supérieur pour recevoir un anneau torique 30. Ainsi, lorsque les sections 18 et 16 sont réunies, l'anneau torique 30 assure l'étanchéité entre ces deux sections. La plaquette de mousse 32 est placée au-dessus du boîtier électrique 10 et â tinté rieur de la section 14. La nappe de mousse inon représentée) est placée sous le boitier électrique 15 et à l'intérieur de la section 18. Les plaques de mousse 20, 22 sont des plaques de compression qui sont maintenues en place par l'assemblage de l'ensemble. La nappe de mousse 32, la nappe entre le boîtier électrique 12 et le fond de la section 16 (non représentée), ainsi que# la nappe entre le boîtier électrique 15 et le fond de la section 18 (non représentée) sont revêtues d'une double colle de couche sensible à la pression (sur les deux faces) telle qu'une mousse dvuréthanes pour maintenir les boîtiers électriques 10,, 12, 15 dans les sections d'entourage 14, 16, 18. Le faisceau de cable 34 est utilisé pour relier électriquement les bol tiers électriques 10, 12, 15. Le faisceau de câble 34 est guidé au voisinage des parois communes à l'intérieur des sections d'entourage 14, 16 et 18. Ce tracé est choisi de façon à permettre l'assemblage facile du système modulaire. Comme le faisceau de cable 34 est voisin d'une paroi commune 36, 36', 36" de tous les trois modules, cela permet d'ouvrir le système modulaire comme s'ouvriraient les pages d'un livre. Pour poursuivre cette analogie, le dos du livre est la paroi commune 36, 36',-36". C'est pourquoi ce livre à trois pages peut s'ouvrir le long des lignes de jonction de la paroi 36 sans étirer inutilement le câble 34. Ainsi, en fait, les lignes de jonction des parois 36, 36' et 3 & forment des articulations fictives autour desquelles les trois modules peuvent s'ouvrir et se fermer. Etant donné cette disposition, il n'est pas nécessaire que le faisceau de cable 34 soit plus long que la longueur nécessaire aux connexions internes des boîtiers électriques 10, 12 et 15 lorsque le "livre" est fermé. Dès que le livre est fermé, constituant l'ensemble compact final, les vis 38 (trois vis représentées pour quatre vis utilisées) sont introduites à travers les sections d'entourage 14 et 16 dans les orifices filetés 40 de la section d'entourage 18. La section 18 est représentée comme comportant un connecteur 42, scellé, pour les branchements électriques des câbles extérieurs. Les sections modulaires protectrices 14, 16 et 18 peuvent être usinées dans une pièce métallique rigide ou encore par coulée. Les quatre nappes de mousse séparant les boîtiers électriques 10, 12, 14 l'un de l'autre et des sections d'entourage 14 et 18 peuvent être en un matériau élastique adéquat quelconque, de préférence une mousse d'amortissement à forte hystérésis. Ces nappes sont placées de façon a' permettre l'absorption des chocs et l'amortissement mécanique des boîtiers électriques 10, 12, 15 dans les entourages 14, 16, 18. Les boîtiers électriques 105 12, 15 sont comme ceux décrits dans les brevets U.S. 3.721.746 et 3.816.911. Après le vissage de ensemble par les vis 38, on peut accéder aux boîtiers électriques intermédiaires tels que le boîtier 12 par exemple par le trou 44. Cela est particulièrement utile pour effectuer un réglage diaccord final dans ensemble apres son montage. L?orifice 44 peut être fermé par un couvercle 46 après avoir réalisé cet accord. Le couvercle 46 peut être en un métal analogue à celui formant la section d9entourage 16; il peut être soudé ou colle. En variante on peut accéder en enlevant la vis de couvercle 48 qui est fixée de façon étanche par un anneau torique (non représenté) pour permettre accéder aux trous en-dessous. Lorsque le montage est réalisé, l'ensemble est séparé de façon étanche par rapport aux éléments extérieurs tout en donnant une protection contre les chocs et les variations de température. Il est clair qu'un spécialiste peut envisager de multiples variantes de cette structure pour aboutir aux mêmes résultats. Le schéma de montage interne selon l'invention assure l'isolation électrique entre les boîtiers électriques 10, 12, 15 et les moyens d'entourage de protection 14, 16 18, à l'exception de toute connexion électrique déterminée par le faisceau de câble de liaison 34. Cela laisse au réalisateur la plus grande liberté pour envisager la structure électrique et pour réduire les problèmes de bruits électriques. Ces problèmes proviennent généralement des multiples chemins de masse qui sont considérablement réduits dans la structure représentée aux figures. Suivant une autre caractéristique de Igassemblage d'emballage selon lTinvention, tout l'ensemble est réalisé en particulier pour pouvoir être monté sur la plaque de refroidissement 49 d'un véhicule. Un tel véhicule peut être un satellite lancé dans l'espace ou un missile, et qui comporte une plaque de refroidissement pour les composants électriques dissipant de la chaleur, montés dans le véhicule. Les entourages électriques 14, 16 et 18 sont empilés de façon à donner un chemin thermique entre les composants électriques à ltintérieur des boîtiers électriques 10, 12, 15. De cette façon, la chaleur dégagée par les composants électriques mis en oeuvre est évacuée à la plaque de refroidissement par îtintermédiaire des boîtiers et des entourages. On se reportera ci-après à la figure 2. La figure 2 est une coupe transversale dçune structure de boîtier électrique permettant le prolongement de la plaquette de circuit interne 52 à l'extérieur d'une paroi de boîtier verticale 54. Les composants d'amortissement, formant écrans, 56 qui se trouvent sous la plaquette 52, débordent également par rapport à la paroi 54 du boîtier électrique 50. La plaquette 52 et les composants d'amortissement formant écrans 56 traversent la paroi 54 par l'orifice 58 réalisé dans cette paroi 54.Le couvercle inférieur du boîtier électrique 50 déborde par rapport à la paroi verticale 54 comme représenté en 602. La lèvre 62 tournée vers le haut, du prolongement du couvercle inférieur 602S assure la protection des extrémités de la plaquette 62 et des composants d'amortissement formant écrans 56. Cette lèvre peut également servir à protéger les côtés de la .pîa- quette 52 et des composants d'amortissement formant écran 56 qui sont perpendiculaires à la paroi latérale 54s toutefois, cette partie de lèvre 62 n'est pas représentée à la figure 2. Le prolongement 602 du couvercle inférieur et la lèvre 62 peuvent être maintenus par un gousset 65. Les connexions électriques peuvent être imprimées sur la plaque de circuit 52 dans la zone 64 pour le branchement des câbles extérieurs. Les connexions dans la zone 64 sont reliées pour équilibrer la plaquette de circuit imprimé à l'aide des techniques de câblage de circuit imprimé classiques, bien connues des spécialistes. Les composants relativement lourds tels que le transformateur 70 des figures 3a9 3b, qui peut subir des accélérations brutales de l'ordre de 850 g à 1 500 g, offrent des difficultés particulières au montage. Selon l'invention, le transformateur 70 est monté sur une plaquette de circuit imprimé 72. La plaquette de circuit imprimé 72 est longue et étroite; cette plaquette est maintenue le long de ses bords sur les cotés internes du boîtier électrique 76. La plaquette de circuit imprimé 72 est supportée par en-dessous par un système d'amortissement formant écran 74. Il a été constaté que des composants électriques de masse relativement importante tels que le transformateur 70 ont une meilleure chance de résister à des impulsions sous forme de chocs très importantes ou autres paramètres dynamiques d'accélération G, lorsqu'ils sont montés pour pouvoir tourner quelque peu librement autour d'un axe parallèle à la largeur de la plaquette de circuit imprimé 72. Les figures 3a, 3b représentent cette structure utilisée dans la présente invention. Les références numériques des figures 3a et 3b qui sont identiques se rapportent aux organes identiques. L'axe 78 du transformateur 73 est oriente' perpendiculaire à la grande dimension de la plaquette de circuit 2 représentée par la flèche à double extrémite 80.Les moyens de liaison 82, 822 sont centrés sur l'axe 78 et occupent seulement une distance limitée le long de la périphérie du transformateur 0 â partir de l'axe 78. On a constaté que cette structure permettait des niveaux de choc allant de 850 g à 1500 g. Le transformateur 70 et la plaquette de circuit 72 peuvent résister à de tels chocs et continuaient à fonctionner. Dans le mode de réas lisation décri, le transformateur 70 est formé de deux moitiés de ferrite maintenues réunies par une bague d'encliquetage 84. Dans ce mode de réalisation les cordons de colle 82, 829 sont appliqués aux interfaces entre la bague 84 et orifice 86 de la plaquette 72. Cela est réalisé puisque la bague 84 est au voisinage immédiat de la périphérie de couverture 86 de la plaquette 72. Il n'est pas important que la liaison soit faite sur la bague 84 et en l'absence de celle ci la liaison pourrait être faite directement sur le transformateur 70. Alors qu'il est important dans les systèmes tels que ceux décrits que la plaquette de circuit et les composants montés sur la plaquette puissent se déplacer librement pour absorber les chocs et les vibrations il est tout aussi important que les dispositifs créant des températures élevées soient reliés thermiquement à une surface adéquate pour évacuer du modèle ou du système toute chaleur excessive. La figure 4 représente un mode de réalisation caractéristique de l inventioslF dans lequel le composant électrique 90 qui dégage une forte chaleur est monté directement sur le couvercle 92 du boltier électrique par lrintermédiaire du dispositif 94 formant un puits de chaleur. Le dispositif formant puits de chaleur 94 comprend un filetage femelle 96 permettant le montage sur le couvercle 92 du boiter électrique par une vis à tête plate 98.Une graisse adéquate (non représentée) qui peut etre une graisse de silicone est appliquée entre le dispositif formant puits de chaleur 94 et le couvercle 92 du boîtier électrique avant le montage avec la vis 98 à tete plate, de façon à augmenter les ca ractéristiques ce transfert calorifique par le joint obtenu. Le matériau 100 est utilisé pour éviter la rotation du dispositif formant puits de chaleur 94 pendant le montage de la vis 98. Le dispositif formant puits de chaleur 94 et le composant électrique CO monté dans celui ci est disposé de façon à etre centré dans l#ori- lice 102 de la plaquette 72 et de ensemble d'amortissement formant écran 74.Ce montage assure qu9il n'y a pas de contact physique entre le composant électrique 90 le dispositif formant puits de chaleur 94 et la plaquette 72 ou l ensemble d#amortissement formant écran 74. Ce montage interdit tout risque d'interférence entre les composants D ce qui créerait un choc supplémentaire pour ces composants. Les conducteurs électriques 104, 106 et 108 servent à faire les connexions électriques entre le composant électrique 90 et la plaquette de circuit 72. Les conducteurs électriques 104, 106 et 108 sont réalisés pour supprimer toutes les contraintes de flexion induites.Les procédés de branchement utilisés aux extrémités des conducteurs électriques 104, 106 et 108 peuvent être de n import quel type généralement utilisé dans l'industrie, tel que le soudage. Comme certains composants électriques tels que les condensateurs et les résistances variables sont nécessairement utilisés dans des systèmes de ce type, il est avantageux de pouvoir régler un tel composant après son montage sur la plaquette de circuit imprimé et après encapsulage dans le système. La figure 5 montre le schéma utilisé dans la présente invention pour éviter que le matériau de remplissage 110 ne pénètre dans l'enceinte occupée par le composant électrique 112. La nacelle 114 qui peut être réalisée en un matériau souple tel que du caoutchouc de silicone entoure le composant 112. Les conducteurs 116, 1169 du composant électrique variable 112 traversent les orifices étroitement adaptés 118, 118 de la nacelle 114.Les interfaces ainsi formés entre les conducteurs 116, 116 du composant électrique variable et les orifices 118 peuvent etre scellés par une matière collante adéquate telle que du caoutchouc de silicone. Le composant électrique 112 est collé à la nacelle 114 par de la colle 113 pour être solidarisé de la nacelle 114 et avoir ainsi un support lorsque- ce composant est soumis à des contraintes dynamiques importantes.Ainsi, lorsque les conducteurs 116, 116 r du composant sont soudés dans la plaquette de circuit 72p la soudure ne peut passer par interface et arriver au niveau du composant électrique 112. C-est pourquoi on voit que le composant électrique variable 112 est protégé contre l'introduc- tion de matière de remplissage 110, qui peut entre une mousse syntactique ou de la soudure servant au montage du composant électrique variable 112 sur la plaquette 72. Ainsi 9 les effets corrosifs et électriques de ces deux matériaux ne se répercutent pas sur le composant électrique. La nacelle 114 est réalisée en un matériau souple pouvant être déformé pour s'adapter étroitement aux composants électriques adjacents 120. Cela permet de réaliser la nacelle 114 avec des tolérances plus grandes que cela serait nécessaire dans des circuits à forte densité. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ciXdessus décrit et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres formes et d'autres modes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 10) Emballage modulaire scellé pour des boîtiers électriques (10, 12, 15) empilés en série, chacun des boîtiers électriques contenant une plaquette de circuit (52) flottante du point de vue physique et ayant plusieurs composants électriques, emballage caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (20, 22) pour séparer les séries empilées de boîtiers électriques et assurer leur isolation vis vis de 1 'environnement, un moyen (34) pour faire les connexions électriques entre tous les boîtiers électriques empilés;; un moyen (36, 36gus 36") pour enfermer de façon modulaire et protectrice la pile de boîtiers électriques sur cinq cotés, un moyen (26, 30) pour sceller le moyen d'entourage et donner un ensemble complètement scellé, un moyen (42) pour faire les connexions électriques avec les boîtiers électriques du moyen d'entourage, pour l'extérieur, et - un moyen (38) pour maintenir les moyens d'entourage, réunis pour ne former qu'un seul ensemble scellé. 20) Emballage modulaire scellé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les séries de boîtiers électriques sont empilées de façon à pouvoir être manipulées séparément et sélectivement autour d'articulations fictives le long d'un côté de la pile, et des moyens pour faire les connexions électriques entre tous les boîtiers électriques empilés comportent des câbles et des conducteurs (34) ainsi que des moyens pour aligner tous les cables et conducteurs des connexions électriques dans la série empilée de boîtiers électriques, au voisinage des parois pour former les articulations fictives, pour que les câbles et conducteurs puissent fléchir autour de ces articulations fictives. 30) Emballage selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est monté sur une plaque de refroidissement (49) d'un véhicule, et les boîtiers électriques comportent des moyens ayant des chemins thermiques de façon que la chaleur soit évacuée des composants électriques vers la plaque de refroidissement à travers les boîtiers et les moyens dientourage. 406 Emballage modulaire scellé selon la revendication 1, caractérisé en ce qucau moins l'un des boîtiers électriques comprend en outre un moyen (94, 96, 98) pour fixer mécaniquement un composant électrique (90) sur une partie interne du boîtier électrique, un moyen (94) pour assurer le transfert de l'énergie thermique du composant électrique vers le boîtier électrique, un noyen (122) pour éviter le contact physique entre le composant électrique (90) et la plaquette de circuit (72) flottante et un moyen conducteur souple (104, 106, 108) pour faire le branchement entre le composant électrique et la plaque de circuit flottante. 5 ) Emballage selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen évitant le contact physique comprend un orifice (102) place dans la plaquette de circuit (72) flottante, de façon que le composant électrique soit placé dans cette ouverture tout en étant plus petit, permettant ainsi le mouvement relatif entre la plaquette de circuit flottante et le composant électrique. 6 ) Emballage selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen conducteur souple (104, 106, 108) est réalisé pour réduire le fléchissement. 7 ) Emballage selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen pour assurer le transfert de l'énergie calorifique comprend une graisse conductrice de chaleur. cette graisse étant comprimée entre le composant électrique et le bolier électrique, le moyen (96, 98) de fixation mécanique assurant cette compression. 8 ) Emballage modulaire scellé selon la revendication I, caractérisé en ce que, au moins l'un des boîtiers électriques comprend : un moven pour éviter que la soudure et le matériau de remplissage (110) ne remplissent un volume interstitiel dans 1-enceinte électrique dtun composant électrique (112), une nacelle (114) enfermant le composant électrique, cette nacelle étant ouverte sur le côté supérieur et ayant au moins un orifice étroitement adapté (118,- l18#) pour permettre le passage d'au moins un conducteur électrique (116, 1169) pour le composant électrique, et un moyen (113) pour assurer l'étanchéité entre au moins un orifice ut au moins un conducteur électrique pour éviter que la soudure et la matière de remplissage interstitielles ne pénètrent dans la partie Interne de la nacelle. 90) Emballage selon la revendication 8, caractérisé en ce que la nacelle est un matériau souple. 100) Emballage modulaire scellé selon la revendication 1, caractérisé en ce qutau moins l'un des boîtiers électriques comprend un moyen remballage pour la plaquette de circuit (52), un moyen formant écran (56) pour protéger la plaquette de circuit ainsi qugun moyen (56i pour amortir et maintenir la plaquette de circuit, ce moyen étant placé entre le moyen formant écran et le cote de la plaquette de circuit, et une cloison avant 154) montée sur la plaquette de circuit de façon qu une partie d'extrémité de la plaquette de circuit, le moyen d'amortissement et le moyen formant écran viennent en saillie au--delå de cette paroi avant pour former une partie en saillie (64) permettant de réaliser les connexions électriques dans leenceinte formée par la paroi latérale jusqu'au dela de celle--ci.