Brevet FR2527039A1 — publié le 19831118

DISPOSITIF DE PROTECTION D'UN DISPOSITIF ELECTRONIQUE CONTRE LES TENSIONS ENGENDREES PAR UN CHAMP ELECTROMAGNETIQUE La présente invention a pour objet un dispositif de protection d'un composant et/ou d'un circuit électronique contre les pertur-. bations (tensions) engendrées par un champ électromagnétique exté- rieur, tel que l'onde dite EMP due à une désintégration atomique ou nucléaire. Ainsi qu'il est connu, la présence d'un champ électro- magnétique provoque dans des composants ou des circuits électro- niques l'apparition de tensions qui, lorsque le champ est très intense, peuvent entraîner le claquage et la destruction des composants Une protection contre ces tensions parasites est donc nécessaire et elle est d'autant plus difficile à réaliser que le champ en question est susceptible d'apparaître brutalement, avec un temps de montée faible, pouvant atteindre dans certains cas la dizaine de nano- secondes, ce qui est par exemple le cas de l'onde EMP sus- mentionnée. Il est connu de tenter de réaliser une telle protection en enfermant le circuit ou le composant à protéger dans un blindage ou une cage de Faraday Toutefois, cette protection s'avère insuffi- sante du fait que ces composants ou circuits ont nécessairement des connexions électriques avec l'extérieur, qui forment antenne en présence d'un champ extérieur et permettent l'arrivée de charges parasites dans l'élément à protéger. La présente invention a pour objet un dispositif de protection permettant d'éviter les inconvénients ci-dessus et, ce, en drainant les charges parasites vers l'extérieur au niveau de chacune des connexions de l'élément protégé. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de protection d'un dispositif électronique contre un champ électro- magnétique extérieur, comportant: des moyens de liaison électrique,- dont la conductivité augmente sous l'effet du champ électro- -2 magnétique extérieur, entre chacune des connexions de sortie du dispositif électronique et une évacuation et/ou un réservoir des charges créées par le champ. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés qui représentent: la figure 1,-un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention, appliqué à la protection d'un composant électronique; la figure 2, un deuxième mode de réalisation du -dispositif selon l'invention adapté à un boîtier de type "chip carrier"; la figure 2 a, une vue en coupe partielle de la figure précédente; la figure 3, un troisième mode de réalisation du dispositif selon l'invention, également adapté à un boîtier de type "chip carrier"; les figures 4, a b et ci trois modes de réalisation du dispositif selon l'invention appliqué à la protection d'un circuit électronique monté sur une carte; les figures 5, a b et c, trois modes de réalisation du dispositif selon l'invention appliqué à un connecteur pour cartes portant des circuits électroniques. Sur ces différentes figures, d'une part les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments et, d'autre part, les dimensions réelles de ces éléments n'ont pas été respectées pour la clarté du dessin. Sur la figure 1, on a donc représenté un composant électro- nique C muni par exemple de quatre plots de connexion ( 1, 2, 3 et 4) qui sont reliés chacun classiquement par un fil conducteur ( 10) à des conducteurs, par exemple constitués par les pistes de l'embase du boîtier B (céramique ou plastique) qui porte le composant, repérés respectivement 11, 12, 13 et 14 Dans cet exemple, c'est la connexion 3 et lapiste 13 qui constituent la masse de l'ensemble du dispositif. Selon l'invention, il est prévu un cadre enfermant le compo- sant, à proximité de celui-ci, constitué par une couche V d'un matériau var-istance recouverte d'une électrode conductrice E, par exemple de largeur un peu inférieure à celle de la couche V; ce cadre V est déposé sur le support B et sur les conducteurs Il à 14. L'électrode E est reliée à la piste 13 par une languette 15. Ainsi qu'il est connu, un matériau varistance qui est constitué en général d'oxyde de zinc dopé (par des oxydes de bismuth, cobalt, chrome, molybdène, antimoine, etc) présente une résistance non linéaire: il n'est pas électriquement conducteur lorsque la diffé- rence de potentiel qui lui est appliquée ne dépasse pas une certaine tension de seuil (VC), et il le devient après ce seuil Ce phénomène étant dû à un effet de champ, la commutation entre l'état conduc- teur et l'état non conducteur est très rapide (elle peut être égale ou inférieure à 1 ns) Un tel matériau peut être déposé de toute façon connue: par exemple sérigraphie sur le support B du composant C lorsque celui-ci est en céramique ou encore déposé, par pulvéri- sation cathodique par exemple, lorsque ce support est plastique. Le fonctionnement d'un tel dispositif est le suivant: en l'ab- sence de tout champ électromagnétique extérieur, les signaux passent des pistes 11-14 aux plots 1-4 du composant C sans être perturbés par le cadre V ni l'électrode E, puisque le matériau varistance n'est pas conducteur et donc que l'électrode E se trouve isolée des pistes 11, 12 et 14 Lorsque un champ électromagnétique est appliqué sur le dispositif, si son intensité par rapport au seuil Vc du matériau varistance est suffisante, il rend ce dernier conducteur, ce qui a pour effet de relier les pistes 11, 12, 13 et 14 entre elles (et à la masse) par l'intermédiaire de l'électrode E Il en résulte que les charges électriques créées par le champ extérieur n'entrent pas dans le composant C mais sont drainées vers la masse du dispositif, réalisant ainsi la fonction de protection recherchée. Ainsi qu'il est connu également, la tension de seuil Vc d'une varistance est fonction de l'épaisseur de celle-ci et peut donc être choisie en fonction des intensités auxquelles on peut s'attendre pour les champs électromagnétiques perturbateurs, lorsqu'elles sont connues Dans tous les cas, le seuil V doit être supérieur à la plus élevée des tensions de travail du composant C; pour constituer une protection efficace, il est clair que cette tension V doit toutefois être inférieure à la tension de claquage du composant et, de préférence, aussi proche que possible de sa tension de travail. Toutefois, des considérations technologiques de tolérance de fabri- cation sur l'épaisseur de la couche constituant la varistance peuvent conduire à choisir Vc de l'ordre de deux à trois fois la tension de travail la plus élevée du composant. A titre d'exemple, pour une tension de travail de 12 volts, la valeur choisie pour VC peut être de l'ordre de 30 volts, qui est une tension' inférieure à la tension de claquage de la plupart des composants électroniques actuels. Il ressort de ce qui précède qu'un avantage du dispositif de protection selon l'invention est que, outre le fait de permettre une protection efficace, il est susceptible d'être intégré sur le support du composant. La figure 2 montre, vu de dessus, un mode de réalisation pratique du dispositif selon l'invention dans un boîtier de type "chip carrier" On rappelle qu'un tel boîtier se caractérise essentiellement par l'absence de broches de connexion, qui sont remplacées par des dépôts métalliques. On a schématisé sur la figure 2 le composant C et quelques uns de ses plots de connexion ( 1 et 3), fixés sur le substrat d'un boîtier "chip carrier" répéré CC; le substrat porte un certain nombre de conducteurs sous forme de dépôts métalliques tels que Il et 13, qui se prolongent jusqu'à la périphérie du substrat au droit de demi-trous ( 20); ainsi qu'il est connu, les dépôts conducteurs se prolongent à l'intérieur de ces demi-trous sur la tranche du boîtier et s'achèvent sur le dessous du boîtier o ils constituent les connexions de sortie de ce dernier. Ainsi qu'il apparaît sur la figure 2 a, qui est une vue en coupe partielle réalisée selon l'axe XX de la figure 2, les métallisations 2527039. telles que 11 et la métallisation de masse 13 sont déposées direc- tement sur le substrat CC Les métallisations Il sont recouvertes par la couche de matériau varistance V qui entoure le composant C, sauf au niveau de la connexion de masse 13 L'électrode E recouvre la couche V et se prolonge sur la piste de masse 13, réalisant ainsi la connexion électrique entre les éléments E et 13. Le fonctionnement du dispositif selon l'invention est identique à ce qui est décrit ci-dessus pour la figure 1. La figure 3 représente un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, également adapté à un boîtier de type -"chip carrier" mais comportant en outre une capacité intégrée dans le substrat du boîtier. Sur cette figure, on retrouve le substrat CC d'un boîtier "chip carrier", vu de dessus, présentant des métallisations ( 11, 13, 16) réparties à sa périphérie, ainsi que le cadre de matériau varis- tance V et l'électrode E Parmi les métallisations, on retrouve la métallisation 13 reliée à la masse, deux métallisations telles que 11, reliées au composant qui n'est ici pas représenté, et une métalli- sation 16 qui n'est reliée ni au composant ni à l'extérieur du dispositif mais qui sert de connexion entre l'électrode E par l'inter- médiaire de la languette 15 et une métallisation 22 déposée sur l'une des faces du substrat CC; la métallisation 22 forme l'une des arma- tures d'un condensateur dont le diélectrique est formé par le substrat CC et l'autre armature par une métallisation 21 déposée sur l'autre face du substrat; la métallisation 21 est reliée à la conne- xion de masse 13. Ainsi qu'il apparaît, par rapport au mode de réalisation de la figure 2, une capacité (d'armature 21 et 22) a été interposée entre l'électrode E et la connexion de masse 13. Ce mode de réalisation a pour avantage de permettre par la capacité ainsi interposée de stocker sur place au moins une fraction des charges créées par le champ électromagnétique extérieur, afin d'éviter un trop grand transfert de charges vers la masse qui est à son tour susceptible de créer des perturbations, par exemple une tension parasite par induction selfique. Il est à noter qu'il est connu d'intégrer des capacités sur le substrat d'un bottier du type "chip carrier", ce qui est notamment décrit dans les demandes de brevet N O 79-11852, 80-18927 et 80- 26076, toutes trois au nom de THOMSON-CSF La capacité de stockage précédente peut être ou non confondue avec les capacités de découplage décrites dans les demandes de brevet sus- mentionnées. Les figures 4, a b et c, représentent trois modes de réalisation du dispositif selon l'invention, appliqués à la protection d'un ou plusieurs circuits électroniques montés sur une même carte (circuit imprimé ou céramique). Sur la figure 4 a, on a représenté l'extrémité d'une carte S supportant un ou plusieurs composants ou circuits électroniques (non représentés), vue à son extrémité de connexion, c'est-à-dire celle o elle se termine par des pistes conductrices destinées à coopérer avec d'autres cartes par l'intermédiaire de connecteurs Ces pistes sont par exemple de deux sortes, d'une part deux pistes de masse repérées respectivement 31 et 32 situées aux deux extrémités de la carte S et, d'autre part, des pistes 33 assurant l'alimentation et les entrées-sorties de signaux des différents circuits et composants portés par la carte S. Selon l'invention, cette carte S porte en outre une couche en forme de bande de matériau varistance repérée VS, constituée et déposée sur l'extrémité des pistes 33 avantageusement de la même manière que le cadre V des figures précédentes, et recouverte par une électrode ES qui est en contact électrique avec la ou, en l'occurence, les pistes ( 31 et 32) reliées à la masse du dispositif. Selon que la carte S est en céramique ou est un circuit -imprimé, le matériau varistance V 5 peut être déposé par sérigraphie ou pulvérisation cathodique, etc. Le fonctionnement de ce dispositif de protection situé au niveau de la carte S est identique à ce qui a été décrit pour un composant seul précédemment, à savoir que lorsqu'un champ élec- tromagnétique extérieur perturbateur est d'une intensité suffisante, le matériau constituant la couche V devient conducteur et les charges créées à l'extérieur de la carte et arrivant par les conne- xions 33 se trouvent, par l'intermédiaire de l'électrode Es alors en contact électrique avec elles, évacuées vers la masse par les connexions 31 et 32, ne peuvent donc pas atteindre les circuits portés par la carte, assurant ainsi la protection recherchée. Il est à noter que ce dispositif de protection décrit figure 4 a peut être utilisé cumulativement avec des dispositifs de protection tels que décrits dans les figures précédentes au niveau de chacun des composants ou circuits électroniques utilisés sur la carte. La figure 4 b représente une variante de réalisation du dispo- sitif de protection d'une carte électronique. Sur cette figure, on retrouve la carte S, une connexion de masse 32 et des connexions d'entrée-sortie de différents circuits repérées 33 Cette carte porte en outre une plaquette allongée 34, recouvrant sensiblement tout le bord de la carte S, interposée sur les connexions 32 et 33 Cette plaquette 34 est de préférence en céramique et porte la couche varistance Vs et l'électrode Es, dépo- sées de préférence par sérigraphie sur la plaquette 34, ainsi que des électrodes 36 et 35 assurant la continuité électrique sur la pla- quette 34 entre respectivement les pistes 32 et 33 de la carte S Les connexions sont par exemple réalisées sur la figure 4 b par des fils de connexion soudés 37 ou, comme représenté sur la figure 4 c, par des demitrous brasés 38 du type des demi-trous des bottiers "chip carrier". Cette variante, aussi bien dans sa version de la figure 4 b que celle de la figure 4 c, permet, du fait de l'interposition d'une plaquette 34 en céramique, de déposer le matériau varistance V 5 par une technique de sérigraphie lorsque la carte S est une carte de circuit imprimé qui est incompatible avec cette technique. Dans une variante' de réalisation non représentée, il est 2527039; possible d'interposer une capacité entre l'électrode Es et la masse, dans le même but que précédemment. Les figures 5, a b et c, représentent trois modes de réalisation du dispositif selon l'invention appliqués à un connecteur de carte portant des circuits ou composants électroniques. Sur la figure Sa, on a représenté en coupe un connecteur par ses broches de connexion 51 émergeant par des trous ménagés dans une embase isolante CT Sur une même face de l'embase CT, entre chaque paire de broches 51, on a déposé une métallisation E Ci en contact électrique avec une brasure 53 la réunissant à une broche 51 située à droite sur le schéma; cette métallisation E Cl est partiel- lement recouverte par une couche de matériau varistance Vc lui- même recouvert par une électrode EC 2 qui est sans contact élec- trique avec l'électrode Eci mais réunie à une autre broche 51, sur le schéma située à gauche du même élément de l'embase CT, par une brasure 54. Le fonctionnement de ce dispositif est analogue aux dispositifs précédents, à savoir que le matériau varistance VC est choisi et dimensionné de telle sorte qu'il soit isolant en l'absence de champ électromagnétique extérieur de perturbation: de la sorte, les diffé- rentes broches 51 sont sans contact électrique les unes avec les autres, de façon classique En présence de champs perturbateurs, le matériau varistance VC devient conducteur et il apparaît que deux broches 51 successives sont en contact électrique par l'intermédiaire successivement de la brasure 54, d'une première couche conduc- trice EC 2, du matériau varistance Vc devenu conducteur, d'une deuxième couche EC 1 et enfin d'une seconde brasure 53 Il apparaît comme précédemment que les charges créées par le champ pertur- bateur n'ont donc pas la possibilité de franchir le connecteur mais sont évacuées par exemple vers une des broches 51 reliées à la masse. Comme précédemment également, ce dispositif de protection au niveau du connecteur peut être utilisé cumulativement avec une protection au niveau de la carte et une protection au niveau du circuit ou composant lui-même. La figure 5 b représente une variante de réalisation de la figure 5 a. Sur cette figure, on retrouve le connecteur représenté par ses broches de connexion 51 et son embase isolante CT Entre deux broches successives 51 sont déposées sur une même face de l'iso- lant CT deux métallisations EC 3 et EC 4 sans contact électrique mais situées au même niveau Sur les électrodes EC 3 Y EC 4 et entre elles est disposée une couche de matériau varistance Vc La liaison électrique avec les broches 51 est réalisée par deux brasures 54 et 53 reliant respectivement les électrodes E 03 et E 04 à leurs broches 51 respectives. Le fonctionnement est identique à ce qui a été décrit précé- demment La seule différence est d'ordre technologique: en effet, les électrodes EC 3 et EC 4 peuvent être déposées en une même opération, l'espace entre elles étant réalisé par gravure laser. La figure 5 c représente un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention appliqué à un connecteur de carte de. circuit électronique qui comporte l'intégration d'une capacité, de façon analogue à ce qui a été décrit sur la figure 3. Sur cette figure, on retrouve les broches de connexion 51 ainsi que l'embase isolante CT et, à titre d'exemple, les électrodes E 03 et EC 4 et le matériau varistance Vc tel que décrit figure 5 b. Toutefois, l'autre face de la couche isolante CT comporte de plus une électrode repérée 55 s'étendant par exemple sur toute la surface comprise entre deux broches 51; en outre, les brasures faisant la liaison électrique avec les broches de connexion 51 sont légèrement modifiées: en effet, une broche 51 est soit reliée de part et d'autre aux métallisations 55, soit aux métallisations situées sur l'autre face, EC 3 ou EC 4. En fonctionnement, il apparaît que le matériau CT isolant et les électrodes 55, EC 3 et EC 4 forment une capacité dont le rôle est analogue à ce qui a été décrit figure 3. REVENDICATIONS 1 Dispositif de protection d'un dispositif électronique contre un champ électromagnétique extérieur, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens *de liaison électrique, dont la conductivité augmente sous l'effet du champ électromagnétique extérieur, entre chacune des connexions de sortie-du dispositif électronique et une évacuation et/ou un réservoir des charges créées par le champ. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de liaison électrique comportent un matériau varis- tance. 3 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, le dispositif à protéger étant un composant électronique comportant des plots de connexion, placé sur un support comportant des pistes conductrices reliées aux plots précédents, le dispositif de protection étant caractérisé par le fait que les moyens de liaison électrique sont en forme de cadre, placé autour du composant, et qu'ils comportent une couche de matériau varistance, déposée sur le support et sur les pistes qu'elle croise, et une électrode déposée sur la couche varistance, reliée à la masse du dispositif. 4 Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, le dispositif à protéger étant une carte portant au moins un composant électro- nique et des pistes conductrices, le dispositif de protection étant caractérisé par le fait que les moyens de liaison électrique sont en forme de bande, placée vers l'extrémité de la carte destinée à coopérer avec un connecteur, et qu'ils comportent une couche de matériau varistance, déposée sur le support et sur les pistes qu'elle croise, et une électrode déposée sur la couche varistance, reliée à la masse du dispositif. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, le dispositif à protéger étant une carte portant au moins un composant électro nique et des pistes conductrices, le dispositif de protection étant Il caractérisé par le fait qu'il comporte une plaquette portant des pistes conductrices, interposée sur les pistes de la carte vers l'extrémité de cette dernière destinée à coopérer avec un connec- teur, les moyens de liaison électrique comportant une couche en forme de bande de matériau varistance, déposée sur la plaquette et ses pistes qu'elle croise, et une électrode déposée sur la couche varistance, reliée à la masse du dispositif. 6 Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, le dispositif à protéger étant une carte placée dans un connecteur, le connecteur comportant une embase isolante traversée par des broches de connexion, l'une au moins de ces broches étant reliée à la masse, le dispositif de protection étant caractérisé par le fait que les moyens de liaison électrique comportent une première couche conductrice, déposée sur une fraction de la surface de l'embase et en contact électrique avec les broches de connexion, une couche de matériau varistance déposée sur la première couche conductrice et sur les parties laissées libres de cette même surface de l'embase, et une deuxième couche conductrice déposée sur la couche varistance, en contact électrique avec les broches de connexion, les contacts électriques entre les première et deuxième couches conductrices et les broches étant réalisés de telle sorte que le contact électrique entre les broches ne soit possible qu'à travers la couche varistance. 7 Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, le dispositif à protéger étant une carte placée dans un connecteur, le connecteur comportant une ernbase isolante traversée par des broches de connexion, l'une au moins de ces broches étant reliée à la masse, le dispositif de protection étant-caractérisé par le fait que les moyens de liaison électrique comportent une première couche conductrice, déposée sur une fraction de la surface de l'embase et en contact électrique avec les broches de connexion, une deuxième couche conductrice, déposée sur les parties laissées libres de cette même surface de l'embase, mais sans contact avec la première couche, et une couche de matériau varistance déposée sur les première et deuxième couches conductrices, les contacts électriques entre les première et deuxième couches conductrices et les broches étant réalisés de telle sorte que le contact électrique entre les broches ne soit possible qu'à travers la couche varistance. 8 Dispositif selon l'une des revendications 3, 4, 5, 6 et 7, caractérisé par le fait que l'électrode ou la couche conductrice des moyens de liaison qui est reliée à la masse l'est par l'intermédiaire d'une capacité. 9 Dispositif selon les revendications 3 et 8, caractérisé par le fait que la capacité est formée par le support du composant et deux métallisations placées de part et d'autre de ce dernier.